化工過(guò)程控制中智能化儀表的應(yīng)用研究

陳素麗

（福建省雄偉安全技術(shù)咨詢有限責(zé)任公司，福建 泉州 362012）

0 引 言

當(dāng)前化工過(guò)程控制中，儀器儀表體現(xiàn)出非常明顯的優(yōu)勢(shì)，也因此成為化工過(guò)程控制的重要設(shè)備。隨著化工生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)技術(shù)及控制面臨更高的要求。特別是在行業(yè)自動(dòng)化轉(zhuǎn)型的當(dāng)下，實(shí)現(xiàn)化工過(guò)程自動(dòng)化控制非常重要。在這一前提下，智能化儀表作為化工行業(yè)生產(chǎn)控制的必要裝置，得到廣泛應(yīng)用。本文圍繞智能化儀表在化工過(guò)程控制中的有效應(yīng)用展開(kāi)分析。

1 智能化儀表內(nèi)部構(gòu)造

智能化儀表主要包括硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)內(nèi)部有微處理器（又稱單片微型計(jì)算機(jī)，即單片機(jī)）、過(guò)程信號(hào)輸入/輸出通道、存儲(chǔ)器、人機(jī)接口電路、通信接口電路等，如圖1 所示。微處理器（見(jiàn)圖2）主要負(fù)責(zé)分析采集數(shù)據(jù)，將分析所得結(jié)果傳輸至存儲(chǔ)器內(nèi)，過(guò)程信號(hào)輸入/輸出通道負(fù)責(zé)輸入輸出模擬信號(hào)及開(kāi)關(guān)量信號(hào)，人機(jī)接口電路則是在操作者和儀表之間建立聯(lián)系，其中包括儀表鍵盤及顯示器。通信接口用于連接智能儀表和計(jì)算機(jī)，技術(shù)人員利用數(shù)據(jù)通信口完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，達(dá)到控制儀器儀表的目的[2]。

其中選擇微處理器要分析性能，具體如下。（1）AT89C52 型微處理器。其中包括三個(gè)定時(shí)器、六個(gè)中斷源；（2）ADuC831 型微處理器。該單片機(jī)中包括AT89C52 的所有資源，片內(nèi)擴(kuò)展2 KB 數(shù)據(jù)XRAM 在外部數(shù)據(jù)儲(chǔ)存空間中占據(jù)低2 KB 空間，且需要通過(guò)MOVX 指令完成訪問(wèn)。4 KB 片內(nèi)包含EEPROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

圖1 智能化儀表硬件結(jié)構(gòu)

圖2 單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖

軟件系統(tǒng)從應(yīng)用角度可分為監(jiān)控程序和接口管理程序兩部分，內(nèi)部有初始化程序、檢測(cè)程序、功能模塊、中斷程序等。初始化程序的作用是在上電后初始化所有模塊，并對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，確保其處于正常運(yùn)行狀態(tài)。如果檢測(cè)過(guò)程發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)不存在異常，提示技術(shù)人員可以繼續(xù)操作。檢測(cè)程序負(fù)責(zé)采集技術(shù)人員所需數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸、管理。功能模塊可同時(shí)處理多路檢測(cè)數(shù)據(jù)。中斷程序的作用有兩點(diǎn)，一個(gè)是儀器儀表運(yùn)行期間如果發(fā)生意外，要立即停止運(yùn)行；另一個(gè)是在智能計(jì)算環(huán)節(jié)有立即停止當(dāng)前任務(wù)、轉(zhuǎn)向其他工作的功能。軟件系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)功能模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸與控制，需要和微處理器、存儲(chǔ)器搭配運(yùn)行。

