化工儀表自動化控制技術(shù)分析

李帥 張會霞

摘要：化工儀表是對化工過程工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)檢測和控制的自動化技術(shù)工具，能夠準(zhǔn)確而及時地檢測出各種工藝參數(shù)的變化，并控制其中的主要參數(shù)，保持給定的數(shù)值或規(guī)律，從而有效地進(jìn)行生產(chǎn)操作和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化。

關(guān)鍵詞：化工儀表;自動化;控制技術(shù)

1 化工儀表的類型與特點(diǎn)

1.1 化工儀表的常見類型

1）壓力儀表。

包括特種壓力表、壓力傳感器、壓力變送器等，主要依托壓力變送器向著集散控制系統(tǒng)完成采集數(shù)據(jù)信息的傳遞，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對壓力的自動化測量與控制。

2）溫度儀表。

在實(shí)際的化工生產(chǎn)中，應(yīng)用的多數(shù)化學(xué)反應(yīng)均需要具備固定的溫度條件，此時必須要引入溫度儀表，實(shí)現(xiàn)對化學(xué)反應(yīng)過程中溫度變化情況的監(jiān)測與控制。

3）流量儀表。

主要用于化工生產(chǎn)過程中對體積流量、質(zhì)量流量等流量參數(shù)的測量。主要包括節(jié)流式、差壓式、速度式3種類型。

1.2 化工自動化儀表的特點(diǎn)

化工自動化儀表是具有較完善功能的自動化技術(shù)工具，一般具有數(shù)種功能，包括測量、顯示、記錄或測量、控制、報(bào)警等。同時，化工自動化儀表本身是一個系統(tǒng)，也是整個自動化系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)。

2 化工儀表自動化控制的主要流程

2.1 儀表的選擇與控制技術(shù)

儀表選取的合理程度直接關(guān)系著化工儀表自動化控制的效率效果。例如在需要嚴(yán)格控制溫度的化工生產(chǎn)實(shí)踐中，必須引入溫度儀表進(jìn)行生產(chǎn)溫度數(shù)據(jù)的測量，避免由于溫度過高/過低所導(dǎo)致生產(chǎn)安全事故、化學(xué)反應(yīng)不完全等問題的發(fā)生。在這樣的情況下，應(yīng)當(dāng)選用精準(zhǔn)程度更高的雙金屬溫度計(jì)，保證溫度數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。在進(jìn)行物位測量時，要參考生產(chǎn)中的物料狀態(tài)完成測量機(jī)的選定，還要加設(shè)不同功能的物位儀表。例如當(dāng)在化工生產(chǎn)中需要測定固體與液體交界面具體位置的情況下，必須要納入物位儀表，以此維護(hù)化工生產(chǎn)的安全性以及效率效果。

2.2 現(xiàn)場自動化線路布設(shè)

化工生產(chǎn)中應(yīng)用的自動化控制系統(tǒng)需要現(xiàn)場自動化線路的支持，布設(shè)過程中不僅要敷設(shè)實(shí)體線路，還要完成信息化網(wǎng)絡(luò)線路的規(guī)劃。現(xiàn)場自動化線路布設(shè)的要點(diǎn)如下：著重確保自動化線路可以實(shí)現(xiàn)所有化工儀表運(yùn)行數(shù)據(jù)信息的采集，且能夠與人機(jī)界面、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)保持暢通連接狀態(tài);若引入FCS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，則可以在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)以及控制回路中加入化工儀表以及化工生產(chǎn)儀器。通過這樣的方式，能夠促使化工儀表運(yùn)行數(shù)據(jù)迅速、準(zhǔn)確地傳遞至人機(jī)界面中，提升相應(yīng)數(shù)據(jù)信息的利用率，并保證化工儀表自動化控制的科學(xué)性與實(shí)效性。

2.3 人機(jī)界面處理系統(tǒng)

利用人機(jī)界面處理系統(tǒng)，能夠更為全面地處理現(xiàn)場總線采集到的所有化工儀表運(yùn)行數(shù)據(jù)，并結(jié)合編程系統(tǒng)所發(fā)出的指令完成數(shù)據(jù)反映。例如當(dāng)現(xiàn)場總線中提供的溫度信號存在過高問題時，在人機(jī)界面中編寫程序的支持下，可以迅速完成溫度信號的接收與控制，向相關(guān)工作人員發(fā)出高溫報(bào)警。

3 化工儀表自動化控制中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 分散式控制技術(shù)

在實(shí)際的化工生產(chǎn)過程中，所涉及到的控制內(nèi)容包括半成品材料、成品，其控制條件存在差異，因此使用分散式控制技術(shù)更為合適。在分散式控制技術(shù)的支持下，化工生產(chǎn)中各個流程的實(shí)際情況得到有效監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)實(shí)時性、真實(shí)性生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息的提取，為化工生產(chǎn)所有流程的可控提供保障。就當(dāng)前的情況來看，多數(shù)化工生產(chǎn)企業(yè)均引入了分散式控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)）對實(shí)際生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。

