仪表及自动化在化工生产中的应用

张晓军，焦 蓬，李慧敏

（华阳新材料科技集团有限公司碳基研发中心，山西 太原 030021）

引言

化工生产90%以上是在密闭的容器和管道设备中进行，还要有不同的压力温度流量等条件。同时，不少介质还有特殊的物理化学性质，如有毒有害、易燃易爆、腐蚀等。因此为了能够安全连续高效地产出各种化工产品，就必须把各种工艺参数保持在一定工艺指标范围内，防止出现意外。这就要求对生产过程进行干预。在干预的过程中，为了更好的解脱人力、保证安全，就要将生产过程智能化。

化工生产智能化，就是生产现场的工艺指标自动化，控制指标方法自动化，实现监视与控制计算机化。这样化工生产过程就得到了更多的优化。首先可以有效地节省人力资源管理成本、生产成本，有效地使化工生产线的设备工作状态始终保持在最优生产工况下，有效地大幅提升企业化工产品制造质量和提高产品生产数量。其次还有利于更好地提高企业化工设备的质量生产管理效率，延长企业各类化工设备连续使用寿命，实现企业化工设备优产高产。然后能够有效率地提高化工企业生产工作人员和企业化工设备的产品生产率及安全性，改善工作环境。同时跟随科技的发展，能提高劳动者的技术水平，有利于社会进步[1]。根据工艺流程发展需要，化工企业生产装置特别配备了各种遥控仪器仪表及各种自控阀门装置用来实时监控各种工艺操作参数，实现各主要工艺操作部位阀门的远程自动控制或手动操作遥控阀门，以及必要的阀门联锁安全保护措施，以利于实现生产设备长期安全稳定可靠的运行。生产现场仪器仪表主要包括主动检测仪表与被动执行器。主动检测仪表按被检测物质的物理量可以分为例如压力、温度、流量、液位、成分等仪表。控制仪表是以中央处理器为中心扩展而成的软硬件组织架构。

1 化工仪表的发展

在工业现代化的我国，解放前基本上没有安全有效的工程仪表制造业、设备机械制造业，解放后，在中国共产党的产业政策方针指导下，我国的化学工程仪表设备制造工业，从无到有从小到大，得到突飞猛进的快速发展，并且向着工业仪表设备标准化的国家发展战略方向健康发展、稳步前进。现代化工行业专用仪表，最早应用是在中国一五计划苏联援建化工项目中，那时的仪表都是机械式，它体积大，故障多。随着现代科学技术的不断发展进步，仪表也由机械式气动仪表发展到电子式DDZ 仪表，这样就形成了使用统一信号的仪表，为实现集中控制打好基础。同时仪表体积大幅缩小，安全可靠性和工作精度也有了很大幅度提高。改革开放后，随着南巡讲话的发表，市场开放度提高，国际上新技术、新工艺很快进入国内，化工仪表也迎来了快速发展[2]。更合理化的半导体与集成电路的应用，使得自动化工业仪表体积逐渐缩小而性能却得到很大的提高。并逐步提出了用数字计算机技术进行数据处理的各种仪表自动化解决方案。随着化工工业生产流程变长、效率要求变高，需要一类不仅能迅速、准确地实时监视各种工艺生产参数，而且能实时地进行生产工况动态分析、判断、做出辅助操作动作的自控仪表装置。大量的人工操作也越来越不能满足化工连续高效生产的实际需求，必须要有更有效的集中控制架构来辅助操作生产。于是更加智能化的仪器仪表装置应运而生，他们指的是各种测量单元、变送单元、执行单元、控制机构等。在化工生产实际操作中，实现了闭环控制，他们与工艺设备组合构成了仪表自动化工业控制系统。随着微型计算机的蓬勃发展，基于微型计算机的分布式控制系统（distributedcontrolsystem）应运而生，从此化工自动化发展进入全新的时代。

2 仪表自动化系统的扩展

由于现代化工企业生产规模越来越大，工艺控制过程越来越复杂，易燃易爆危险介质越来越多，对使用设备的工作安全性、可靠性和有效性等都提出了更高的技术要求。所以有关安全的控制系统也越来越多地受到化工从业者的重视，紧急停车控制系统ESD、安全停车控制系统SIS 逐渐得到了更广泛的研究应用，在有效减少发生化工安全事故的同时也能避免因误动作而停车的生产损失[3]。

2.1 紧急停车系统ESD

当化工装置出现紧急状况时，人为干预DCS 是不及时、不可靠的，响应速度也不够快，因此设置独立的ESD 是很有必要的。它的静态安全作用不会和DCS 动态人工干预的控制功能同时失效，安全级别高于DCS，可直接发出联锁信号保护现场人员与设备，避免紧急状况扩大成事故。如康吉森引进Triconex 公司的Tricon 系统，它具有三重模块化冗余、容错功能，可以有效提高化工生产的安全系数。

2.2 安全仪表系统SIS

最新的safety instrumented system 智能安全控制仪表管理解决方案是，将仪表传感器的智能控制和自动诊断控制技术结合应用到逻辑控制器中实施最终安全控制，也是首次基于整体安全管理回路的方式进行最终控制，使得因安全仪表控制管理系统本身发生故障而引起的非计划性停车事故减至最少。这种智能化SIS 将在大规模安全管理系统中得到更为广泛应用。如HIMA 的H51q 系统，它采用2oo4D模式的四重化冗余自诊断架构，其容错功能使系统中任何一个部件发生故障，都不会影响系统的正常运行。未来，过程控制、安全生产系统及企业信息管理系统，三者一体化将成为化工自动化的发展方向。

2.3 企业综合自动化在化工领域的发展

随着信息网络技术和自动控制技术的不断发展，有些大型化工企业已率先建立了一套综合性的自动化整体解决方案，并已经取得了较为明显的应用效果。因此，今后将进一步研究推广化工企业综合自动化管理系统，提高企业经济效益。它是一套采取多层结构综合集成的现代化管理系统，对企业生产经营状况进行科学地统计分析，评价与预测，对企业生产经营计划和经营策略及时进行优化调整，以便于适应多变的外部市场发展要求[4]。它包括生产过程控制层Process Control Systems，制造执行层Manufacturing Execution System，经营管理层Enterprise Resource Planning。系统采用以太网连接，通过关系数据库、实时数据库进行所有数据交换。如某国内乙二醇厂，已经采用这套系统取得了巨大成功，系统集成了高层决策、生产计划、办公网络、远程监控、工艺优化、控制调整、多种DCS/PLC、现场仪表等。

3 结语

仪表及自动化在化工生产中大量使用，可以实现对数据信息的整个过程进行监视，及时对各种数据进行调节，还可以实现对化工产品质量、产量甚至成本、销售等各个要素进行管理与控制。通过自动化程度的提高，化工生产也会拥有更高的效率。未来智能化工厂也会成为化工生产的发展方向。