化工過(guò)程控制中智能化儀表內(nèi)部還包含預(yù)處理電路。預(yù)處理電路的作用是將輸入信號(hào)運(yùn)算放大、整形、補(bǔ)償處理，再利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)變模擬信號(hào)格式，使其能夠被微處理器識(shí)別，利用串口寫入數(shù)據(jù)到寄存器當(dāng)中，將有價(jià)值的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存。CPU 會(huì)分析、處理儲(chǔ)存的參數(shù)，按照不同類型將其存儲(chǔ)到RAM 內(nèi)部，通過(guò)相應(yīng)的寄存器在顯示器上顯示，從而滿足化工過(guò)程控制的需要。

2 智能化儀表應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

第一，精準(zhǔn)度高。在新環(huán)境下，化工生產(chǎn)工藝越來(lái)越復(fù)雜，測(cè)量所得數(shù)據(jù)與控制參數(shù)越來(lái)越多[1]。以往應(yīng)用的測(cè)控儀表是通過(guò)模擬電路的方式進(jìn)行計(jì)算，無(wú)法保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且這種模擬算法也存在一些限制，精度不高。應(yīng)用智能化儀表，在儀表硬件結(jié)構(gòu)中增設(shè)微型計(jì)算機(jī)與微處理器，并且通過(guò)智能化數(shù)字電壓表準(zhǔn)確測(cè)量輸入信號(hào)，發(fā)揮數(shù)字電路、存儲(chǔ)器的優(yōu)勢(shì)，除了可以更高效率的完成計(jì)算外，還能夠獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。圖3 為智能化數(shù)字電壓表運(yùn)行原理圖。

圖3 智能化數(shù)字電壓表運(yùn)行原理圖

第二，數(shù)據(jù)采集與處理效率高。化工生產(chǎn)、管理、控制過(guò)程中，為了全面提升信息化能力，需要采用工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)與智能化工設(shè)備，這樣數(shù)據(jù)處理能力也隨之提升。此外，儀表總線和通信總線的傳輸速率不斷提高，對(duì)于化工生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性提供了很大的幫助。所以，通過(guò)智能化儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，一方面可以實(shí)時(shí)掌握化工生產(chǎn)進(jìn)度與能源消耗情況，另一方面也為化工企業(yè)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

第三，多功能化。多功能本身就是智能化儀表的一個(gè)特點(diǎn)。例如，化工生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)需要同時(shí)檢測(cè)蒸汽溫度、壓力、流量，并且要求流量盡可能精確，此時(shí)采用溫壓補(bǔ)償型流量計(jì)，可得到更加精確的流量檢測(cè)值，同時(shí)儀表可輸出多路檢測(cè)信號(hào)，減少現(xiàn)場(chǎng)溫度、壓力儀表方面的費(fèi)用。

第四，小型化及微型化。當(dāng)今化工生產(chǎn)尤其是精細(xì)化工生產(chǎn)對(duì)控制要求越來(lái)越多，因此現(xiàn)場(chǎng)智能儀表數(shù)目大幅提高。智能儀表的小型化及微型化可以節(jié)省大量空間，同時(shí)對(duì)設(shè)備及管道的布置提供了更大的便利。

3 智能化儀表在化工過(guò)程控制中的應(yīng)用

3.1 在人機(jī)界面結(jié)合中應(yīng)用

智能化儀表獨(dú)特的人機(jī)接口功能已被廣泛應(yīng)用于化工過(guò)程控制中，通過(guò)儀表本身的觸摸屏及鍵盤按鍵等方式，對(duì)過(guò)程控制參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視及控制[3]。智能化儀表在化工過(guò)程控制中的應(yīng)用，除了儀表本身，還要安排專門人員負(fù)責(zé)操作，才能夠?qū)⒃O(shè)備本身的價(jià)值發(fā)揮出來(lái)。當(dāng)今化工生產(chǎn)中，很多裝置雖然采用了智能化儀表，但儀表的很多功能并未被有效利用。所以，化工企業(yè)運(yùn)用智能化儀表，就必須針對(duì)相關(guān)技術(shù)人員展開(kāi)培訓(xùn)，提高專業(yè)能力，充分實(shí)現(xiàn)人機(jī)結(jié)合，從而提高智能化儀表的利用率。

