基于模糊算法的化工企業自動化儀表系統設計

摘要：針對如何增強化工企業在復雜生產環境下的自動控制能力問題，設計了一個基于模糊算法的自動化儀表系統。首先，明確了化工企業自動化儀表系統的組成和工作原理及特點。其次，設計了自動化儀表系統監測總體方案。再次，提出了一種基于模糊算法的儀表設備故障診斷模型。最后，通過對監測方案進行仿真實驗，驗證了所提出的方法在動態響應和穩定性方面的優越性。結果表明，基于模糊算法的自動化儀表系統相較于傳統控制器在各個性能指標上均有顯著提升。

關鍵詞：模糊算法；化工企業；自動化儀表

中圖分類號：TP273；TH86 文獻標識碼：A

0 引言

隨著全球工業化步伐的加快，化工行業作為支柱產業之一，在塑造現代經濟和提升社會生活質量方面扮演著不可或缺的角色。近年來，化工企業面對日益復雜的生產流程、嚴格的安全法規和日益增長的市場需求，其自動化程度亟須提升。自動化儀表系統作為化工生產的核心組成部分，能夠有效地監測、控制以及優化生產過程，進而提升生產效率、降低成本和改善產品質量，確保企業在競爭中占據優勢。為了解決上述問題，現代化工企業亟須尋求更有效的控制策略。模糊控制作為一種基于模糊集合理論的控制方法，通過對系統狀態的模糊化處理，可以更靈活地應對不確定性和復雜性的挑戰。本文基于行業狀況和技術需求，通過引入模糊控制理論，設計了一個新型的自動化儀表系統，以期在復雜和動態的生產環境中實現更高效的控制。

1 化工企業自動化儀表系統

1.1 自動化儀表系統組成

化工企業自動化儀表系統由多個關鍵部件組成，包括控制系統、傳感器、執行元件、通信網絡等[1]。控制系統是整個自動化系統的核心，負責接收來自傳感器的信號并根據預設的邏輯進行處理，然后向執行元件下達指令。傳感器負責采集各種參數數據，如溫度、壓力、流量等，以便控制系統做出相應的調節和控制動作。執行元件負責執行控制系統下達的指令，如開關閥門、啟停電機等。通信網絡則是各個部件之間傳輸數據和信息的媒介，確保各個部件之間的協調和配合。化工企業自動化儀表系統的組成部件既相互獨立又相互依賴，共同構成了整個自動化系統的工作機制[2]。

1.2 自動化儀表系統工作原理及特點

化工企業自動化儀表系統是煉油廠生產過程中的重要組成部分，主要包括各種輸送設備、壓縮機、泵站、加熱爐、分餾塔、反應器等設備，如圖1 所示。這些設備通過自動化控制系統對生產過程進行監測和控制，從而實現了生產的自動化和智能化。自動化儀表系統的工作原理主要是通過傳感器、執行器和控制器組成的控制系統，實現對煉油生產設備的監測、調節和控制。傳感器用于采集設備運行狀態的參數數據，執行器負責對設備進行操作和調節，而控制器則負責處理傳感器采集的數據并下達控制指令，從而實現對設備運行狀態的監測和調控。自動化儀表系統具有高效、精準、可靠和安全等特點[3]。

2 自動化儀表系統監測總體方案

隨著石油企業的發展，自動化儀表系統所需的電氣設備數量增加，然而由于運行環境惡劣，設備故障率較高，因此石油企業常常需要停機檢查設備，這給石油企業的生產造成了不必要的生產損失。為解決上述問題，本文設計了一個自動化儀表系統實時監測預警系統，通過實時監測自動化儀表系統的運行狀態，及時發現設備異常情況并進行預警提示，避免設備故障帶來的生產損失。同時，設備維修人員能夠根據系統提供的故障預警信息，快速定位故障設備，有效提高設備的檢修效率[4]。

2.1 功能需求

自動化儀表系統的功能需求：①數據采集。通過物聯網的感知節點感知自動化儀表系統溫度、濕度、氨氣濃度、硫化氫氣體濃度。②設備控制。通過用戶端對物聯網的控制節點進行操作，實現自動化儀表系統濕簾、風機、暖氣等設備的啟停控制。③數據存儲。能夠將采集的環境參數生成歷史記錄和設備狀態的運轉日志保存到后臺，并提供下載端。④數據可視化。將環境參數采集值通過表格或折線圖進行展示，以方便用戶了解環境的變化。⑤自動化功能。系統能夠自動進行設備調控以滿足環境參數的設定值[5]。

2.2 監控框架

自動化儀表系統監控系統框架主要是根據三層物聯網結構對系統進行硬件設計以及云平臺的系統開發。系統總體設計架構如圖2 所示。

2.3 監控數據傳輸通道

石油企業網絡普遍采用星形加環形的配置方式。設備完成回采任務后，需要將其搬移到采區并拆除其網絡。因此，采區選用星形網絡接線，而石油的主干網絡采用環形與星形網絡相結合的布置方式，更加穩定可靠[6]。

