化工自動化儀表及控制系統(tǒng)的智能化

徐進(jìn)(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

0 引言

隨著我國工業(yè)生產(chǎn)自動化技術(shù)水平的不斷提升，采取多種儀器儀表設(shè)備，對化工產(chǎn)品生產(chǎn)流程做出模擬與控制，可以在保證化工產(chǎn)品工藝水平的同時，最大程度避免化工安全隱患、突發(fā)事故的發(fā)生。因而將化工自動化儀表設(shè)備，與計算機(jī)仿真模擬軟件進(jìn)行有效結(jié)合，可以對整個化工產(chǎn)品生產(chǎn)的執(zhí)行流程、具體環(huán)節(jié)，做出自動化的控制與優(yōu)化，彌補(bǔ)傳統(tǒng)儀表故障問題檢測、電路控制的不足狀況，提高自動化儀表控制系統(tǒng)的智能性、靈活性。

1 化工自動化儀表的主要組成類別概述

化工企業(yè)生產(chǎn)自動化的儀表系統(tǒng)，通常包含溫度儀表、壓力儀表、流量儀表、物位測量儀表和在線過程分析儀表，多種儀表主要用于化工產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過程中，相關(guān)溫度、壓力、溶液液位或氣源等數(shù)據(jù)信息的監(jiān)測。

(1)溫度儀表。溫度儀表作為最常見的化工自動化儀表裝置，主要用于化工生產(chǎn)溫度的測定和控制。在化工企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，利用溫度記錄儀、溫度送變器等儀表裝置，接觸式測量不同時間段的升/降溫度曲線，然后在溫度記錄儀、溫度顯示儀、溫度變送器等設(shè)備中進(jìn)行顯示，來保證溫度調(diào)節(jié)的可控性。

(2)壓力儀表。不同化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)中都存在氣壓的變化，如流化床反應(yīng)器加壓/減壓的壓力變化操作，壓力變化會對化工生產(chǎn)的安全性造成嚴(yán)重影響。當(dāng)前化工企業(yè)使用的壓力儀表，按照工作原理主要分為彈性式、液柱式、活塞式等類型，如壓力變送器HAKK-EKA430A通常用于對化工生產(chǎn)氣體、液體和水蒸汽等壓力進(jìn)行監(jiān)測，壓力儀表測量的壓力值范圍在300 MPa以內(nèi)，儀表量程精度為±0.1%。在完成化工生產(chǎn)壓力值測量后，將其轉(zhuǎn)變?yōu)镈C的直流電流信號輸出。

(3)物位測量儀表。物位測量儀表在化工企業(yè)生產(chǎn)過程中，負(fù)責(zé)物體溶液、粉粒狀材料液位的測量，以及固體物料顆粒、堆積高度等的測量。通常根據(jù)技術(shù)實現(xiàn)條件的區(qū)別，分為電容式、激光式及靜壓式儀表，可以有效測量塔罐、槽罐等容器內(nèi)的液體位置高度。其中測量多種不互相溶解液體、固體液面位置的儀表裝置，被稱為相界面計，自動化物位測量儀對化工行業(yè)液位的測量非常精準(zhǔn)。

(4)在線過程分析儀?；て髽I(yè)生產(chǎn)中不僅涉及到溫度、壓力、物料液位等指標(biāo)，還存在著其他無法全面監(jiān)測的參量，因而利用在線過程分析儀，進(jìn)行多種綜合參量數(shù)據(jù)的詳細(xì)監(jiān)測和記錄，包括對環(huán)境產(chǎn)生污染的化工物質(zhì)監(jiān)測。如電磁流量計、浮子流量計、科氏力質(zhì)量流量計、渦輪流量計等流量儀表，可以用于化學(xué)氣體、腐蝕性液體流量介質(zhì)的檢測[1]。

2 計算機(jī)化工自動化儀表控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

2.1 化工自動化儀表控制系統(tǒng)的組成架構(gòu)

化工自動化儀表控制系統(tǒng)為單回路的反饋控制系統(tǒng)，通常包含檢測變送器、測量元件、控制器、控制閥、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器等硬件組成，對某一被控變量進(jìn)行控制，是實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程的自動化基本單元，具有投資少、結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)整等方面優(yōu)勢，能夠滿足化工工業(yè)生產(chǎn)的流程控制要求。

在化工自動化儀表檢測、故障分析與反饋控制的執(zhí)行中，要根據(jù)被控變量操縱變量等要素，進(jìn)行不同類別化工監(jiān)測儀表選型，以及儀表供電電路系統(tǒng)、信號及聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計，對完成設(shè)計的自控設(shè)備匯總表、電氣設(shè)備材料表、電氣設(shè)備接線圖做出提交。

