物联网在化学化工中的应用

崔菡云

摘要：为了解决我国中小型化工企业生产工艺复杂，操作要求高而自动化程度低，控制与监测分离，存在众多的安全隐患等问题，本文通过研究引入物联网概念对中小型化工企业生产过程进行检测、传输与控制， 建立与应用多级报警系统，为小微企业提供了精准实现工艺条件、对反应体系信号的实时检测，提高工程的安全性和可靠性提供了技术保证。

关键词：物联网;化工生产;自动控制;分级报警

一、概况

“物联网”（Internet of Things）是指将各种信息传感设备及系统，如传感器网络、射频标签阅读装置、條码 与二维码设备、全球定位系统和其它基于物一物通信模式 （M2M）的短距无线自组织网络，通过各种接入网与互联网结 合起来而形成的一个巨大智能网络。如果说互联网实现了人 与人之间的交流，那么物联网可以实现人与物体的沟通和对话，也可以实现物体与物体互相间的连接和交互。【1】

物联网包括了感知层和网络层。传感器是能够检测规定的被测物理量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，温度、液位、压力、浓度等传感器将采集到的温度值、气体浓度值、液位高度值、压力值等物理量、化学量或生物量转换为数字信号（主要是电物理量），便于传输、转换、显示、控制。

网络层是物联网的基础设施，通过各种通信网、互联网、专用网及接入网等对数据进行精确计算和有效传输，优化和改进物联网的应用特征，形成协同的感知网络。网络可以是电信、移动这样的通用网络，实现远距离的传输，或者是wifi的局域网。既可以是5G的先进网络，又可以使用3G，4G这样成熟的网络技术以及蓝牙等。 最终，智能化的应用可以通过基于物联网的应用，例如手机、个人计算机等终端设备以及数据中心所构成的专用或系统网络实现。【2】

二、小型化工企业的现状

我国是化工大国，存在众多的大型石油化工企业和中小型化工企业，大型化工企业通常使用自动化系统控制，具有成熟的DCS控制系统。而中小型化工企业控制系统相对落后，以人工操作，人工监测为主。

这些中小企业多数生产高附加值精细化工产品，工艺复杂，对反应条件要求苛刻。因为经常使用易燃易爆、强腐蚀、强酸强碱等危险化学品，同时生产过程中自动化程度低，控制与监测分离，传统的人工控制很难精准实现工艺要求，虽然在传统的化工企业中也安装有温度、粉尘、气体浓度等环境因素的传感器，但往往需要人工巡检、记录并通过纸质或电子文档汇总上报。这样因此不仅消耗大量人力，降低了生产效率，产品质量的稳定性和产量不能得到保证，一旦发生危险情况，人员安全将受到严重伤害

小微企业是国民经济和社会发展的重要基础。小微企业健康发展对于我国经济克服国际宏观因素影响，保持平稳较快发展，吸容就业，保障社会稳定具有重要战略意义。[3]

三、存在问题

1.安全隐患：一些化学反应涉及剧烈的吸放热，人工控制装置很难对加入物料的速度进行控制，这会导致反应体系的参数波动较大，很容易造成冲料、泄露等危险，严重时可能会引起燃烧或爆炸等恶性事故。

化工生产还会涉及强腐蚀，对水分敏感物质的控制，例如红磷白磷，氢化钙、金属钠等。

2.控制精度差：比如精制氨基酸类产品，需要精确的将 pH值调整到该产品的等电点，以保证其溶解度最小。但是在加酸或加碱过程中，体系的 pH值变化不是线性变化，经常在某值附近出现突变，因此靠传统的人工操作很难精准控同样的问题，还存在于浓硫酸稀释（大量放热）、溴化反应（自催化反应）等。

