物聯網在化學化工中的應用

崔菡云

摘要：為了解決我國中小型化工企業生產工藝復雜，操作要求高而自動化程度低，控制與監測分離，存在眾多的安全隱患等問題，本文通過研究引入物聯網概念對中小型化工企業生產過程進行檢測、傳輸與控制， 建立與應用多級報警系統，為小微企業提供了精準實現工藝條件、對反應體系信號的實時檢測，提高工程的安全性和可靠性提供了技術保證。

關鍵詞：物聯網;化工生產;自動控制;分級報警

一、概況

“物聯網”（Internet of Things）是指將各種信息傳感設備及系統，如傳感器網絡、射頻標簽閱讀裝置、條碼 與二維碼設備、全球定位系統和其它基于物一物通信模式 （M2M）的短距無線自組織網絡，通過各種接入網與互聯網結 合起來而形成的一個巨大智能網絡。如果說互聯網實現了人 與人之間的交流，那么物聯網可以實現人與物體的溝通和對話，也可以實現物體與物體互相間的連接和交互。【1】

物聯網包括了感知層和網絡層。傳感器是能夠檢測規定的被測物理量并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，溫度、液位、壓力、濃度等傳感器將采集到的溫度值、氣體濃度值、液位高度值、壓力值等物理量、化學量或生物量轉換為數字信號（主要是電物理量），便于傳輸、轉換、顯示、控制。

網絡層是物聯網的基礎設施，通過各種通信網、互聯網、專用網及接入網等對數據進行精確計算和有效傳輸，優化和改進物聯網的應用特征，形成協同的感知網絡。網絡可以是電信、移動這樣的通用網絡，實現遠距離的傳輸，或者是wifi的局域網。既可以是5G的先進網絡，又可以使用3G，4G這樣成熟的網絡技術以及藍牙等。 最終，智能化的應用可以通過基于物聯網的應用，例如手機、個人計算機等終端設備以及數據中心所構成的專用或系統網絡實現?！?】

二、小型化工企業的現狀

我國是化工大國，存在眾多的大型石油化工企業和中小型化工企業，大型化工企業通常使用自動化系統控制，具有成熟的DCS控制系統。而中小型化工企業控制系統相對落后，以人工操作，人工監測為主。

這些中小企業多數生產高附加值精細化工產品，工藝復雜，對反應條件要求苛刻。因為經常使用易燃易爆、強腐蝕、強酸強堿等危險化學品，同時生產過程中自動化程度低，控制與監測分離，傳統的人工控制很難精準實現工藝要求，雖然在傳統的化工企業中也安裝有溫度、粉塵、氣體濃度等環境因素的傳感器，但往往需要人工巡檢、記錄并通過紙質或電子文檔匯總上報。這樣因此不僅消耗大量人力，降低了生產效率，產品質量的穩定性和產量不能得到保證，一旦發生危險情況，人員安全將受到嚴重傷害

小微企業是國民經濟和社會發展的重要基礎。小微企業健康發展對于我國經濟克服國際宏觀因素影響，保持平穩較快發展，吸容就業，保障社會穩定具有重要戰略意義。[3]

三、存在問題

1.安全隱患：一些化學反應涉及劇烈的吸放熱，人工控制裝置很難對加入物料的速度進行控制，這會導致反應體系的參數波動較大，很容易造成沖料、泄露等危險，嚴重時可能會引起燃燒或爆炸等惡性事故。

化工生產還會涉及強腐蝕，對水分敏感物質的控制，例如紅磷白磷，氫化鈣、金屬鈉等。

2.控制精度差：比如精制氨基酸類產品，需要精確的將 pH值調整到該產品的等電點，以保證其溶解度最小。但是在加酸或加堿過程中，體系的 pH值變化不是線性變化，經常在某值附近出現突變，因此靠傳統的人工操作很難精準控同樣的問題，還存在于濃硫酸稀釋（大量放熱）、溴化反應（自催化反應）等。

