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化工自動(dòng)化儀表及控制系統(tǒng)的智能化
發(fā)布時(shí)間：
2023-11-30 08:58
隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)水平的不斷提升，采取多種儀器儀表設(shè)備，對(duì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)流程做出模擬與控制，可以在保證化工產(chǎn)品工藝水平的同時(shí)，最大程度避免化工安全隱患、突發(fā)事故的發(fā)生。因而將化工自動(dòng)化儀表設(shè)備，與計(jì)算機(jī)仿真模擬軟件進(jìn)行有效結(jié)合，可以對(duì)整個(gè)化工產(chǎn)品生產(chǎn)的執(zhí)行流程、具體環(huán)節(jié)，做出自動(dòng)化的控制與優(yōu)化，彌補(bǔ)傳統(tǒng)儀表故障問題檢測(cè)、電路控制的不足狀況，提高自動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)的智能性、靈活性。
1 化工自動(dòng)化儀表的主要組成類別概述
化工企業(yè)生產(chǎn)自 動(dòng)化的儀表系統(tǒng)， 通常包含溫度儀表、 壓力儀表、流量?jī)x表、物位測(cè)量?jī)x表和在線過程分析儀表，多種儀表主要用于化工產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過程中，相關(guān)溫度、壓力、溶液液位或氣源等數(shù)據(jù)信息的監(jiān)測(cè)。
(1) 溫度儀表。溫度儀表作為最常見的化工自動(dòng)化儀表裝置，主要用于化工生產(chǎn)溫度的測(cè)定和控制。在化工企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，利用溫度記錄儀、溫度送變器等儀表裝置，接觸式測(cè)量不同時(shí)間段的升 / 降溫度曲線，然后在溫度記錄儀、溫度顯示儀、溫度變送器等設(shè)備中進(jìn)行顯示，來(lái)保證溫度調(diào)節(jié)的可控性。
(2) 壓力儀表。不同化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)中都存在氣壓的變化，如流化床反應(yīng)器加壓 / 減壓的壓力變化操作，壓力變化會(huì)對(duì)化工生產(chǎn)的安全性造成嚴(yán)重影響。當(dāng)前化工企業(yè)使用的壓力儀表，按照工作原理主要分為彈性式、液柱式、活塞式等類型，如壓力變送器 HAKK-EKA430A 通常用于對(duì)化工生產(chǎn)氣體、液體和水蒸汽等壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，壓力儀表測(cè)量的壓力值范圍在 300 MPa以內(nèi)， 儀表量程精度為 ±0.1%。 在完成化工生產(chǎn)壓力值測(cè)量后，將其轉(zhuǎn)變?yōu)?DC 的直流電流信號(hào)輸出。
(3) 物位測(cè)量?jī)x表。物位測(cè)量?jī)x表在化工企業(yè)生產(chǎn)過程中，負(fù)責(zé)物體溶液、粉粒狀材料液位的測(cè)量，以及固體物料顆粒、堆積高度等的測(cè)量。通常根據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)條件的區(qū)別，分為電容式、激光式及靜壓式儀表， 可以有效測(cè)量塔罐、 槽罐等容器內(nèi)的液體位置高度。其中測(cè)量多種不互相溶解液體、 固體液面位置的儀表裝置， 被稱為相界面計(jì)， 自 動(dòng)化物位測(cè)量?jī)x對(duì)化工行業(yè)液位的測(cè)量非常精準(zhǔn)。
(4) 在線過程分析儀。化工企業(yè)生產(chǎn)中不僅涉及到溫度、壓力、物料液位等指標(biāo)，還存在著其他無(wú)法全面監(jiān)測(cè)的參量，因而利用在線過程分析儀，進(jìn)行多種綜合參量數(shù)據(jù)的詳細(xì)監(jiān)測(cè)和記錄，包括對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染的化工物質(zhì)監(jiān)測(cè)。如電磁流量計(jì)、浮子流量計(jì)、科氏力質(zhì)量流量計(jì)、渦輪流量計(jì)等流量?jī)x表，可以用于化學(xué)氣體、腐蝕性液體流量介質(zhì)的檢測(cè)。