3.安全隐患：传统的化工生产是将物料通过泵等设备传输到高位槽，再通过阀门的控制进行加料控制。占据较大空间，同时存在安全隐患和不易控制等问题。

四、解决思路

为了解决化工生产中影响生产效率与质量稳定的各种因素以及潜在的安全隐患，引入物联网概念对中小型化工企业生产过程进行检测至关重要。首先，可以在各个关键点安装各种传感器对化学反应的具体参数进行实时监测、传输、反馈与控制，从而实现中小型化工企业生产的智能化控制。

1、比例控制（PID）运用于反应过程中对温度的控制。利用温度传感器检测反应釜中温度，转变为电信号并传输至控制器（PLC）。PLC将接收到的测量信号与设定温度进行比较得出偏差值，进行比例-积分-微分PID控制，并按照预先设计好的控制规律控制反应物加入的量。当反应体系温度与设定最高温度存在偏差较大时，增大加料量，随着偏差逐渐减小直至消除偏差，控制量逐渐减小最终停止加料。

调节阀由驱动机构和调节机构两部分组成。 调节阀则会根据控制器送来的控制信号改变阀的开关程度，实现对滴加稀硫酸速度、冷却水的温度与流速的自动控制。

该自动控制系统由闭环回路组成，即系统按照箭头方向进行，最后回到原来的起点。

y：反应釜内温度

x：反应釜内总加液量、初始液体流量、规定的釜内温度上下限

d：大气换热

q：滴加稀硫酸速度、冷却水的温度与流速

该套装置可以用于浓硫酸稀释过程，对反应温度有要求的反应，如肟化反应。

2.通过数学建模的方法对目标值与影响因子之间存在非线性关系的过程。如酸碱中和过程中，pH值将随酸（碱）的加入量发生突变，因此可以利用前期的数据，通过数学建模的方法模拟中和过程中pH的变化过程，并对实际中和过程进行控制。

该方法可以用于酸碱中和、精制氨基酸类物质的过程（要求终点精确停止于该物质的等电点）。

3.安全检测与分级报警：利用现代物联网技术可以实现对反应体系信号的实时监控，传递，反馈与控制，记录与报警等，为中小型化工企业生产中精准实现工艺条件实现了技术保证。远程监控系统可对采集的数据进行汇总、分析、通信传输、监控等。通过接受仓库终端发送的信息，通过无线网络和摄像头实时接收数据，分析各个危险品的指标参数，监控仓库状态。配置各种专用的应用管理程和服务器用于数据分析，制定解决方案。同时制定应急预案，并和救援调度系统相互配合，管理人员可以随时对各种监测和控制信号进行远程在线控制，一旦发生突发情况，及时救援。【4】

当检测到的参数超过预定值后，系统自动报警，并根据超出的范围，通过网络向预先设定的不同级别的装置（如管理者的手机、平板电脑、计算机等）发出报警信号。对反应系统实现智能化的控制与管理。例如稀释浓硫酸过程中，通过建立一个网络系统，将传感器收集的各种参数实时记录并根据预先设定的阈值进行分级报警（设定阈值为45度）。当反应系统温度出现较小偏差时（超出阈值10度以内），系统在及时反馈与控制的同时，启动一级报警，自动在车间现场发出报警;当系统出现较大偏差时（温度超过阈值10至20度），向二级主管发出警报;若系统温度仍未得到控制，则向三级化工厂安全主管发出警报。

五.结论

随着现代技术的发展，物联网技术在中小型化工企业中拥有广泛的应用前景，既可以应用于工艺控制，也可以应用于安全生产检测等方面，同时利用网络技术，可以实现各种参数的实时传输、记录与管理。

参考文献：

[1]刘强，崔莉，陈海明.物联网关键技术与应用[J]. 计算机科学， 2010， 37 （6）： 1.

[2]曹保卫， 基于物联网的化工危险品远程监控系统研究[J]. 中国锰业，2017，35（5）：166

[3]王俊峰， 王岩. 我国小微企业发展问题研究[J]. 商业研究， 2012 （9）： 86-93.

[4]曹保卫.基于物联网的化工危险品远程监控系统研究[J].中国锰业，2017：172-175.