儀器儀表與化工生產(chǎn)自動(dòng)控制研究范文

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摘要：儀器儀表與化工生產(chǎn)過(guò)程中，自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，有助于提高生產(chǎn)效率，確保儀器儀表能夠連續(xù)運(yùn)行。基于此，文章首先分析了儀器儀表與化工生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成，繼而闡述了系統(tǒng)中儀器儀表的選擇方案。最后，重點(diǎn)從系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)兩方面出發(fā)，對(duì)自動(dòng)控制策略進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的觀察，證實(shí)了儀器儀表與化工生產(chǎn)自動(dòng)控制策略的可行性及應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：儀器儀表；化工生產(chǎn)；自動(dòng)控制

自動(dòng)控制指無(wú)人參與的情況下，利用信息化技術(shù)對(duì)儀器儀表、生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使生產(chǎn)能夠連續(xù)進(jìn)行的技術(shù)。近些年來(lái)，該技術(shù)已被應(yīng)用到了化工生產(chǎn)過(guò)程中，且取得了良好的效果。為提高化工生產(chǎn)效率，確保儀器儀表性能無(wú)異常，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將其應(yīng)用到生產(chǎn)過(guò)程中是關(guān)鍵。可見(jiàn)，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行研究較為必要。

1儀器儀表與化工生產(chǎn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成

儀器儀表與化工生產(chǎn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，共由“自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)”、“自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)”、“自動(dòng)操縱系統(tǒng)”、“自動(dòng)控制系統(tǒng)”四部分構(gòu)成：（1）自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)：該系統(tǒng)可自行對(duì)儀器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，觀察參數(shù)變化情況，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)儀器存在的故障與異常[1]。（2）自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)：事故發(fā)生時(shí)，該系統(tǒng)可提前獲取故障參數(shù)，并立即預(yù)警，提醒操作人員對(duì)故障進(jìn)行處理。針對(duì)未處理者，聯(lián)鎖系統(tǒng)可立即采取緊急措施，切斷故障通路，避免故障擴(kuò)大化。（3）自動(dòng)操縱系統(tǒng)：該系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的參數(shù)，對(duì)儀器儀表進(jìn)行操縱，使化工生產(chǎn)的過(guò)程能夠順利進(jìn)行。例如：系統(tǒng)可操縱閥門(mén)，使之打開(kāi)或關(guān)閉[2]。（4）自動(dòng)控制系統(tǒng)：化工生產(chǎn)的過(guò)程中，部分儀器儀表可能因生產(chǎn)環(huán)境的變化，而發(fā)生參數(shù)變化。自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能，在于及時(shí)發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常，并自動(dòng)對(duì)其進(jìn)行糾正，使其偏差得以減小，確保儀器運(yùn)行正常，提高儀表參數(shù)的精確度。

2儀器儀表的選擇

2.1溫度與壓力儀表

化工生產(chǎn)的過(guò)程中，需嚴(yán)格控制生產(chǎn)溫度，以提高熱交換的穩(wěn)定性。例如：精餾塔精餾的過(guò)程中，進(jìn)料的溫度、塔頂?shù)臏囟龋鑷?yán)格控制，方可確保生產(chǎn)質(zhì)量符合工藝要求。溫度儀表的功能，便在于對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，以便生產(chǎn)人員將其控制在合理的范圍內(nèi)，使生產(chǎn)質(zhì)量得以提升。化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)，液體以及氣體均具有一定的壓力[3]。如壓力未達(dá)到要求，產(chǎn)品的質(zhì)量必然受到影響，嚴(yán)重甚至容易造成生產(chǎn)事故。可見(jiàn)，為確保生產(chǎn)儀器能夠正常運(yùn)行，提高生產(chǎn)環(huán)節(jié)的流暢性，對(duì)溫度與壓力儀表進(jìn)行合理選擇較為重要。

