化工自動化儀表及控制系統的智能化

徐進(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

0 引言

隨著我國工業生產自動化技術水平的不斷提升，采取多種儀器儀表設備，對化工產品生產流程做出模擬與控制，可以在保證化工產品工藝水平的同時，最大程度避免化工安全隱患、突發事故的發生。因而將化工自動化儀表設備，與計算機仿真模擬軟件進行有效結合，可以對整個化工產品生產的執行流程、具體環節，做出自動化的控制與優化，彌補傳統儀表故障問題檢測、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

化工企業生產自動化的儀表系統，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業生產過程中，相關溫度、壓力、溶液液位或氣源等數據信息的監測。

(1)溫度儀表。溫度儀表作為最常見的化工自動化儀表裝置，主要用于化工生產溫度的測定和控制。在化工企業產品生產過程中，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、溫度變送器等設備中進行顯示，來保證溫度調節的可控性。

(2)壓力儀表。不同化工生產環節中都存在氣壓的變化，如流化床反應器加壓/減壓的壓力變化操作，壓力變化會對化工生產的安全性造成嚴重影響。當前化工企業使用的壓力儀表，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氣體、液體和水蒸汽等壓力進行監測，壓力儀表測量的壓力值范圍在300 MPa以內，儀表量程精度為±0.1%。在完成化工生產壓力值測量后，將其轉變為DC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生產過程中，負責物體溶液、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。通常根據技術實現條件的區別，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液位的測量非常精準。

(4)在線過程分析儀。化工企業生產中不僅涉及到溫度、壓力、物料液位等指標，還存在著其他無法全面監測的參量，因而利用在線過程分析儀，進行多種綜合參量數據的詳細監測和記錄，包括對環境產生污染的化工物質監測。如電磁流量計、浮子流量計、科氏力質量流量計、渦輪流量計等流量儀表，可以用于化學氣體、腐蝕性液體流量介質的檢測[1]。

2 計算機化工自動化儀表控制系統的組成結構

2.1 化工自動化儀表控制系統的組成架構

化工自動化儀表控制系統為單回路的反饋控制系統，通常包含檢測變送器、測量元件、控制器、控制閥、調節器和執行器等硬件組成，對某一被控變量進行控制，是實現化工生產過程的自動化基本單元，具有投資少、結構簡單、易于調整等方面優勢，能夠滿足化工工業生產的流程控制要求。

在化工自動化儀表檢測、故障分析與反饋控制的執行中，要根據被控變量操縱變量等要素，進行不同類別化工監測儀表選型，以及儀表供電電路系統、信號及聯鎖保護系統的設計，對完成設計的自控設備匯總表、電氣設備材料表、電氣設備接線圖做出提交。

如化工混合物分離加工生產的精餾過程，首先要對參與化工監測、參數控制的設備做出調節，包括選擇化工生產時間、溫度、壓力、液位等過程質量指標，作為被控變量，設定合適的調節器、控制器、執行器參數，以及控制儀表裝置安裝、信號線路連接的準確性。之后為促使化工混合物分離達到規定的純度，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。利用以下公式進行獨立變量的求解：

式中：F為獨立變量數目；C和P分別化學平衡時的組分數、相數。實際上飽和蒸汽存在著氣、液兩相，F=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小，可以有效保證控制系統的投運，以及化工產品加工生產精餾純度的達標。

2.2 化工自動化儀表控制中單片機硬件系統的結構

在自動化儀表系統開發、功能實現的控制過程中，需要結合計算機M16C/62單片機控制技術，對輸入/輸出信號、數模信號轉換、故障檢測指令等做出控制。當下所使用的M16C/62單片機硬件系統，通常由化工自動化儀表傳感器、時鐘芯片DS1302、存儲器、步進電機驅動器、Max202線路驅動器、PWM控制放大電路等組成結構，負責對傳輸數據信息的接收、自動化處理等任務執行[2]。

以上M16C/62單片機中存在的多種硬件，如時間顯示芯片、存儲器、儀表傳感器等，都與I/O口進行直接連接，溫度傳感器通過可編程I/O接口，實現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)等引腳進行輸入。

