自動化控制在化工安全生產(chǎn)中的應用及優(yōu)化

＊顧佳林 陳佳楠

（江蘇優(yōu)普生物化學科技股份有限公司 江蘇 226000）

自動化控制技術在化工生產(chǎn)中的應用對于提高安全性、穩(wěn)定性和效率具有重要意義。它可以實時監(jiān)測和控制化工過程中的關鍵參數(shù)，如溫度、壓力、流量和pH值，以確保反映條件在安全和有效的范圍內(nèi)。然而，自動化控制在化工安全生產(chǎn)中面臨一些困境，其中包括PLC程序設計的復雜性、通信穩(wěn)定性和傳感器技術的可靠性。這些困境可能影響系統(tǒng)的故障診斷、實時數(shù)據(jù)傳輸和傳感器的準確性，從而對化工安全產(chǎn)生具有潛在威脅。本文將從PLC、通信和傳感器這三個角度來探討自動化控制在化工安全生產(chǎn)中的應用困境，并提出相應的解決措施，以優(yōu)化化工安全生產(chǎn)的效果。

1.自動化控制技術的概述及重要性分析

（1）PLC自動化控制技術概述。PLC可以實時監(jiān)測和控制化工生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)，例如溫度、壓力、液位、流量等。通過與傳感器和執(zhí)行器的連接，PLC能夠獲取準確的實時數(shù)據(jù)，并根據(jù)預設的邏輯規(guī)則和算法自動調(diào)節(jié)設備操作，確?；み^程在安全、穩(wěn)定和在規(guī)定的范圍內(nèi)運行?；どa(chǎn)過程中存在著各種危險和風險，如高溫、高壓、有毒物質(zhì)等。PLC可以實施安全邏輯控制，通過監(jiān)測和驗證不同設備之間的安全間隔，防止操作員在危險區(qū)域內(nèi)工作。PLC還可以實現(xiàn)設備互鎖、安全啟停和緊急停止等功能，確保設備在安全條件下運行，保護人員和環(huán)境的安全?；どa(chǎn)中的反應過程通常需要精確地控制和調(diào)節(jié)。PLC可以根據(jù)預設的控制算法，實時監(jiān)測反應過程中的溫度、壓力、濃度等參數(shù)，并自動調(diào)節(jié)反應條件，以保持反應的穩(wěn)定性和效率。

通過PLC的反應控制功能，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低能耗，并實現(xiàn)更高的生產(chǎn)效率。在化工生產(chǎn)中，批處理是一種常見的生產(chǎn)方式，PLC可以實現(xiàn)批處理過程的自動化控制，包括配料、攪拌、加熱、冷卻等操作。PLC能夠?qū)崟r采集和記錄化工生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)和事件數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用于后續(xù)的分析和優(yōu)化，以改進工藝和提高生產(chǎn)效率。PLC系統(tǒng)還可以通過網(wǎng)絡連接實現(xiàn)遠程監(jiān)控和操作。通過遠程監(jiān)視和操作界面，操作人員可以實時查看化工生產(chǎn)過程的狀態(tài)和參數(shù)，并進行必要的調(diào)整和干預。這樣，即使不在現(xiàn)場，工程師和操作人員也能夠?qū)どa(chǎn)進行監(jiān)控和控制，提高生產(chǎn)效率和響應能力[1]。

（2）自動化控制技術應用在化工安全生產(chǎn)中的重要性分析。自動化控制技術在化工企業(yè)安全生產(chǎn)中起著至關重要的作用。隨著科技的發(fā)展和進步，化工企業(yè)面臨著越來越復雜的生產(chǎn)過程和安全挑戰(zhàn)。自動化控制技術，尤其是PLC（可編程邏輯控制器）和總線通信技術，能夠提高生產(chǎn)過程的安全性、可靠性和效率，下面我將從幾個方面進行分析。

首先，自動化控制技術能夠減少人為錯誤。在化工企業(yè)中，許多生產(chǎn)過程需要對溫度、壓力、流量等參數(shù)進行精確控制。傳統(tǒng)的手動控制方式容易出現(xiàn)人為操作失誤，導致事故和安全隱患的發(fā)生。而通過PLC和總線通信技術，可以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動化控制，減少了人為錯誤的可能性，提高了生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和可靠性。

其次，自動化控制技術能夠提供實時監(jiān)測和報警功能?；どa(chǎn)中存在著一些潛在的危險因素，如溫度過高、壓力異常、液位過低等。通過PLC和總線通信技術，可以對這些參數(shù)進行實時監(jiān)測，并在超出設定范圍時及時發(fā)出報警信號。這樣，操作人員可以及時采取措施，防止事故的發(fā)生或者最小化事故的損害。