2.2流量與液位儀表

流量與液位儀表，同樣為化工生產(chǎn)過(guò)程中的常用儀表。上述儀表中，前者的功能，在于對(duì)液體、氣體的流量進(jìn)行控制，確保其單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的介質(zhì)總量，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，避免化工生產(chǎn)儀器受損。液位儀表的功能，在于對(duì)液體在介質(zhì)或容器中所處的位置進(jìn)行測(cè)定，判斷其位置與設(shè)計(jì)要求是否相符。通過(guò)液位測(cè)量，有關(guān)人員可詳細(xì)了解容器中物質(zhì)的體積以及質(zhì)量，從而對(duì)敷料、半成品、原料量進(jìn)行控制，使生產(chǎn)質(zhì)量達(dá)標(biāo)。當(dāng)液位存在異常時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)將立即實(shí)現(xiàn)預(yù)警，確保生產(chǎn)人員能夠立即對(duì)液體進(jìn)行補(bǔ)充，使其位置達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3儀器儀表與化工生產(chǎn)的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1儀器儀表與化工生產(chǎn)的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)

3.1.1變量的選擇化工生產(chǎn)過(guò)程中，變量與生產(chǎn)工藝顯著相關(guān)。明確影響工藝的變量，并采用自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行控制，可有效提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。以溫度為例：以TD代表溫度，如TD恒定，則壓力與組分之間，必然存在確定的關(guān)系。如所生產(chǎn)的化工產(chǎn)品，具有易于揮發(fā)的特點(diǎn)，則其組分濃度一般較高。需適當(dāng)提高壓力，方可確保TD值恒定。為達(dá)到自動(dòng)控制的目的，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制站進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)將“I/O監(jiān)視功能”、“主控制器模板”等，安裝至標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，采用PID算法，對(duì)壓力進(jìn)行控制及調(diào)節(jié)。為確保溫度恒定，可開(kāi)啟系統(tǒng)的自適應(yīng)控制功能，進(jìn)一步對(duì)變量進(jìn)行控制，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度、壓力等參數(shù)存在的異常，提高生產(chǎn)效率及安全性。

3.1.2元件特性的分析對(duì)元件特性進(jìn)行分析，是對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)過(guò)程中，有關(guān)人員應(yīng)首先對(duì)元件的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量元件，為化工生產(chǎn)儀器的主要元件，該元件存在熱阻，測(cè)量滯后的問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。如測(cè)量元件的時(shí)間常數(shù)較小，尚未達(dá)到對(duì)象時(shí)間常數(shù)的1/10，則無(wú)需給予控制。反之，自動(dòng)控制系統(tǒng)則需立即對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。信號(hào)的傳送滯后問(wèn)題，同樣屬于化工生產(chǎn)儀器元件存在的主要問(wèn)題。對(duì)自動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)確保氣壓信號(hào)管路的傳送滯后參數(shù)＜300m，確保直徑＞5mm。如生產(chǎn)條件允許，提倡通過(guò)電信號(hào)傳遞的方式，對(duì)信號(hào)通路進(jìn)行控制，以使傳送滯后的問(wèn)題得到解決。

3.1.3確定控制規(guī)律化工生產(chǎn)過(guò)程中，自動(dòng)控制系統(tǒng)常用的控制規(guī)律，包括P、PI以及PID三種。三者之中，P又稱比例控制規(guī)律，要求借助比例控制器實(shí)現(xiàn)。該控制方法下，控制器的輸出與偏差之間，存在一定的比例關(guān)系。生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，一旦負(fù)荷發(fā)生變化，干擾問(wèn)題將隨之出現(xiàn)，但因控制器具備較強(qiáng)的抗干擾能力，其控制效果往往能夠達(dá)到滿意的程度。比例控制的功能，在于實(shí)現(xiàn)對(duì)基本規(guī)律的控制。化工生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，如控制通道的滯后性相對(duì)較小，則可采用該方法實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器儀表的控制，使生產(chǎn)的過(guò)程得以順利進(jìn)行。PI又稱“比例-積分控制器”，要求將積分作用添加至自動(dòng)控制過(guò)程中。采用該方法進(jìn)行自動(dòng)控制，當(dāng)偏差存在時(shí)，控制器的輸出參數(shù)將不斷變化，對(duì)偏差進(jìn)行調(diào)整，直至將其消除。