2 計(jì)算機(jī)化工自動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)
2.1 化工自動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)的組成架構(gòu)
化工自 動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)為單回路的反饋控制系統(tǒng)，通常包含檢測(cè)變送器、 測(cè)量元件、 控制器、 控制閥、 調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器等硬件組成， 對(duì)某一被控變量進(jìn)行控制， 是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過程的自 動(dòng)化基本單元，具有投資少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于調(diào)整等方面優(yōu)勢(shì)，能夠滿足化工工業(yè)生產(chǎn)的流程控制要求。
在化工自動(dòng)化儀表檢測(cè)、故障分析與反饋控制的執(zhí)行中，要根據(jù)被控變量操縱變量等要素，進(jìn)行不同類別化工監(jiān)測(cè)儀表選型，以及儀表供電電路系統(tǒng)、信號(hào)及聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)完成設(shè)計(jì)的自控設(shè)備匯總表、電氣設(shè)備材料表、電氣設(shè)備接線圖做出提交。
如化工混合物分離加工生產(chǎn)的精餾過程，首先要對(duì)參與化工監(jiān)測(cè)、參數(shù)控制的設(shè)備做出調(diào)節(jié)，包括選擇化工生產(chǎn)時(shí)間、溫度、 壓力、 液位等過程質(zhì)量指標(biāo)， 作為被控變量， 設(shè)定合適的調(diào)節(jié)器、 控制器、 執(zhí)行器參數(shù)， 以及控制儀表裝置安裝、 信號(hào)線路連接的準(zhǔn)確性。之后為促使化工混合物分離達(dá)到規(guī)定的純度，還要選取蒸餾塔塔底殘液、 塔頂餾出物濃度， 作為化工儀表測(cè)量的被控變量，確定飽和蒸汽的溫度、壓力都為獨(dú)立變量。利用以下公式進(jìn)行獨(dú)立變量的求解：
式中：F為獨(dú)立變量數(shù)目；C 和 P 分別化學(xué)平衡時(shí)的組分?jǐn)?shù)、相數(shù)。實(shí)際上飽和蒸汽存在著氣、液兩相， F=1-2 + 2 = 1。因而選取蒸汽壓力作為化工儀表測(cè)量的被控變量，因?yàn)閴毫y(cè)量元件的時(shí)間常數(shù)小， 可以有效保證控制系統(tǒng)的投運(yùn)， 以及化工產(chǎn)品加工生產(chǎn)精餾純度的達(dá)標(biāo)。
2.2 化工自動(dòng)化儀表控制中單片機(jī)硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
在自 動(dòng)化儀表系統(tǒng)開發(fā)、 功能實(shí)現(xiàn)的控制過程中， 需要結(jié)合計(jì)算機(jī) M16C/62 單片機(jī)控制技術(shù)， 對(duì)輸入 / 輸出信號(hào)、數(shù)模信號(hào)轉(zhuǎn)換、 故障檢測(cè)指令等做出控制。當(dāng)下所使用的 M16C/62單片機(jī)硬件系統(tǒng)， 通常由化工自 動(dòng)化儀表傳感器、 時(shí)鐘芯片DS1302、 存 儲(chǔ) 器、 步 進(jìn)電 機(jī)驅(qū) 動(dòng) 器、 Max202 線 路 驅(qū) 動(dòng) 器、PWM 控制放大電路等組成結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)信息的接收、自動(dòng)化處理等任務(wù)執(zhí)行 。
以上 M16C/62 單片機(jī)中存在的多種硬件，如時(shí)間顯示芯片、存儲(chǔ)器、儀表傳感器等，都與 I/O 口進(jìn)行直接連接， 溫度傳感器通過可編程 I/O 接口， 實(shí)現(xiàn)對(duì)化工檢測(cè)溫度值的讀取。而在 I/O口作為化工自 動(dòng)化控制電路的輸入端口時(shí)，通常選取方向寄存器的 AN0(P10.0)、 RXD0(P6.2)、 RXD1(6.6) 等引腳進(jìn)行輸入。
