新型化工廠自動化儀表的發展研究

劉晟

[摘? ? 要 ]化工行業是中國國民經濟發展的支柱產業。在新時期，以智能工廠、綠色工廠為主線，化工行業對可持續發展戰略積極踐行，并在生產過程中不斷地引進先進的科學技術成果，生產裝置實現自動化運行，實現化工生產的有效控制，本質安全，環境友好。本論文著重于研究新時期化工廠自動化儀表和控制系統方面的內容。

[關鍵詞]自動化;儀表;智能工廠;綠色工廠

[中圖分類號]TQ056 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）11–00–03

[Abstract]Chemical industry is the pillar industry of China's national economic development. In the new era， with intelligent factory and green factory as the main line， the chemical industry actively practices the sustainable development strategy， and constantly introduces advanced scientific and technological achievements in the production process， so as to realize the automatic operation of production devices and effective control of chemical production， which is intrinsically safe and environmentally friendly. This paper focuses on the research of chemical plant automation instrumentation and control system in the new era.

[Keywords]automation; instrument; intelligent factory; green factory

化工行業生產過程危險系數高，根據對化工裝置的物料特性分析，往往含有易燃易爆有毒的介質。而化工企業需要安全、高效、連續和穩定地運行，對于生產參數控制存在很高的要求。儀表及控制系統應安全可靠、技術先進，應能充分滿足工藝過程的操作要求，實現集中控制、平穩操作、安全生產、長期可靠，充分發揮工藝裝置的生產能力，提高產品產量和質量[1]。隨著中國化工行業進一步發展，國家和行業內對于新型化工企業越來越強調其生產管理高效智能、生產過程安全環保。新目標對于自動化儀表有了更高的要求。

1 化工廠對自動化儀表的要求

1.1 化工生產自動化儀表的作用

化工生產中的傳統自動化儀表可以簡單的分為檢測儀表、顯示儀表、控制儀表、執行器四大類。當化工企業進行生產的時候，各項工藝指標都在時刻發生變化，包括溫度、壓力、物位、流量以及成分等。自動化儀表需要實現在任一生產環節中，當檢測儀表檢測到工藝指標產生變化時，顯示儀表能夠及時反映，控制儀表能對指標的變化情況進行分析，根據分析結果通過執行器對其進行有效控制，保證產品的質量合格和生產過程的安全可靠。化工行業的快速發展進程中，儀表運行的形式以及所發揮的作用都會相應地出現變化[2]。

1.2 新型化工廠對自動化儀表的要求

根據近年大中型化工企業的建設項目來看，高效互聯的智能工廠和節能環保的綠色工廠是當前化工企業的重點建設方向，而這兩個目標的實現離不開自動化儀表技術的發展和更廣泛的應用。

智能工廠要求現有自動化儀表更加智能化、數字化、網絡化。傳統的DCS、SIS、GDS、SCADA等過程控制系統需實現一體化，一體化的控制系統應高度智能化，不僅實現對過程數據的采集，對智能設備本身也應具有自我分析、判斷規劃能力，在信息數據集成的基礎上，實現整個工廠生產控制設備管理系統的集成。

清潔、高效、低碳、循環的綠色工廠要求自動化儀表不再局限于傳統工藝參數的檢測，還包括監控生產中的能源損耗、廢棄物排放。為了實現環境友好目標，國家和化工行業要求設置設多種在線分析檢測儀表，網格化布置、全面覆蓋生產設施，從企業廠區內延伸至廠界，即時監測大氣、水體污染物的排放情況。

2 智能工廠中的自動化儀表

2.1 智能工廠的自動化儀表需求

《國家智能制造標準體系建設指南》（2018版）中對于石油化工行業的設計、交付、智能生產和集成優化都有明確規定，其區別于傳統工廠具有智能化、數字化、自動化、集成化的特征，要求合理地設置足夠的智能檢測儀表或者必須的工藝參數、設備運行數據、安全報警情況[3]。