如化工混合物分離加工生產(chǎn)的精餾過程，首先要對參與化工監(jiān)測、參數(shù)控制的設(shè)備做出調(diào)節(jié)，包括選擇化工生產(chǎn)時間、溫度、壓力、液位等過程質(zhì)量指標(biāo)，作為被控變量，設(shè)定合適的調(diào)節(jié)器、控制器、執(zhí)行器參數(shù)，以及控制儀表裝置安裝、信號線路連接的準(zhǔn)確性。之后為促使化工混合物分離達(dá)到規(guī)定的純度，還要選取蒸餾塔塔底殘液、塔頂餾出物濃度，作為化工儀表測量的被控變量，確定飽和蒸汽的溫度、壓力都為獨立變量。利用以下公式進(jìn)行獨立變量的求解：

式中：F為獨立變量數(shù)目；C和P分別化學(xué)平衡時的組分?jǐn)?shù)、相數(shù)。實際上飽和蒸汽存在著氣、液兩相，F(xiàn)=1-2 + 2 = 1。因而選取蒸汽壓力作為化工儀表測量的被控變量，因為壓力測量元件的時間常數(shù)小，可以有效保證控制系統(tǒng)的投運，以及化工產(chǎn)品加工生產(chǎn)精餾純度的達(dá)標(biāo)。

2.2 化工自動化儀表控制中單片機(jī)硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在自動化儀表系統(tǒng)開發(fā)、功能實現(xiàn)的控制過程中，需要結(jié)合計算機(jī)M16C/62單片機(jī)控制技術(shù)，對輸入/輸出信號、數(shù)模信號轉(zhuǎn)換、故障檢測指令等做出控制。當(dāng)下所使用的M16C/62單片機(jī)硬件系統(tǒng)，通常由化工自動化儀表傳感器、時鐘芯片DS1302、存儲器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、Max202線路驅(qū)動器、PWM控制放大電路等組成結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)對傳輸數(shù)據(jù)信息的接收、自動化處理等任務(wù)執(zhí)行[2]。

以上M16C/62單片機(jī)中存在的多種硬件，如時間顯示芯片、存儲器、儀表傳感器等，都與I/O口進(jìn)行直接連接，溫度傳感器通過可編程I/O接口，實現(xiàn)對化工檢測溫度值的讀取。而在I/O口作為化工自動化控制電路的輸入端口時，通常選取方向寄存器的AN0(P10.0)、RXD0(P6.2)、RXD1(6.6)等引腳進(jìn)行輸入。

M16C/62單片機(jī)采取C語言編譯器，編制出有關(guān)化工自動化儀表監(jiān)測、故障問題分析、報警指令等的執(zhí)行程序。通過C編譯器NC30，將C語言源程序轉(zhuǎn)換為匯編語言源文件，再經(jīng)由As30匯編器，生成可執(zhí)行的系統(tǒng)鍵控程序機(jī)器碼。在M16C/62單片機(jī)自動化控制系統(tǒng)上電后，先啟動“ncrt0.a30”的NC30程序，使用匯編語言對單片機(jī)初始化，包括不同電路單元、I/O接口方向的初始設(shè)置，以及中斷優(yōu)先等級的設(shè)置。

之后開啟4*4矩陣鍵盤掃描程序，在定時方式下執(zhí)行鍵盤掃描中斷，每隔10ms時長發(fā)送一次中斷請求。同時系統(tǒng)在接收到用戶鍵盤操作后，響應(yīng)中斷并運行中斷子程序，對鍵盤掃描執(zhí)行情況做出檢查。最后，運行自動化控制系統(tǒng)的功能程序模塊，包括日期讀取、溫度測量、壓力測量、物位測量等的程序，以及多源信號檢測、電機(jī)控制和數(shù)據(jù)存儲程序，通常以信號輸入/輸出的鍵控方案，使系統(tǒng)功能控制在各狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移。一般包括10個數(shù)字鍵、6個功能鍵，分別表示不同時間點的狀態(tài)、鍵碼、次態(tài)等鍵控程序[3]。

3 化工自動化儀表控制系統(tǒng)的智能化故障預(yù)測、功能實現(xiàn)

3.1 化工自動化儀表的智能化故障預(yù)測與定位

不同化工生產(chǎn)中的設(shè)備故障智能預(yù)測，主要利用自動化儀表對生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)，做出實時信號檢測、維護(hù)任務(wù)計劃性下發(fā)、故障預(yù)測報警和可視化管理。首先化工生產(chǎn)設(shè)備的故障預(yù)測過程，分為數(shù)據(jù)處理、模型自適應(yīng)、智能預(yù)測等三個步驟。

