現代化工儀表及化工自動化的過程控制

杜曉宇

（太原理工大學，山西 太原 030024）

引言

近幾年，國內電氣工程取得了很大的發展，隨著各種先進技術的應用，自動化技術廣泛應用在各個行業中。正是由于化工儀表和化工自動化的滲透，讓自動控制設施廣泛應用在化工業中，然后再對各種生產數據進行過程控制與監測。

1 化工自動化儀表的概述

1.1 化工自動化意義

化工自動化，即化工生產自動化，它是化工在生產過程中，通過安裝某種設備替代人為手工，最后實現自動化生產。在當前的國民經濟發展中，化學工業為國民經濟發展提供了很好的作用。大多數情況下，生產都會在特定的生產空間進行，這樣直接影響了人工操作，另外化學藥劑的封閉操作與物品特性，也讓化工生產存在很大的危險［1］。為了確保生產過程高效、環保，必須對各種工藝指標進行嚴厲的控制與監管。而這期間，最有效的方法就是儀表自動化。

1.2 化工儀表自動化過程的優勢

在化工生產中，它的特征主要體現在：使用發達的綜合技術與微電腦技術，不僅節省了大量時間，同時也為提高儀表操作的抗干擾能力與可靠性發揮了很大作用，為創造高效的控制效果，節省人力起到了很大的推動作用。通常化工儀表都有編輯程序的版塊，利用各種計算機變更設計內容，從而替代早期的繼電器與邏輯電路，方便工程維護。尤其是將芯片接口引入為空特性中，就能替代復雜動作進行精確動作。因為使用的是比較高級的編程語言，或者順序功能圖樣、圖形圖樣，這讓軟件編程更加簡潔易行。如果使用的是硬件電路進行控制，就必須提供一套中斷定時性電路，這樣既繁瑣又容易出現故障，很難和簡易軟件媲美。故編程軟件代替傳統接線電路，這是自動化控制的進步。另外，自動控制中的化工生產有著很好的記憶功能，它和傳統的時序電路、邏輯組合不同，只要下一步操作進入正軌，上一級信息狀態依然會保留。

把微機應用到儀表中，通過RAM能綜合記憶狀態信息，只要不停電，信息就不會丟失，并且對多種信息進行有效記憶，最后再現信息處理。在這期間，微機為自動化儀表賦予了很好的計算功能。如：在儀表控制中經常會碰到的加減乘除，確立最小值、最大值，給定運算與檢測標準；當整個計算過程結束后，儀表再根據數據進行線性處理，通過對各種工程測量與工程值進行分析，在軟件工具和微處理中就能完成工作。如此，不僅豐富了綜合處理，同時也是控制硬件負載，優化整體控制的有效方式［2］。

2 現代化工儀表自動化控制技術

2.1 DCS系統應用

從新型DCS結構來看，主要包括：現場儀表、車間廠房、單元控制與企業管理層。在現代化工儀表工作中，DCS為企業提供了信息通道，它具有很好的準確性、系統性、全面性與實時性。另外，DCS有著很好的人性功能，通過提供人工參數、報警、歷史描繪與曲線打印等功能，方便進行自動與手動切換。

如：某企業在引進DCS系統時，通過整改甲縮酸、甲醛等儀表配置，充分利用DCS系統，以此完成企業管理與過程控制工作。從實踐統計反饋的信息來看：新時代化工生產中的系統投資占整個生產裝置中的10%～16%。其中，甲醛存在很大的危險，對于氧化反應、二元混合器等危險系數較高的設施，施工過程必須結合安全連鎖、報警裝置進行。另外，還需要配置超溫、超壓、物料配合比異常時需要的自動切換與警鳴裝置。流量、壓力、溫度、液位作為最主要的參數，利用DCS能準確檢測系統參數，并且將其集中在控制室內部進行監測，以此達到統一調度、報警顯示的要求［3］。