M16C/62 單片機(jī)采取 C 語(yǔ)言編譯器，編制出有關(guān)化工自 動(dòng)化儀表監(jiān)測(cè)、故障問題分析、報(bào)警指令等的執(zhí)行程序。通過 C 編譯器 NC30， 將 C 語(yǔ)言源程序轉(zhuǎn)換為匯編語(yǔ)言源文件， 再經(jīng)由As30 匯編器，生成可執(zhí)行的系統(tǒng)鍵控程序機(jī)器碼。在 M16C/62單片機(jī)自 動(dòng)化控制系統(tǒng)上電后， 先啟動(dòng)“ncrt0.a30”的 NC30 程序，使用匯編語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)初始化，包括不同電路單元、 I/O 接口方向的初始設(shè)置，以及中斷優(yōu)先等級(jí)的設(shè)置。
之后開啟 4*4 矩陣鍵盤掃描程序，在定時(shí)方式下執(zhí)行鍵盤掃描中斷，每隔 10ms 時(shí)長(zhǎng)發(fā)送一次中斷請(qǐng)求。同時(shí)系統(tǒng)在接收到用戶鍵盤操作后， 響應(yīng)中斷并運(yùn)行中斷子程序， 對(duì)鍵盤掃描執(zhí)行情況做出檢查。最后， 運(yùn)行自 動(dòng)化控制系統(tǒng)的功能程序模塊，包括日 期讀取、溫度測(cè)量、壓力測(cè)量、物位測(cè)量等的程序，以及多源信號(hào)檢測(cè)、電機(jī)控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序，通常以信號(hào)輸入 /輸出的鍵控方案， 使系統(tǒng)功能控制在各狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移。一般包括 10 個(gè)數(shù)字鍵、 6 個(gè)功能鍵， 分別表示不同時(shí)間點(diǎn)的狀態(tài)、鍵碼、次態(tài)等鍵控程序。
3 化工自動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)的智能化故障預(yù)測(cè)、功能實(shí)現(xiàn)
3.1 化工自動(dòng)化儀表的智能化故障預(yù)測(cè)與定位
不同化工生產(chǎn)中的設(shè)備故障智能預(yù)測(cè)，主要利用自 動(dòng)化儀表對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，做出實(shí)時(shí)信號(hào)檢測(cè)、維護(hù)任務(wù)計(jì)劃性下發(fā)、故障預(yù)測(cè)報(bào)警和可視化管理。首先化工生產(chǎn)設(shè)備的故障預(yù)測(cè)過程，分為數(shù)據(jù)處理、模型自 適應(yīng)、智能預(yù)測(cè)等三個(gè)步驟。
(1) 數(shù)據(jù)處理選取壓力傳感器、液位傳感器，針對(duì)整個(gè)化工生產(chǎn)的三相電流、電壓傳輸，以及設(shè)備壓縮能力、液位水平及輸出效率的歷史數(shù)據(jù)， 進(jìn)行各種數(shù)據(jù)指標(biāo)的整合分析， 初步構(gòu)建起故障預(yù)測(cè)模型。
(2) 模型自適應(yīng)。依據(jù)生成的初步故障預(yù)測(cè)模型，將生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)有的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，與故障預(yù)測(cè)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配、修正，包括多種模型參量的修正，從而最大程度達(dá)到預(yù)測(cè)模型精準(zhǔn)度的提升。
(3) 智能預(yù)測(cè)。通過化工自 動(dòng)化儀表的數(shù)據(jù)檢測(cè)，以及故障預(yù)測(cè)模型的不斷學(xué)習(xí)自 適應(yīng)學(xué)習(xí)后，進(jìn)行各種化工設(shè)備運(yùn)行故障、發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，并對(duì)設(shè)備的某一部位發(fā)出故障預(yù)警。
