新型化工厂自动化仪表的发展研究

刘晟

[摘    要 ]化工行业是中国国民经济发展的支柱产业。在新时期，以智能工厂、绿色工厂为主线，化工行业对可持续发展战略积极践行，并在生产过程中不断地引进先进的科学技术成果，生产装置实现自动化运行，实现化工生产的有效控制，本质安全，环境友好。本论文着重于研究新时期化工厂自动化仪表和控制系统方面的内容。

[关键词]自动化;仪表;智能工厂;绿色工厂

[中图分类号]TQ056 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）11–00–03

[Abstract]Chemical industry is the pillar industry of China's national economic development. In the new era， with intelligent factory and green factory as the main line， the chemical industry actively practices the sustainable development strategy， and constantly introduces advanced scientific and technological achievements in the production process， so as to realize the automatic operation of production devices and effective control of chemical production， which is intrinsically safe and environmentally friendly. This paper focuses on the research of chemical plant automation instrumentation and control system in the new era.

[Keywords]automation; instrument; intelligent factory; green factory

化工行业生产过程危险系数高，根据对化工装置的物料特性分析，往往含有易燃易爆有毒的介质。而化工企业需要安全、高效、连续和稳定地运行，对于生产参数控制存在很高的要求。仪表及控制系统应安全可靠、技术先进，应能充分满足工艺过程的操作要求，实现集中控制、平稳操作、安全生产、长期可靠，充分发挥工艺装置的生产能力，提高产品产量和质量[1]。随着中国化工行业进一步发展，国家和行业内对于新型化工企业越来越强调其生产管理高效智能、生产过程安全环保。新目标对于自动化仪表有了更高的要求。

1 化工厂对自动化仪表的要求

1.1 化工生产自动化仪表的作用

化工生产中的传统自动化仪表可以简单的分为检测仪表、显示仪表、控制仪表、执行器四大类。当化工企业进行生产的时候，各项工艺指标都在时刻发生变化，包括温度、压力、物位、流量以及成分等。自动化仪表需要实现在任一生产环节中，当检测仪表检测到工艺指标产生变化时，显示仪表能够及时反映，控制仪表能对指标的变化情况进行分析，根据分析结果通过执行器对其进行有效控制，保证产品的质量合格和生产过程的安全可靠。化工行业的快速发展进程中，仪表运行的形式以及所发挥的作用都会相应地出现变化[2]。

1.2 新型化工厂对自动化仪表的要求

根据近年大中型化工企业的建设项目来看，高效互联的智能工厂和节能环保的绿色工厂是当前化工企业的重点建设方向，而这两个目标的实现离不开自动化仪表技术的发展和更广泛的应用。

智能工厂要求现有自动化仪表更加智能化、数字化、网络化。传统的DCS、SIS、GDS、SCADA等过程控制系统需实现一体化，一体化的控制系统应高度智能化，不仅实现对过程数据的采集，对智能设备本身也应具有自我分析、判断规划能力，在信息数据集成的基础上，实现整个工厂生产控制设备管理系统的集成。

清洁、高效、低碳、循环的绿色工厂要求自动化仪表不再局限于传统工艺参数的检测，还包括监控生产中的能源损耗、废弃物排放。为了实现环境友好目标，国家和化工行业要求设置设多种在线分析检测仪表，网格化布置、全面覆盖生产设施，从企业厂区内延伸至厂界，即时监测大气、水体污染物的排放情况。

2 智能工厂中的自动化仪表

2.1 智能工厂的自动化仪表需求

《国家智能制造标准体系建设指南》（2018版）中对于石油化工行业的设计、交付、智能生产和集成优化都有明确规定，其区别于传统工厂具有智能化、数字化、自动化、集成化的特征，要求合理地设置足够的智能检测仪表或者必须的工艺参数、设备运行数据、安全报警情况[3]。