(1)數(shù)據(jù)處理選取壓力傳感器、液位傳感器，針對整個化工生產(chǎn)的三相電流、電壓傳輸，以及設(shè)備壓縮能力、液位水平及輸出效率的歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行各種數(shù)據(jù)指標(biāo)的整合分析，初步構(gòu)建起故障預(yù)測模型。

(2)模型自適應(yīng)。依據(jù)生成的初步故障預(yù)測模型，將生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)有的實時數(shù)據(jù)，與故障預(yù)測模型數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配、修正，包括多種模型參量的修正，從而最大程度達(dá)到預(yù)測模型精準(zhǔn)度的提升。

(3)智能預(yù)測。通過化工自動化儀表的數(shù)據(jù)檢測，以及故障預(yù)測模型的不斷學(xué)習(xí)自適應(yīng)學(xué)習(xí)后，進(jìn)行各種化工設(shè)備運行故障、發(fā)展趨勢的預(yù)測，并對設(shè)備的某一部位發(fā)出故障預(yù)警[4]。

之后進(jìn)行化工生產(chǎn)自動化監(jiān)控的故障定位，如對化工石油產(chǎn)出、儲運執(zhí)行流程的故障定位，要根據(jù)石油輸出量、設(shè)備啟停次數(shù)、運行負(fù)荷等指標(biāo)，通過DCS分散控制系統(tǒng)，建立起相應(yīng)的故障定位模型。在接收到石油輸出量的數(shù)據(jù)指標(biāo)后，系統(tǒng)可以借助于化工自動化儀表裝置，自主采集事故總信號、故障電流信號、故障指示信號等數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)備啟停狀況的數(shù)據(jù)分析，以及不同時段設(shè)備功率的定位監(jiān)測。當(dāng)化工電子線路在生產(chǎn)運行負(fù)荷中，出現(xiàn)不規(guī)則電流、電壓情況時，提前對故障點做出定位和預(yù)判，并快速切斷故障電流，以防止化工重大安全事故的產(chǎn)生。

3.2 化工自動化儀表控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)

化工自動化儀表的智能化控制系統(tǒng)中，通常借助于M16C/62單片機(jī)的硬件設(shè)備，包括時鐘芯片DS1302、存儲器、儀表傳感器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、Max202線路驅(qū)動器、PWM控制放大電路等，可以在短時間內(nèi)對多項控制功能進(jìn)行高效準(zhǔn)確地實現(xiàn)。

(1)自動量程切換。針對不同化工產(chǎn)品生產(chǎn)的實際狀況，自動校正xmz-10數(shù)顯溫度、超聲波液位表的測量量程，如不同電流情況下對應(yīng)的液位滿度、零點數(shù)值，降低由零點漂移帶來的量程測試誤差[5]。

(2)化工生產(chǎn)多點檢測、干擾排除。利用多種化工自動化儀表傳感器，以及計算機(jī)可編程的控制指令裝置，進(jìn)行多點數(shù)據(jù)信息的及時采集、故障檢測。之后借助于數(shù)字濾波器，選擇適合的濾波算法，對周圍村長的干擾源信號、信號特征做出分析，以便及時準(zhǔn)確了解化工產(chǎn)業(yè)流程的實際運行情況。

(3)數(shù)字信號處理及數(shù)據(jù)交互。采取多層次的數(shù)字信號處理、數(shù)據(jù)計算方式，如頻譜分析、標(biāo)度變換、統(tǒng)計整合等數(shù)據(jù)處理方法，通過M16C/62單片機(jī)計算機(jī)控制平臺，加強(qiáng)不同設(shè)備之間化工數(shù)據(jù)的交互傳播、共享，顯著提高化工自動化儀表的實時數(shù)據(jù)傳送效率和通信質(zhì)量，對產(chǎn)生的測量誤差、故障問題做出自動分析與修正。

4 結(jié)語

現(xiàn)代化工產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展過程中，引進(jìn)化工自動化儀表系統(tǒng)的控制裝置，與計算機(jī)仿真模擬軟件、氣動執(zhí)行器硬件進(jìn)行有效結(jié)合，已經(jīng)成為化工企業(yè)安全控制的主要方式。通過開發(fā)計算機(jī)化工自動化儀表系統(tǒng)、檢測與控制功能，對多種儀表裝置進(jìn)行使用及維護(hù)，可以在大大節(jié)約自動化系統(tǒng)控制成本的同時，降低化工企業(yè)加工執(zhí)行流程的故障、提高智能化水平，滿足化工產(chǎn)品生產(chǎn)的實際需求。