之后進(jìn)行化工生產(chǎn)自 動(dòng)化監(jiān)控的故障定位，如對(duì)化工石油產(chǎn)出、儲(chǔ)運(yùn)執(zhí)行流程的故障定位，要根據(jù)石油輸出量、設(shè)備啟停次數(shù)、運(yùn)行負(fù)荷等指標(biāo)，通過 DCS 分散控制系統(tǒng)，建立起相應(yīng)的故障定位模型。在接收到石油輸出量的數(shù)據(jù)指標(biāo)后，系統(tǒng)可以借助于化工自 動(dòng)化儀表裝置， 自 主采集事故總信號(hào)、 故障電流信號(hào)、故障指示信號(hào)等數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)備啟停狀況的數(shù)據(jù)分析，以及不同時(shí)段設(shè)備功率的定位監(jiān)測(cè)。當(dāng)化工電子線路在生產(chǎn)運(yùn)行負(fù)荷中，出現(xiàn)不規(guī)則電流、電壓情況時(shí)，提前對(duì)故障點(diǎn)做出定位和預(yù)判，并快速切斷故障電流，以防止化工重大安全事故的產(chǎn)生。
3.2 化工自動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)
化工自動(dòng)化儀表的智能化控制系統(tǒng)中，通常借助于 M16C/62單片機(jī)的硬件設(shè)備，包括時(shí)鐘芯片 DS1302、存儲(chǔ)器、儀表傳感器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、 Max202 線路驅(qū)動(dòng)器、 PWM 控制放大電路等，可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)多項(xiàng)控制功能進(jìn)行高效準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)。
(1)自動(dòng)量程切換。針對(duì)不同化工產(chǎn)品生產(chǎn)的實(shí)際狀況，自動(dòng)校正xmz-10數(shù)顯溫度、超聲波液位表的測(cè)量量程，如不同電流情況下對(duì)應(yīng)的液位滿度、零點(diǎn)數(shù)值，降低由零點(diǎn)漂移帶來(lái)的量程測(cè)試誤差。
(2) 化工生產(chǎn)多點(diǎn)檢測(cè)、干擾排除。利用多種化工自 動(dòng)化儀表傳感器， 以及計(jì)算機(jī)可編程的控制指令裝置， 進(jìn)行多點(diǎn)數(shù)據(jù)信息的及時(shí)采集、故障檢測(cè)。之后借助于數(shù)字濾波器，選擇適合的濾波算法，對(duì)周圍村長(zhǎng)的干擾源信號(hào)、信號(hào)特征做出分析，以便及時(shí)準(zhǔn)確了解化工產(chǎn)業(yè)流程的實(shí)際運(yùn)行情況。
(3) 數(shù)字信號(hào)處理及數(shù)據(jù)交互。采取多層次的數(shù)字信號(hào)處理、 數(shù)據(jù)計(jì)算方式， 如頻譜分析、 標(biāo)度變換、 統(tǒng)計(jì)整合等數(shù)據(jù)處理方法，通過 M16C/62 單片機(jī)計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)，加強(qiáng)不同設(shè)備之間化工數(shù)據(jù)的交互傳播、 共享， 顯著提高化工自 動(dòng)化儀表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送效率和通信質(zhì)量， 對(duì)產(chǎn)生的測(cè)量誤差、故障問題做出自 動(dòng)分析與修正。
4 結(jié)語(yǔ)
現(xiàn)代化工產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展過程中，引進(jìn)化工自 動(dòng)化儀表系統(tǒng)的控制裝置， 與計(jì)算機(jī)仿真模擬軟件、 氣動(dòng)執(zhí)行器硬件進(jìn)行有效結(jié)合， 已經(jīng)成為化工企業(yè)安全控制的主要方式。通過開發(fā)計(jì)算機(jī)化工自 動(dòng)化儀表系統(tǒng)、檢測(cè)與控制功能， 對(duì)多種儀表裝置進(jìn)行使用及維護(hù)，可以在大大節(jié)約自 動(dòng)化系統(tǒng)控制成本的同時(shí)，降低化工企業(yè)加工執(zhí)行流程的故障、提高智能化水平，滿足化工產(chǎn)品生產(chǎn)的實(shí)際需求。
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