最后，自動化控制技術還可以提供大量的數(shù)據(jù)記錄和分析功能。PLC和總線通信技術可以將生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)數(shù)據(jù)進行記錄和存儲，提供給管理人員進行分析和決策。通過對大量數(shù)據(jù)的分析，可以及時發(fā)現(xiàn)潛在的問題，預測設備的故障，并采取相應的措施進行預防和維修，從而進一步提高生產(chǎn)的安全性和可靠性。

綜上所述，自動化控制技術在化工企業(yè)安全生產(chǎn)中起到了不可忽視的作用。通過PLC和總線通信技術的應用，可以減少人為錯誤、提供實時監(jiān)測和報警功能、實現(xiàn)遠程監(jiān)控和操作，并提供大量的數(shù)據(jù)記錄和分析功能。這些技術的應用，不僅提高了化工企業(yè)生產(chǎn)過程的安全性和可靠性，也為管理人員提供了更多的信息和決策支持，有助于提升整體的生產(chǎn)效率和競爭力。

2.自動化控制技術在化工生產(chǎn)中的困境探究

（1）程序設計復雜。由于化工過程中涉及的參數(shù)和設備較多，當出現(xiàn)異?；蚬收蠒r，PLC程序需要能夠準確地識別問題并快速做出響應。復雜的PLC程序設計可能導致故障診斷時間延長，從而延遲采取必要的措施來保護人員和設備。化工生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)故障可能導致嚴重的安全事故。在PLC程序設計中，需要考慮各種故障情況，并確保系統(tǒng)具有良好的容錯能力。復雜的程序設計可能增加了錯誤和故障的風險，從而對化工安全產(chǎn)生潛在威脅?；どa(chǎn)中涉及多個設備和系統(tǒng)之間的復雜交互。PLC程序設計需要綜合考慮各種設備的狀態(tài)和控制策略，以確保安全和穩(wěn)定地運行。由于交互效應的復雜性和難以預測性，PLC程序設計可能面臨困難，可能導致意外情況的發(fā)生?；どa(chǎn)過程中的要求和環(huán)境條件可能會發(fā)生變化，需要對PLC程序進行更新和演進。復雜的程序設計可能使得程序的修改和改進變得困難，增加了更新的復雜性和風險。

（2）數(shù)據(jù)傳輸延遲和丟失。在化工生產(chǎn)過程中，PLC設備之間需要進行實時的數(shù)據(jù)傳輸和通信。由于環(huán)境干擾、設備故障或通信線路問題，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃钥赡軙艿接绊?。導致?shù)據(jù)丟失、傳輸延遲或通信中斷，進而影響到對化工過程的實時監(jiān)控和控制，對安全產(chǎn)生潛在威脅。在化工生產(chǎn)中，涉及多種不同品牌和型號的PLC設備。不同設備使用的通信協(xié)議和接口可能存在差異，導致設備之間的通信困難。缺乏通信協(xié)議的兼容性可能導致數(shù)據(jù)傳輸錯誤、解析問題或無法實現(xiàn)設備之間的有效交互，從而影響到化工安全生產(chǎn)的可靠性。在系統(tǒng)集成過程中，設備之間的通信設置和故障排查可能變得復雜，特別是當涉及多個廠商的設備時。這可能增加了故障排查的困難，影響到化工生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

（3）維護和校準困難。傳感器受到環(huán)境影響、磨損、老化或故障等因素的影響，導致測量結果的不準確或不可靠。傳感器提供錯誤的數(shù)據(jù)，導致操作人員做出錯誤的決策或無法及時采取必要的措施，對化工安全產(chǎn)生潛在風險?；み^程的復雜性要求選擇適合的傳感器類型，并確保其能夠適應不同的工作條件和環(huán)境。不同參數(shù)的傳感器種類繁多，涉及溫度、壓力、流量、pH值等多個方面，選擇和配置合適的傳感器可能具有一定的挑戰(zhàn)性。選擇不當或配置不正確，導致傳感器無法滿足實際需求，影響化工過程的安全性和可靠性?；どa(chǎn)環(huán)境常常具有惡劣的條件，如高溫、高壓、腐蝕性介質(zhì)等，這對傳感器的穩(wěn)定性和壽命產(chǎn)生影響。維護和校準傳感器可能需要耗費大量時間和資源，并導致生產(chǎn)中斷或停工，對化工安全生產(chǎn)帶來潛在風險。在化工生產(chǎn)中，傳感器故障會影響到實時監(jiān)測和控制系統(tǒng)的正常運行[2]。故障檢測和故障排除會變得復雜，特別是當涉及大量的傳感器和復雜的生產(chǎn)過程時。傳感器故障未能及時檢測和處理，導致誤導性的測量數(shù)據(jù)、操作失誤或生產(chǎn)事故，對化工安全產(chǎn)生潛在威脅。