智能工厂的信息管理系统整体架构主要由3个层面组成：生产经营管理層（ERP）、生产运行管理层（MES）、过程控制层（PCS），其中过程控制层主要由自动化控制系统和仪表构成（图1）。

参照《江苏省流程性智能工厂示范要点》的要求，自动化仪表要实现生产设备自管理，通过传感器采集相关工艺参数，实现在线数据处理和分析判断，在线监测仪表设备工作状态，及时进行故障自动报警和预诊断，部分设备可自动调试修复，还更进一步要求采用工业以太网、工业无线等技术，实现生产装备、传感器、控制系统与管理系统等的互联，实现数据的采集、流转和处理。

智能工厂要求传统的过程控制系统需要能与管理信息网络即安全隔离又互联互通，在一个综合信息平台下纵向集成。化工厂的检测仪表和执行器都要选用新型的智能仪表，生产运行管理层需要建设智能仪表设备管理系统对仪表设备进行综合管控。

2.2 智能传感器

传统检测仪表随着集成电路技术、微处理器技术的发展逐步智能化，主要体现在以下方面：

2.2.1 智能仪表信息管理

仪表启动时，所有相关状态和配置信息都会从传感器自动传输到变送器，可自动识别制造商、传感器、型号、序列号、最新的校准数据，校准历史记录可用于趋势分析。仪表安装时“即插即测”降低安装的复杂性，

2.2.2 智能仪表生命周期管理

智能传感器的在线诊断功能实时提供传感器的损耗度和动态使用寿命，自动计算校准的时间间隔，用来制定传感器的维护和更换计划，在降低维护成本的同时优化操作效率，避免发生安装事故。

2.2.3 智能信号处理

仪表能够自主完成信号的非线性处理，温度与压力的补偿，量程刻度标尺的变换，零点的漂移与修正等功能。

2.2.4 远程故障诊断

用户可以通过智能仪表设备管理系统，将诊断维护数据远程传送至制造工厂的服务器，制造厂的技术专家对分析数据进行诊断后，将诊断结果及处理办法发回用户的监控服务器，以便协助用户现场维护人员及时排除隐患。

2.3 智能执行器

自控阀门在配置了智能阀门定位器和多种检测传感器后，可通过智能定位器对阀门的阀位、输出、气源等参数的传感器进行信息采集传送。每台阀门出厂的预制信息可存储在配套的智能定位器中，通过数据比对进行性能诊断，显示阀门内件的健康状况，定位运行不正常或者性能开始恶化的阀门，协助工厂安排检维修计划[4]。

2.4 智能仪表设备管理系统

智能仪表设备管理系统是针对现场智能仪表设备进行故障诊断、在线组态、维护保养、数据记录存储及管理的一体化系统，在智能工厂信息架构中是MES层重要组成。它可通过信息采集模块与现场智能仪表相连接，支持Modbus、HART及OPC等多种通信协议，与DCS等控制系统无缝集成。它使智能仪表通过网络可实现远程管理、操作、维护和数字通信等功能。

智能仪表设备管理系统的基本功能包括仪表设备信息管理、仪表设备状态管理、仪表设备报表管理、报警及安全信息管理、仪表的预测性维护[5]。

3 绿色工厂中的自动化仪表

3.1 绿色工厂的自动化仪表需求

随着国家对生态环保的要求逐步提高，“生态优先、绿色发展”逐渐成为提升企业核心竞争力的关键要素，建成清洁、高效、低碳、循环的绿色企业，要求化工企业做好大气/水体污染的防治工作[6]。

