现代化工仪表及化工自动化的过程控制

杜晓宇

（太原理工大学，山西 太原 030024）

引言

近几年，国内电气工程取得了很大的发展，随着各种先进技术的应用，自动化技术广泛应用在各个行业中。正是由于化工仪表和化工自动化的渗透，让自动控制设施广泛应用在化工业中，然后再对各种生产数据进行过程控制与监测。

1 化工自动化仪表的概述

1.1 化工自动化意义

化工自动化，即化工生产自动化，它是化工在生产过程中，通过安装某种设备替代人为手工，最后实现自动化生产。在当前的国民经济发展中，化学工业为国民经济发展提供了很好的作用。大多数情况下，生产都会在特定的生产空间进行，这样直接影响了人工操作，另外化学药剂的封闭操作与物品特性，也让化工生产存在很大的危险［1］。为了确保生产过程高效、环保，必须对各种工艺指标进行严厉的控制与监管。而这期间，最有效的方法就是仪表自动化。

1.2 化工仪表自动化过程的优势

在化工生产中，它的特征主要体现在：使用发达的综合技术与微电脑技术，不仅节省了大量时间，同时也为提高仪表操作的抗干扰能力与可靠性发挥了很大作用，为创造高效的控制效果，节省人力起到了很大的推动作用。通常化工仪表都有编辑程序的版块，利用各种计算机变更设计内容，从而替代早期的继电器与逻辑电路，方便工程维护。尤其是将芯片接口引入为空特性中，就能替代复杂动作进行精确动作。因为使用的是比较高级的编程语言，或者顺序功能图样、图形图样，这让软件编程更加简洁易行。如果使用的是硬件电路进行控制，就必须提供一套中断定时性电路，这样既繁琐又容易出现故障，很难和简易软件媲美。故编程软件代替传统接线电路，这是自动化控制的进步。另外，自动控制中的化工生产有着很好的记忆功能，它和传统的时序电路、逻辑组合不同，只要下一步操作进入正轨，上一级信息状态依然会保留。

把微机应用到仪表中，通过RAM能综合记忆状态信息，只要不停电，信息就不会丢失，并且对多种信息进行有效记忆，最后再现信息处理。在这期间，微机为自动化仪表赋予了很好的计算功能。如：在仪表控制中经常会碰到的加减乘除，确立最小值、最大值，给定运算与检测标准；当整个计算过程结束后，仪表再根据数据进行线性处理，通过对各种工程测量与工程值进行分析，在软件工具和微处理中就能完成工作。如此，不仅丰富了综合处理，同时也是控制硬件负载，优化整体控制的有效方式［2］。

2 现代化工仪表自动化控制技术

2.1 DCS系统应用

从新型DCS结构来看，主要包括：现场仪表、车间厂房、单元控制与企业管理层。在现代化工仪表工作中，DCS为企业提供了信息通道，它具有很好的准确性、系统性、全面性与实时性。另外，DCS有着很好的人性功能，通过提供人工参数、报警、历史描绘与曲线打印等功能，方便进行自动与手动切换。

如：某企业在引进DCS系统时，通过整改甲缩酸、甲醛等仪表配置，充分利用DCS系统，以此完成企业管理与过程控制工作。从实践统计反馈的信息来看：新时代化工生产中的系统投资占整个生产装置中的10%～16%。其中，甲醛存在很大的危险，对于氧化反应、二元混合器等危险系数较高的设施，施工过程必须结合安全连锁、报警装置进行。另外，还需要配置超温、超压、物料配合比异常时需要的自动切换与警鸣装置。流量、压力、温度、液位作为最主要的参数，利用DCS能准确检测系统参数，并且将其集中在控制室内部进行监测，以此达到统一调度、报警显示的要求［3］。