3.安全隱患：傳統的化工生產是將物料通過泵等設備傳輸到高位槽，再通過閥門的控制進行加料控制。占據較大空間，同時存在安全隱患和不易控制等問題。

四、解決思路

為了解決化工生產中影響生產效率與質量穩定的各種因素以及潛在的安全隱患，引入物聯網概念對中小型化工企業生產過程進行檢測至關重要。首先，可以在各個關鍵點安裝各種傳感器對化學反應的具體參數進行實時監測、傳輸、反饋與控制，從而實現中小型化工企業生產的智能化控制。

1、比例控制（PID）運用于反應過程中對溫度的控制。利用溫度傳感器檢測反應釜中溫度，轉變為電信號并傳輸至控制器（PLC）。PLC將接收到的測量信號與設定溫度進行比較得出偏差值，進行比例-積分-微分PID控制，并按照預先設計好的控制規律控制反應物加入的量。當反應體系溫度與設定最高溫度存在偏差較大時，增大加料量，隨著偏差逐漸減小直至消除偏差，控制量逐漸減小最終停止加料。

調節閥由驅動機構和調節機構兩部分組成。 調節閥則會根據控制器送來的控制信號改變閥的開關程度，實現對滴加稀硫酸速度、冷卻水的溫度與流速的自動控制。

該自動控制系統由閉環回路組成，即系統按照箭頭方向進行，最后回到原來的起點。

y：反應釜內溫度

x：反應釜內總加液量、初始液體流量、規定的釜內溫度上下限

d：大氣換熱

q：滴加稀硫酸速度、冷卻水的溫度與流速

該套裝置可以用于濃硫酸稀釋過程，對反應溫度有要求的反應，如肟化反應。

2.通過數學建模的方法對目標值與影響因子之間存在非線性關系的過程。如酸堿中和過程中，pH值將隨酸（堿）的加入量發生突變，因此可以利用前期的數據，通過數學建模的方法模擬中和過程中pH的變化過程，并對實際中和過程進行控制。

該方法可以用于酸堿中和、精制氨基酸類物質的過程（要求終點精確停止于該物質的等電點）。

3.安全檢測與分級報警：利用現代物聯網技術可以實現對反應體系信號的實時監控，傳遞，反饋與控制，記錄與報警等，為中小型化工企業生產中精準實現工藝條件實現了技術保證。遠程監控系統可對采集的數據進行匯總、分析、通信傳輸、監控等。通過接受倉庫終端發送的信息，通過無線網絡和攝像頭實時接收數據，分析各個危險品的指標參數，監控倉庫狀態。配置各種專用的應用管理程和服務器用于數據分析，制定解決方案。同時制定應急預案，并和救援調度系統相互配合，管理人員可以隨時對各種監測和控制信號進行遠程在線控制，一旦發生突發情況，及時救援。【4】

當檢測到的參數超過預定值后，系統自動報警，并根據超出的范圍，通過網絡向預先設定的不同級別的裝置（如管理者的手機、平板電腦、計算機等）發出報警信號。對反應系統實現智能化的控制與管理。例如稀釋濃硫酸過程中，通過建立一個網絡系統，將傳感器收集的各種參數實時記錄并根據預先設定的閾值進行分級報警（設定閾值為45度）。當反應系統溫度出現較小偏差時（超出閾值10度以內），系統在及時反饋與控制的同時，啟動一級報警，自動在車間現場發出報警;當系統出現較大偏差時（溫度超過閾值10至20度），向二級主管發出警報;若系統溫度仍未得到控制，則向三級化工廠安全主管發出警報。

五.結論

隨著現代技術的發展，物聯網技術在中小型化工企業中擁有廣泛的應用前景，既可以應用于工藝控制，也可以應用于安全生產檢測等方面，同時利用網絡技術，可以實現各種參數的實時傳輸、記錄與管理。

參考文獻：

[1]劉強，崔莉，陳海明.物聯網關鍵技術與應用[J]. 計算機科學， 2010， 37 （6）： 1.

[2]曹保衛， 基于物聯網的化工危險品遠程監控系統研究[J]. 中國錳業，2017，35（5）：166

[3]王俊峰， 王巖. 我國小微企業發展問題研究[J]. 商業研究， 2012 （9）： 86-93.

[4]曹保衛.基于物聯網的化工危險品遠程監控系統研究[J].中國錳業，2017：172-175.