智能工廠的信息管理系統整體架構主要由3個層面組成：生產經營管理層（ERP）、生產運行管理層（MES）、過程控制層（PCS），其中過程控制層主要由自動化控制系統和儀表構成（圖1）。

參照《江蘇省流程性智能工廠示范要點》的要求，自動化儀表要實現生產設備自管理，通過傳感器采集相關工藝參數，實現在線數據處理和分析判斷，在線監測儀表設備工作狀態，及時進行故障自動報警和預診斷，部分設備可自動調試修復，還更進一步要求采用工業以太網、工業無線等技術，實現生產裝備、傳感器、控制系統與管理系統等的互聯，實現數據的采集、流轉和處理。

智能工廠要求傳統的過程控制系統需要能與管理信息網絡即安全隔離又互聯互通，在一個綜合信息平臺下縱向集成。化工廠的檢測儀表和執行器都要選用新型的智能儀表，生產運行管理層需要建設智能儀表設備管理系統對儀表設備進行綜合管控。

2.2 智能傳感器

傳統檢測儀表隨著集成電路技術、微處理器技術的發展逐步智能化，主要體現在以下方面：

2.2.1 智能儀表信息管理

儀表啟動時，所有相關狀態和配置信息都會從傳感器自動傳輸到變送器，可自動識別制造商、傳感器、型號、序列號、最新的校準數據，校準歷史記錄可用于趨勢分析。儀表安裝時“即插即測”降低安裝的復雜性，

2.2.2 智能儀表生命周期管理

智能傳感器的在線診斷功能實時提供傳感器的損耗度和動態使用壽命，自動計算校準的時間間隔，用來制定傳感器的維護和更換計劃，在降低維護成本的同時優化操作效率，避免發生安裝事故。

2.2.3 智能信號處理

儀表能夠自主完成信號的非線性處理，溫度與壓力的補償，量程刻度標尺的變換，零點的漂移與修正等功能。

2.2.4 遠程故障診斷

用戶可以通過智能儀表設備管理系統，將診斷維護數據遠程傳送至制造工廠的服務器，制造廠的技術專家對分析數據進行診斷后，將診斷結果及處理辦法發回用戶的監控服務器，以便協助用戶現場維護人員及時排除隱患。

2.3 智能執行器

自控閥門在配置了智能閥門定位器和多種檢測傳感器后，可通過智能定位器對閥門的閥位、輸出、氣源等參數的傳感器進行信息采集傳送。每臺閥門出廠的預制信息可存儲在配套的智能定位器中，通過數據比對進行性能診斷，顯示閥門內件的健康狀況，定位運行不正常或者性能開始惡化的閥門，協助工廠安排檢維修計劃[4]。

2.4 智能儀表設備管理系統

智能儀表設備管理系統是針對現場智能儀表設備進行故障診斷、在線組態、維護保養、數據記錄存儲及管理的一體化系統，在智能工廠信息架構中是MES層重要組成。它可通過信息采集模塊與現場智能儀表相連接，支持Modbus、HART及OPC等多種通信協議，與DCS等控制系統無縫集成。它使智能儀表通過網絡可實現遠程管理、操作、維護和數字通信等功能。

智能儀表設備管理系統的基本功能包括儀表設備信息管理、儀表設備狀態管理、儀表設備報表管理、報警及安全信息管理、儀表的預測性維護[5]。

3 綠色工廠中的自動化儀表

3.1 綠色工廠的自動化儀表需求

隨著國家對生態環保的要求逐步提高，“生態優先、綠色發展”逐漸成為提升企業核心競爭力的關鍵要素，建成清潔、高效、低碳、循環的綠色企業，要求化工企業做好大氣/水體污染的防治工作[6]。