针对二元混合氧化器设备，必须对化学反应、物料配比中的工作压力、温度进行实时监控，为了确保工作开展，必须对设置报警、控制与连锁系统，同时附带如安全阀、防爆片、放空阀等一系列安全系统。或者使用DCS与ESD（专门针对连锁控制）相整合的形式处理，这样一旦出现事故，生产将自动进入安全停车的状态，以此控制风险，确保生产装备与工作人员安全。

除了上述谈到的内容，DCS还有检索数据、信息共享、算法自定义等特征，以此增强程序编制与控制，这样不仅有助于改善控制水平，对提高产品质量、减小工作强度，保障生产安全也有很大作用。

2.2 PLC可编程控制器

PLC利用的是用户存储，通过内部计数、计时运算、逻辑顺序，利用A／D、D／A灵活地进行模拟输出与数字输出，以此达到控制生产的要求。和传统的继电器、单片机相比，它具有通用性好、维护便利、抗干扰能力好、可靠性好、体积紧凑等优势。事实上，可编程控制器是小型计算机的浓缩，它能针对化工设施进行精确的控制，以此确保各项工序正常进行。它无需像继电器一样，如果工艺被调整，就必须重新布线，通过更改用户程序，就能达到提升工作效率的要求，适用于大型企业。

目前，PLC已经成熟，大部分厂家都有配套的软件包，具体包括运动、调试、编程、故障诊断、组态与通信等功能。典型的PLC网络拓扑包含过程、设备与信息层管理。一旦现场总线与设备管理结合，工业生产中的MCC、仪表检测、变频器等外部设施都可以和PLC进行连接。在控制过程中，对全厂以及整个车间进行设备控制；在信息管理中，PLC发展到以太网，最后达到统一与优化信息控制的要求。

在大型化工单位，PLC常用于生产中，如：自带系统、压缩机，都能很好的和DCS整合，方便企业完成自动化。

2.3 实时监控技术

化工业作为特殊行业，通常环保单位会定期召开安全等级评选工作。为了确保生产安全，在防爆要求高、危险的厂房，必须设置专门的有害与可燃气体监测，并且使用隔爆与本安仪表［4］。

3 自动化过程控制的发展

在传统的化工生产中，受小批量与间歇性生产的影响，为了降低投资，化工企业多使用智能、模拟仪表进行控制，其自动化程度不高，操作麻烦。随着自动化与精细化过程提高，基于总线、组态、工业控制的模板已经应用到小型计算机系统中。自程序、顺序控制到现在的批量生产、优化控制，现代化工仪表发生了巨大的变化。针对大多数间歇过程没有稳定工作点的特征，要求精细化生产必须拥有很好的动态特性。因为线性工作点并不稳定，普通的PID控制的工况范围与时间都很有限，所以难以保障精细化生产的一致性。

图1 双模态控制中的典型变量轨迹

从图1可知：反应器温度中的双模态有PID与两位控制两种模型。如果使用两位控制，那么蒸汽将全部开放；之后全开冷却水，反应器的全负荷冷却时间为TD1；将控制作用中的预定值设置成PL，时间为TD2；最后再将温度切换成PID控制，由反应器恒定控制。

4 结语

自动化控制作为一项功能多、准确性高、灵活性强、集成性好的系统，对改善工作环境，提高产品质量具有重要作用。因此，在实际工作中，必须不断渗透自动化仪表，通过提高工作层次，优化控制过程。

［1］ 魏永祥.案例教学在化工仪表及自动化课程中的探索与实践［J］.中国现代教育装备，2010（13）：118－119.

［2］ 丁秋琴，姜盈盈.探讨现代化工仪表及化工自动化的过程控制［J］.化工管理，2014（23）：179.

［3］ 赵冬，刘玉丽.探讨现代化工仪表及化工自动化的过程控制［J］.中国机械，2014（23）：166－167.

［4］ 张孝杰，史洪伟，卓馨，等.应用型本科院校《化工仪表自动化》课程教学探讨［J］.商丘师范学院学报，2014（6）：128－131.