3.2 在DCS 系統(tǒng)中應(yīng)用

化工生產(chǎn)中的DCS 系統(tǒng)過(guò)程控制是從20 世紀(jì)開(kāi)始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高，DCS 系統(tǒng)的操控、管理、通信及硬件水平也顯著提升。DCS 系統(tǒng)的快速發(fā)展對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表也提出了更高的要求。智能化儀表作為DCS系統(tǒng)中必不可少的部件，其中包含諸多智能化儀表，由此組成全方位的多智能化儀表控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)中主要有管理級(jí)、控制級(jí)及現(xiàn)場(chǎng)級(jí)三種類型?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)智能化儀表的協(xié)議相互連接，可以直接對(duì)化工生產(chǎn)過(guò)程發(fā)揮作用，提取生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的信息，為化工生產(chǎn)過(guò)程控制提供支持。

3.3 在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中應(yīng)用

在DCS 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)與創(chuàng)新可以獲得現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，這在化工過(guò)程控制領(lǐng)域?qū)儆诒容^先進(jìn)的控制方法。智能化儀表在該系統(tǒng)中運(yùn)用，可以將化工生產(chǎn)范圍內(nèi)的所有現(xiàn)場(chǎng)級(jí)智能化儀表轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并且有效連接這些節(jié)點(diǎn)，將化工企業(yè)內(nèi)部信息在過(guò)程控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備中拓展，管理人員在過(guò)程控制現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施智能化儀表的在線參數(shù)整定，并且診斷故障，掌握實(shí)時(shí)運(yùn)行進(jìn)度。如果分析發(fā)現(xiàn)過(guò)程控制現(xiàn)場(chǎng)需要增加智能化儀表，要將其直接掛接于原總線，不需要再增加其余組件?；どa(chǎn)中應(yīng)用智能化儀表，也可以與PLC 系統(tǒng)結(jié)合，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部的ControlNet、Profibus、FF 總線對(duì)智能化儀表功能進(jìn)行創(chuàng)新。現(xiàn)場(chǎng)總線智能化儀表在嵌入式軟件的幫助下，具備協(xié)調(diào)操作、非線性補(bǔ)償以及自動(dòng)校準(zhǔn)等功能，將現(xiàn)代化工過(guò)程控制、功能進(jìn)行分散處理，提高化工過(guò)程控制水平[4]。

3.4 在工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用

工業(yè)以太網(wǎng)屬于一種新控制技術(shù)，在化工生產(chǎn)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其是管理層、控制層、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層中。開(kāi)發(fā)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、信息網(wǎng)絡(luò)，并將這兩其統(tǒng)一，得到以Web 瀏覽器為載體的智能化儀表。這一類型的儀表可以實(shí)現(xiàn)EPA（Ethernet for Plant Automation）網(wǎng)絡(luò)通信，與高精度智能化變送器結(jié)合，在化工過(guò)程控制中應(yīng)用可以獲得非常理想的效果。例如某化工企業(yè)在自動(dòng)控制系統(tǒng)研發(fā)與生產(chǎn)中，便應(yīng)用了有DP9 接口的TR700 型儀表。該儀表和PLC、UNI800C、UNI900 掛接，開(kāi)發(fā)Profinet 工業(yè)以太網(wǎng)、Ethernet/IP 工業(yè)以太網(wǎng)等多樣化控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)督化工生產(chǎn)過(guò)程。

4 結(jié) 論

化工過(guò)程控制中運(yùn)用智能化儀表，一方面可以提高過(guò)程控制效率，發(fā)現(xiàn)化工生產(chǎn)中存在的故障；另一方面可以提高運(yùn)算精準(zhǔn)性，獲取更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)為化工生產(chǎn)提供參考，制定科學(xué)的過(guò)程控制方案，加快實(shí)現(xiàn)化工行業(yè)信息自動(dòng)化與智能化的目標(biāo)。