為將企業的大氣/水體污染物排放濃度達到國家和地方標準要求，自動化儀表的設置需要實現以下功能。

（1）網格化環境監測：建設集數據采集、存儲、傳輸和管理于一體的可無人值守的網格化、全覆蓋在線環境監測系統。

（2）繪制污染地圖：繪制基于監測網得到的“污染地圖”，可結合溯源模型等手段，實現企業內區域內定向治理，以減少廢棄物擾民投訴事件。

（3）建立環境監控平臺：通過網絡建立數字化平臺，落實各部門資源共享、業務協同的管理目標，做到基礎數據共享、統一指揮、聯動運行。

3.2 廠區管道泄漏監測儀表

廠區內腐蝕性物料管道和熱力管道可能的“跑冒滴漏”現象，是污染物無組織性排放的一個重要途徑。為對特定的污染物管道泄露實現自動監測、實時定位，上報至環境監控平臺處理，一些在礦山、長輸管道領域有多年成熟運用經驗的在線式管道泄漏監測儀表也開始在化工廠使用。

光纖分布式溫度檢漏儀是以光波為載體，光纖為媒質，伴隨管道平行敷設，感知和傳輸管道溫度，通過局部溫度變化來定位泄露位置，具有抗干擾能力強、使用壽命長、耐腐蝕、免維護的優勢。

電纜式檢漏儀是以特定類型的電纜與物料管道平行敷設，當物料泄露時，會滲入電纜引起電纜特征的相應變化，通過前后數據對比就可以對泄露位置進行檢測定位。它對于工藝物料的緩慢滲漏檢測效果良好。

3.3 網格化大氣、水體監測站儀表

化工企業將多個微型的網格化空氣站、水體檢測站布置在裝置的界區，監控大氣和水體的排放指標。根據工藝物料泄放情況，空氣站內可設置在線式的有機物氣相色譜分析儀、氮氧化物分析儀、臭氧分析儀、小型化顆粒物分析儀等。水體檢測站可設置在線式化學需氧量分析儀、pH計、總磷/總氮分析儀、氨氮分析儀、重金屬分析儀等。

這些監測站點內通常設置SCADA等自動監控數據采集傳輸系統，自動采集現場環境、安全等各類監測數據，可采用RS485通訊、有線網絡、無線網絡（含4G/5G）等多種通訊技術，與其他監測站點、控制室、監管部門進行數據組網。監控人員可遠程查看原始數據，并實現數據同步轉發上報。

3.4 移動監測走航車儀表

近年來VOCs飛行時間質譜法（TOF-MS）監測儀表逐步在化工領域國產化并成熟應用，其檢測器為基于微通道板的離子檢測器，監測原理為高分辨率飛行時間質譜。該類儀表能對所有氣體組分進無選擇性歧視的取樣，結構簡單，可監測對象范圍大，分析速度快速[7]。基于此項技術可以對VOCs等大氣指標進行移動式監測。

大型化工企業開始配置新一代的移動監測走航車，以工具車為載具，車內主要配置了自動控制系統、VOCs在線飛行時間質譜法監測儀和其它的便攜式檢測儀表。當車輛沿企業內部或者周邊道路的走航過程中，系統能實時處理監測結果，并統計所監測物質的濃度，能利用檢測到的污染數據信息，結合污染溯源模型算法，逐步追溯到對應污染源，能自動解析質譜圖，并給出譜圖中定性出的物種清單及其對應的濃度。走航車在走航巡視過程中，可以將走航路線與地圖關聯，并實時處理走航結果將其顯示于對應地理位置，走航地圖中可以觀察到污染程度信息，并以不同顏色區分。地圖中可調出各個點位監測到的物種清單。

4 結束語

隨著化工行業對于智能工廠、綠色工廠的建設需要，自動化儀表不在拘泥于傳統的工藝參數監控，對于設備儀表狀態和工廠環境指標監控要求的深度和廣度都在逐步提高。最新的智能儀表較上一代電氣儀表，以信息技術、智能化技術的發展成果為基本框架，深度融合工業網絡、人工智能，較以往更智能、更全面、更環保、更敏捷。它對于新型化工廠而言，可以實現對生產過程的全流程監控，對化工廠及周邊環境進行全生命周期保護。

參考文獻

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