目前，現場總線（field bus）、以太網（Ethernet）和光纖通信是主流的工業通信方式。當自動化儀表系統監控數據時，通過RS-485 通信的方式將故障信息傳輸至上位機。RS-485 抗干擾能力強，能夠有效降低礦井中變頻器等設備的干擾，單節通信距離可達1 200 m，傳輸速度可達10 Mb/s。此外，RS-485 還具有多節點雙向通信的特點，多個從機可以同時響應主機的命令，增加了驅動能力和沖突保護特性。SP3485EN 芯片是一款用于RS-485 通信的半雙工收發器件，支持20 Mb/s 的數據傳輸速率，具有短路保護和熱關斷保護的功能；內部電源電壓穩定器可以在寬電壓范圍內工作，增強對外部電源噪聲和波動的抵抗能力；具有熱插拔保護功能，可防止在設備開關或通信連接時產生潛在的電氣損壞。RS-485 電路的芯片輸入/ 輸出采用光耦進行光電隔離，采用F0303LS DC-DC 直流隔離電源模塊作監控數據傳輸通道接口隔離，提高RS-485 的通信能力。綜上，光纖通信具備高速率、高安全性、高可靠性、長壽命和低成本等優點。

3 基于模糊算法的設備故障診斷

比例積分微分（proportional integral derivative，PID）控制是一種經典且實用的控制方法，是目前工業中廣泛應用的線性反饋控制。PID 控制具有簡單易實現、適用性廣泛、魯棒性強、實時性好等優點，常用參數的整定已經較為成熟，可以快速調試出正確的整定值，這使其在各個領域都具有重要的價值。目前，PID 控制經常應用于溫度控制、電力系統等領域。PID 控制結構中，P 代表比例控制，I代表積分控制，D 代表微分控制，分別對應比例、積分、微分環節，PID 控制就是根據輸出值與參考值的誤差，分別調節比例、積分、微分的增益系數來控制系統，一般需要多次調節來達到期望的控制效果，以保證系統的穩定性，一般PID 控制器的傳遞函數G（s）計算如下：

模糊控制器和被控對象共同組成了模糊控制系統，其中，模糊控制器由模糊化、知識庫、決策邏輯和解模糊化4 個模塊構成，而知識庫又由隸屬度函數和模糊控制規則2 個模塊組成。由于模糊控制器只能處理模糊值，所以需要模糊化模塊根據模糊控制規則將輸入的精確值模糊化，從而將初始論域映射到模糊論域，以進行模糊推理和應用。同時，模糊化也是輸入變量進入模糊控制器的第一個模塊。語言變量用于確定輸入/ 輸出參數和參考值的關系，與參考值進行比較。

4 模型性能實驗結果分析

確定好模型結構及超參數后，為了驗證所提出模型的學習能力，對模型進行20 次迭代訓練。圖3揭示了模型在不同負載條件下對數據集的訓練過程和驗證過程的迭代曲線。模型在數據集下訓練過程都表現較為穩定，并且在之后的迭代中保持穩定的狀態，沒有出現梯度爆炸的現象。這證明了所提出的模型對單一傳感器和多傳感器融合的數據集都具有良好的學習能力。

由圖3 可知，系統扭轉方向位移實際值在峰值處均略大于理論值，其他時刻的運動軌跡基本重合，表明控制器中的模糊算法具有良好的追蹤性能。

5 結論

本文不僅在理論上拓展了模糊算法在化工自動化控制領域的應用，還在實踐中提供了全新的解決方案，具有顯著的應用價值。本文主要創新點集中在兩個方面：一方面，提出了一種結合模糊邏輯控制和機器學習的多層次控制系統設計方案，這為提高化工企業的自動化水平奠定了堅實基礎；另一方面，通過實驗驗證了模糊控制在不確定環境中的有效性，為相應理論的應用提供了實踐證明。希望本文能夠為化工企業的自動化水平提升和智能化改造提供可供借鑒的理論依據和實踐指導。

參考文獻

[1] 張琦. 基于PLC 技術的自動化儀表控制系統設計[J].自動化應用，2023，64（21）：180-182，185.

[2] 田文杰. 基于PLC 的電氣自動化儀表監控系統的設計[J]. 自動化應用，2023，64（23）：164-166.

[3] 邢強強，辛宏星. 智能控制系統中儀表自動化集成方案研究[J]. 儀器儀表用戶，2024，31（5）：6-8.

[4] 門亞杰. 自動化儀表與控制系統的智能化研究[J]. 中國儀器儀表，2024（8）：52-55.

[5] 張歡. 基于大數據分析的石油儀表設備自動化維修決策支持系統研究[J]. 中國石油和化工標準與質量，2024，44（18）：43-45.

[6] 徐磊. 實時嵌入式控制系統在自動化儀表中的應用[J].信息系統工程，2024（10）：20-23.