3.自動化控制技術在化工生產(chǎn)中優(yōu)化分析

(1)簡化程序邏輯

①控溫系統(tǒng)流程概述。具體化工生產(chǎn)過程中可以通過流程簡化解決程序設計復雜的問題，針對溫度檢測的問題，可以通過測量溫度→轉(zhuǎn)換成電信號→在PLC內(nèi)與設定溫度比較→控制加熱的流程，從而實現(xiàn)恒溫控制。這個任務的關鍵在于當前溫度值如何獲取，具體方案中使用0～100℃對應0～10V的溫度變送器，PLC選擇自帶模擬量輸入/輸出的CPU224XP。通過PLC的模擬量輸入處理從而通過相關數(shù)據(jù)處理即可讀取[3]。

②變量與PLC的地址分配。根據(jù)任務分析，PLC需要2個輸入點：加熱開關I0.1、報警確認鍵I0.2；需要3個輸出點：加熱輸出Q0.1、報警燈Q0.2、報警喇叭Q0.3。其PLC的I/O地址分配見表1。

表1 I/O地址分配表

③PLC優(yōu)化編程。梳理邏輯控制流程，合理分配I/O口資源之后，通過流程圖實現(xiàn)最終控制程序的編寫（如圖1所示）。

圖1 PLC程序圖

(2)優(yōu)化通訊協(xié)議

選擇廣泛使用和支持的通信協(xié)議，如MODBUS、Profibus、Foundation Fieldbus等。這些標準化協(xié)議能夠確保不同品牌和型號的PLC設備之間的互操作性，簡化通信設置和集成。

引入現(xiàn)場總線技術，如Profibus DP、Foundation Fieldbus、Ethernet/IP等，可以實現(xiàn)多個PLC設備之間的實時數(shù)據(jù)傳輸和通信?，F(xiàn)場總線技術提供了高速、可靠的通信通道，能夠滿足化工生產(chǎn)過程對實時性和可靠性的要求。在PLC設備之間的通信鏈路中引入冗余和容錯機制，如備份通信線路、冗余控制器等。這樣可以提高通信的可靠性，當一個通信路徑出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)能夠自動切換到備用路徑，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性和穩(wěn)定性。確保PLC設備之間的通信網(wǎng)絡具有適當?shù)陌踩Ｗo措施。使用防火墻、虛擬專用網(wǎng)絡（VPN）等技術來保護通信網(wǎng)絡的安全性，限制未經(jīng)授權的訪問和數(shù)據(jù)泄露的風險。通過系統(tǒng)集成和配置工作，確保PLC設備之間的通信設置正確，并建立監(jiān)控機制來實時監(jiān)測通信狀態(tài)。定期進行故障排查和維護工作，及時解決通信故障，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性[4]。

(3)實時監(jiān)測及故障診斷

在實時監(jiān)測和故障診斷中，PLC技術在數(shù)據(jù)采集和處理方面起著關鍵作用，如圖2所示。自動控制系統(tǒng)通過傳感器采集化工生產(chǎn)中的各項主要數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被傳輸?shù)絇LC控制器中進行處理和分析。PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能允許對采集到的數(shù)據(jù)進行預處理、濾波、校正等操作，以消除噪聲和干擾，提取出有用的信息。通過應用數(shù)據(jù)處理算法和模型，PLC系統(tǒng)可以進行數(shù)據(jù)分析和判斷，判別當前狀態(tài)是否正常，并進一步診斷潛在故障。實時監(jiān)測和故障診斷算法可以基于設定的規(guī)則和故障模式，監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化和偏離，以檢測異常和故障事件。一旦異常或故障被檢測到，PLC系統(tǒng)可以觸發(fā)相應的報警和通知，使操作人員能夠及時采取措施來解決問題。此外，PLC系統(tǒng)還可以記錄和存儲歷史數(shù)據(jù)，以便后續(xù)的故障分析和優(yōu)化。在故障診斷方面，PLC系統(tǒng)可以利用故障數(shù)據(jù)庫、專家經(jīng)驗和機器學習等技術來進行故障診斷。通過分析故障發(fā)生時的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，PLC系統(tǒng)可以比對已知的故障模式和規(guī)則，以確定具體的故障原因，并提供相應的解決方案[5]。

圖2 化工過程監(jiān)測結構圖

4.結論

自動化控制技術在化工安全生產(chǎn)中扮演著重要的角色，通過PLC、通信和傳感器的應用，實現(xiàn)了對溫度、壓力、流量等參數(shù)的實時監(jiān)測和精確控制。在科技的應用下，化工企業(yè)通過自動化控制技術的深度應用，能夠不斷提高生產(chǎn)力，保障生產(chǎn)安全性，實現(xiàn)行業(yè)經(jīng)濟與企業(yè)效益的同步發(fā)展。