3.1.4調(diào)整控制參數(shù)當(dāng)控制方案一定、對(duì)象特性無(wú)異常時(shí)，控制器參數(shù)是決定控制質(zhì)量的主要因素。為提高自動(dòng)控制水平，對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)的過(guò)程中，確保比例度、積分時(shí)間、微分時(shí)間適宜是關(guān)鍵。通常情況下，有關(guān)人員可采用理論計(jì)算的方式，對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。如缺乏理論計(jì)算條件，則可采用工程整定法，對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。參數(shù)調(diào)節(jié)后，需依靠通訊系統(tǒng)進(jìn)行傳遞，對(duì)儀器儀表的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。為確保通信良好，有關(guān)人員可建立FB-2000NDCS站，并將管理機(jī)應(yīng)用到各站之間，使通訊信息能夠自管理機(jī)中相互傳輸。為提高信息傳輸效率，自動(dòng)系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)中，通訊協(xié)議應(yīng)以IEEE8002.4為主，通訊效率應(yīng)＞10MB/s。

3.2儀器儀表與化工生產(chǎn)的自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)

3.2.1生產(chǎn)線1控制方案生產(chǎn)線1控制方案如下：（1）V-201貯罐內(nèi)存有原料，系統(tǒng)運(yùn)行后，原料將通過(guò)容積式泵，進(jìn)入混合器。（2）混合器隨之運(yùn)行，自動(dòng)系統(tǒng)立即對(duì)原料的流量進(jìn)行計(jì)算，并由FIC-201以及FIC-202組成串級(jí)控制，對(duì)流量偏差進(jìn)行糾正。一旦發(fā)現(xiàn)流量存在異常，自動(dòng)系統(tǒng)可立即調(diào)節(jié)流量閥門(mén)，對(duì)原料的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。（3）物料進(jìn)入塔前，自動(dòng)系統(tǒng)可通過(guò)溫度儀表，采集溫度參數(shù)。如發(fā)現(xiàn)溫度過(guò)高或過(guò)低，則可立即對(duì)蒸汽調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變溫度。（4）進(jìn)入塔頂后，自動(dòng)控制系統(tǒng)將對(duì)回流量、溫度儀表進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)TV-203調(diào)節(jié)閥，對(duì)兩者進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.2.2生產(chǎn)線2控制方案生產(chǎn)線2控制方案如下：（1）V-201存儲(chǔ)原料，自容積式泵進(jìn)入塔底后，自動(dòng)控制系統(tǒng)將利用FIC-101以及LICA-101對(duì)流量進(jìn)行測(cè)量。如流量存在異常，則可調(diào)節(jié)FV-101閥門(mén)，對(duì)流量進(jìn)行控制。通常情況下，流量的允許范圍應(yīng)為800~1500L/h。（2）原料B自容積式泵進(jìn)入塔底后，自動(dòng)控制系統(tǒng)可采用相同的方法，對(duì)其流量進(jìn)行控制。（3）當(dāng)原料A與原料B結(jié)合時(shí)，系統(tǒng)可對(duì)兩者的比例關(guān)系、液位進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)儀表，對(duì)兩項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保兩者能夠充分混合，使化工生產(chǎn)的過(guò)程得以順利完成。

3.3儀器儀表與化工生產(chǎn)自動(dòng)控制的效果

為評(píng)估本文所設(shè)計(jì)的儀器儀表與化工生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值，設(shè)計(jì)人員通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果顯示，借助自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制，生產(chǎn)線儀器儀表均可正常運(yùn)行。系統(tǒng)所采集的儀表數(shù)據(jù)，與儀表本身數(shù)據(jù)相符，與生產(chǎn)數(shù)據(jù)相比，同樣無(wú)明顯誤差，表明，自動(dòng)控制系統(tǒng)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。將自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用到化工生產(chǎn)中1年后，設(shè)計(jì)人員再次對(duì)其性能進(jìn)行了觀察。結(jié)果顯示，投入使用1年內(nèi)，系統(tǒng)本身未見(jiàn)任何故障。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的儀器儀表與化工生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀器儀表的運(yùn)行信息，并對(duì)其進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)全過(guò)程的把控。未來(lái)，建議化工領(lǐng)域根據(jù)自身的生產(chǎn)需求，對(duì)儀器儀表的類(lèi)型進(jìn)行選擇，在此基礎(chǔ)上，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以解放生產(chǎn)力，提高生產(chǎn)效率，使企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力及盈利能力得以增強(qiáng)。

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作者：姜寧 單位：中海油東方石化有限責(zé)任公司