M16C/62單片機采取C語言編譯器，編制出有關化工自動化儀表監測、故障問題分析、報警指令等的執行程序。通過C編譯器NC30，將C語言源程序轉換為匯編語言源文件，再經由As30匯編器，生成可執行的系統鍵控程序機器碼。在M16C/62單片機自動化控制系統上電后，先啟動“ncrt0.a30”的NC30程序，使用匯編語言對單片機初始化，包括不同電路單元、I/O接口方向的初始設置，以及中斷優先等級的設置。

之后開啟4*4矩陣鍵盤掃描程序，在定時方式下執行鍵盤掃描中斷，每隔10ms時長發送一次中斷請求。同時系統在接收到用戶鍵盤操作后，響應中斷并運行中斷子程序，對鍵盤掃描執行情況做出檢查。最后，運行自動化控制系統的功能程序模塊，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、電機控制和數據存儲程序，通常以信號輸入/輸出的鍵控方案，使系統功能控制在各狀態之間轉移。一般包括10個數字鍵、6個功能鍵，分別表示不同時間點的狀態、鍵碼、次態等鍵控程序[3]。

3 化工自動化儀表控制系統的智能化故障預測、功能實現

3.1 化工自動化儀表的智能化故障預測與定位

不同化工生產中的設備故障智能預測，主要利用自動化儀表對生產運行數據，做出實時信號檢測、維護任務計劃性下發、故障預測報警和可視化管理。首先化工生產設備的故障預測過程，分為數據處理、模型自適應、智能預測等三個步驟。

(1)數據處理選取壓力傳感器、液位傳感器，針對整個化工生產的三相電流、電壓傳輸，以及設備壓縮能力、液位水平及輸出效率的歷史數據，進行各種數據指標的整合分析，初步構建起故障預測模型。

(2)模型自適應。依據生成的初步故障預測模型，將生產設備現有的實時數據，與故障預測模型數據進行匹配、修正，包括多種模型參量的修正，從而最大程度達到預測模型精準度的提升。

(3)智能預測。通過化工自動化儀表的數據檢測，以及故障預測模型的不斷學習自適應學習后，進行各種化工設備運行故障、發展趨勢的預測，并對設備的某一部位發出故障預警[4]。

之后進行化工生產自動化監控的故障定位，如對化工石油產出、儲運執行流程的故障定位，要根據石油輸出量、設備啟停次數、運行負荷等指標，通過DCS分散控制系統，建立起相應的故障定位模型。在接收到石油輸出量的數據指標后，系統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、故障指示信號等數據，進行設備啟停狀況的數據分析，以及不同時段設備功率的定位監測。當化工電子線路在生產運行負荷中，出現不規則電流、電壓情況時，提前對故障點做出定位和預判，并快速切斷故障電流，以防止化工重大安全事故的產生。

3.2 化工自動化儀表控制系統功能實現

化工自動化儀表的智能化控制系統中，通常借助于M16C/62單片機的硬件設備，包括時鐘芯片DS1302、存儲器、儀表傳感器、步進電機驅動器、Max202線路驅動器、PWM控制放大電路等，可以在短時間內對多項控制功能進行高效準確地實現。

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

(2)化工生產多點檢測、干擾排除。利用多種化工自動化儀表傳感器，以及計算機可編程的控制指令裝置，進行多點數據信息的及時采集、故障檢測。之后借助于數字濾波器，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，以便及時準確了解化工產業流程的實際運行情況。

(3)數字信號處理及數據交互。采取多層次的數字信號處理、數據計算方式，如頻譜分析、標度變換、統計整合等數據處理方法，通過M16C/62單片機計算機控制平臺，加強不同設備之間化工數據的交互傳播、共享，顯著提高化工自動化儀表的實時數據傳送效率和通信質量，對產生的測量誤差、故障問題做出自動分析與修正。

4 結語

現代化工產業生產與發展過程中，引進化工自動化儀表系統的控制裝置，與計算機仿真模擬軟件、氣動執行器硬件進行有效結合，已經成為化工企業安全控制的主要方式。通過開發計算機化工自動化儀表系統、檢測與控制功能，對多種儀表裝置進行使用及維護，可以在大大節約自動化系統控制成本的同時，降低化工企業加工執行流程的故障、提高智能化水平，滿足化工產品生產的實際需求。