分散式控制系統(tǒng)對計(jì)算機(jī)功能實(shí)現(xiàn)了集成，并將過程控制算法、邏輯控制功能、通信技術(shù)融為一體。在實(shí)際的運(yùn)行過程中，分布在化工生產(chǎn)現(xiàn)場不同位置的溫度壓力流量計(jì)、控制閥門等儀表設(shè)備，主要依托電纜將所有信號都接入到DCS系統(tǒng)中，即實(shí)現(xiàn)集中控制。同時，分散控制系統(tǒng)連接外部儀表閥門等設(shè)備的模塊又是獨(dú)立的，如果信號多，又可以分布在不同的控制柜用不同的CPU來控制，即實(shí)現(xiàn)分散控制。總體而言，在分散式控制系統(tǒng)中，集中的是信號監(jiān)控，分散的是風(fēng)險(xiǎn)。在自動化控制技術(shù)不斷更新發(fā)展的背景下，分散式控制技術(shù)及其系統(tǒng)的綜合化水平進(jìn)一步提升，為化工生產(chǎn)一體化管理的實(shí)現(xiàn)提供支持。

3.2 PID先進(jìn)控制技術(shù)

PID先進(jìn)控制技術(shù)（多項(xiàng)變量控制技術(shù)）的形成與應(yīng)用將化工生產(chǎn)推向了新高度，自動化控制技術(shù)的先進(jìn)性更為凸顯。對于PID先進(jìn)控制技術(shù)而言，其主要在實(shí)際的化工生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律如比例、積分、微分控制，控制穩(wěn)定性更強(qiáng)，且調(diào)整操作相對簡單。在化工生產(chǎn)中，若是無法完全掌握被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，或不能獲取精確的數(shù)學(xué)模型時，又難以使用其他技術(shù)進(jìn)行控制，這種情況下，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，此時應(yīng)用PID先進(jìn)控制技術(shù)最為適宜。

該技術(shù)主要由分散式控制技術(shù)衍生而成，依托軟件包結(jié)構(gòu)達(dá)到獨(dú)立性管理的效果，以此滿足化工生產(chǎn)中多變量動態(tài)測量的現(xiàn)實(shí)需求，為化工儀器的控制管理提供支持。實(shí)踐中，借助對化工儀器相互之間的關(guān)聯(lián)性展開模糊性識別，促使自動化控制效果進(jìn)一步優(yōu)化，推動自動化控制與測控技術(shù)的有機(jī)融合。

PID控制器的參數(shù)整定是應(yīng)用PID先進(jìn)控制技術(shù)中的核心內(nèi)容，一般根據(jù)被控過程的特性實(shí)現(xiàn)PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間大小的確定。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，本文選取其中的臨界比例法進(jìn)行說明。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下所示：預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作;僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期;在一定的控制下通過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù);在實(shí)際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個經(jīng)驗(yàn)值（一般如下），然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。

對于溫度系統(tǒng)：P（%）20～60，I（分）3～10，D（分）0.5～3;對于流量系統(tǒng)：P（%）40～100，I（分）0.1～1;對于壓力系統(tǒng)：P（%）30～70，I（分）0.4～3;對于液位系統(tǒng)：P（%）20～80，I（分）1～5。

3.3 基于微機(jī)的局部優(yōu)化控制技術(shù)

在現(xiàn)代化控制理論的支持下，自動化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能算法的多樣化。實(shí)踐中，依托對接口芯片位置的調(diào)整，即可達(dá)到控制復(fù)雜功能的效果。模型辨識技術(shù)、多變量動態(tài)軟件測量技術(shù)等均具備著簡化的控制流程，還可以達(dá)到提升自動化控制效率效果的目標(biāo)，進(jìn)一步提高化工儀表自動化控制的可靠性。

3.4 人機(jī)界面控制技術(shù)

出于對運(yùn)行數(shù)據(jù)信息可視化的考量，在化工生產(chǎn)儀表自動化控制中引入人機(jī)界面控制技術(shù)是必然選擇。在人機(jī)界面的支持下，相關(guān)人員獲取儀表設(shè)備運(yùn)行信息、故障信息等成為現(xiàn)實(shí)，且可以利用人機(jī)界面中提供的多種操作功能鍵，完成對化工生產(chǎn)儀表與設(shè)備的控制。為了進(jìn)一步提升控制的效率效果，應(yīng)當(dāng)將原有的一對一管理模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐粚Χ喙芾砟Ｊ剑▎我豢刂剖覍?shí)施多個儀表裝置的控制），結(jié)合對CRT、LED先進(jìn)顯示模式的應(yīng)用，促使化工生產(chǎn)儀表及設(shè)備結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步完善。另外，在構(gòu)建人機(jī)界面的過程中，應(yīng)當(dāng)盡可能避免復(fù)雜操作，提升控制處理的速度。

4 結(jié)語

在明確化工儀表自動化控制主要流程的基礎(chǔ)上，通過分散式控制技術(shù)、PID先進(jìn)控制技術(shù)、基于微機(jī)的局部優(yōu)化控制技術(shù)、人機(jī)界面控制技術(shù)、程序化控制技術(shù)、自動化檢測與修復(fù)技術(shù)、在線自動監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，推動了化工儀表控制不斷向著自動化、智能化的方向發(fā)展，提升了化工生產(chǎn)以及化工儀表控制的效率效果，更好地維護(hù)了化工生產(chǎn)的安全性與可靠性，實(shí)現(xiàn)了化工生產(chǎn)的升級。

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