針對二元混合氧化器設備，必須對化學反應、物料配比中的工作壓力、溫度進行實時監控，為了確保工作開展，必須對設置報警、控制與連鎖系統，同時附帶如安全閥、防爆片、放空閥等一系列安全系統。或者使用DCS與ESD（專門針對連鎖控制）相整合的形式處理，這樣一旦出現事故，生產將自動進入安全停車的狀態，以此控制風險，確保生產裝備與工作人員安全。

除了上述談到的內容，DCS還有檢索數據、信息共享、算法自定義等特征，以此增強程序編制與控制，這樣不僅有助于改善控制水平，對提高產品質量、減小工作強度，保障生產安全也有很大作用。

2.2 PLC可編程控制器

PLC利用的是用戶存儲，通過內部計數、計時運算、邏輯順序，利用A／D、D／A靈活地進行模擬輸出與數字輸出，以此達到控制生產的要求。和傳統的繼電器、單片機相比，它具有通用性好、維護便利、抗干擾能力好、可靠性好、體積緊湊等優勢。事實上，可編程控制器是小型計算機的濃縮，它能針對化工設施進行精確的控制，以此確保各項工序正常進行。它無需像繼電器一樣，如果工藝被調整，就必須重新布線，通過更改用戶程序，就能達到提升工作效率的要求，適用于大型企業。

目前，PLC已經成熟，大部分廠家都有配套的軟件包，具體包括運動、調試、編程、故障診斷、組態與通信等功能。典型的PLC網絡拓撲包含過程、設備與信息層管理。一旦現場總線與設備管理結合，工業生產中的MCC、儀表檢測、變頻器等外部設施都可以和PLC進行連接。在控制過程中，對全廠以及整個車間進行設備控制；在信息管理中，PLC發展到以太網，最后達到統一與優化信息控制的要求。

在大型化工單位，PLC常用于生產中，如：自帶系統、壓縮機，都能很好的和DCS整合，方便企業完成自動化。

2.3 實時監控技術

化工業作為特殊行業，通常環保單位會定期召開安全等級評選工作。為了確保生產安全，在防爆要求高、危險的廠房，必須設置專門的有害與可燃氣體監測，并且使用隔爆與本安儀表［4］。

3 自動化過程控制的發展

在傳統的化工生產中，受小批量與間歇性生產的影響，為了降低投資，化工企業多使用智能、模擬儀表進行控制，其自動化程度不高，操作麻煩。隨著自動化與精細化過程提高，基于總線、組態、工業控制的模板已經應用到小型計算機系統中。自程序、順序控制到現在的批量生產、優化控制，現代化工儀表發生了巨大的變化。針對大多數間歇過程沒有穩定工作點的特征，要求精細化生產必須擁有很好的動態特性。因為線性工作點并不穩定，普通的PID控制的工況范圍與時間都很有限，所以難以保障精細化生產的一致性。

圖1 雙模態控制中的典型變量軌跡

從圖1可知：反應器溫度中的雙模態有PID與兩位控制兩種模型。如果使用兩位控制，那么蒸汽將全部開放；之后全開冷卻水，反應器的全負荷冷卻時間為TD1；將控制作用中的預定值設置成PL，時間為TD2；最后再將溫度切換成PID控制，由反應器恒定控制。

4 結語

自動化控制作為一項功能多、準確性高、靈活性強、集成性好的系統，對改善工作環境，提高產品質量具有重要作用。因此，在實際工作中，必須不斷滲透自動化儀表，通過提高工作層次，優化控制過程。

［1］ 魏永祥.案例教學在化工儀表及自動化課程中的探索與實踐［J］.中國現代教育裝備，2010（13）：118－119.

［2］ 丁秋琴，姜盈盈.探討現代化工儀表及化工自動化的過程控制［J］.化工管理，2014（23）：179.

［3］ 趙冬，劉玉麗.探討現代化工儀表及化工自動化的過程控制［J］.中國機械，2014（23）：166－167.

［4］ 張孝杰，史洪偉，卓馨，等.應用型本科院校《化工儀表自動化》課程教學探討［J］.商丘師范學院學報，2014（6）：128－131.