为将企业的大气/水体污染物排放浓度达到国家和地方标准要求，自动化仪表的设置需要实现以下功能。

（1）网格化环境监测：建设集数据采集、存储、传输和管理于一体的可无人值守的网格化、全覆盖在线环境监测系统。

（2）绘制污染地图：绘制基于监测网得到的“污染地图”，可结合溯源模型等手段，实现企业内区域内定向治理，以减少废弃物扰民投诉事件。

（3）建立环境监控平台：通过网络建立数字化平台，落实各部门资源共享、业务协同的管理目标，做到基础数据共享、统一指挥、联动运行。

3.2 厂区管道泄漏监测仪表

厂区内腐蚀性物料管道和热力管道可能的“跑冒滴漏”现象，是污染物无组织性排放的一个重要途径。为对特定的污染物管道泄露实现自动监测、实时定位，上报至环境监控平台处理，一些在矿山、长输管道领域有多年成熟运用经验的在线式管道泄漏监测仪表也开始在化工厂使用。

光纤分布式温度检漏仪是以光波为载体，光纤为媒质，伴随管道平行敷设，感知和传输管道温度，通过局部温度变化来定位泄露位置，具有抗干扰能力强、使用寿命长、耐腐蚀、免维护的优势。

电缆式检漏仪是以特定类型的电缆与物料管道平行敷设，当物料泄露时，会渗入电缆引起电缆特征的相应变化，通过前后数据对比就可以对泄露位置进行检测定位。它对于工艺物料的缓慢渗漏检测效果良好。

3.3 网格化大气、水体监测站仪表

化工企业将多个微型的网格化空气站、水体检测站布置在装置的界区，监控大气和水体的排放指标。根据工艺物料泄放情况，空气站内可设置在线式的有机物气相色谱分析仪、氮氧化物分析仪、臭氧分析仪、小型化颗粒物分析仪等。水体检测站可设置在线式化学需氧量分析仪、pH计、总磷/总氮分析仪、氨氮分析仪、重金属分析仪等。

这些监测站点内通常设置SCADA等自动监控数据采集传输系统，自动采集现场环境、安全等各类监测数据，可采用RS485通讯、有线网络、无线网络（含4G/5G）等多种通讯技术，与其他监测站点、控制室、监管部门进行数据组网。监控人员可远程查看原始数据，并实现数据同步转发上报。

3.4 移动监测走航车仪表

近年来VOCs飞行时间质谱法（TOF-MS）监测仪表逐步在化工领域国产化并成熟应用，其检测器为基于微通道板的离子检测器，监测原理为高分辨率飞行时间质谱。该类仪表能对所有气体组分进无选择性歧视的取样，结构简单，可监测对象范围大，分析速度快速[7]。基于此项技术可以对VOCs等大气指标进行移动式监测。

大型化工企业开始配置新一代的移动监测走航车，以工具车为载具，车内主要配置了自动控制系统、VOCs在线飞行时间质谱法监测仪和其它的便携式检测仪表。当车辆沿企业内部或者周边道路的走航过程中，系统能实时处理监测结果，并统计所监测物质的浓度，能利用检测到的污染数据信息，结合污染溯源模型算法，逐步追溯到对应污染源，能自动解析质谱图，并给出谱图中定性出的物种清单及其对应的浓度。走航车在走航巡视过程中，可以将走航路线与地图关联，并实时处理走航结果将其显示于对应地理位置，走航地图中可以观察到污染程度信息，并以不同颜色区分。地图中可调出各个点位监测到的物种清单。

4 结束语

随着化工行业对于智能工厂、绿色工厂的建设需要，自动化仪表不在拘泥于传统的工艺参数监控，对于设备仪表状态和工厂环境指标监控要求的深度和广度都在逐步提高。最新的智能仪表较上一代电气仪表，以信息技术、智能化技术的发展成果为基本框架，深度融合工业网络、人工智能，较以往更智能、更全面、更环保、更敏捷。它对于新型化工厂而言，可以实现对生产过程的全流程监控，对化工厂及周边环境进行全生命周期保护。

参考文献

[1] 陈晶.化工生产装置的自动化控制及其仪表技术分析[J].信息周刊，2019（11）：1.

[2] 肖世超.化工仪表自动化及在生产中的应用探讨[J].中国化工贸易，2019，11（8）：153.

[3] 李德刚，谢腾腾.石油化工智能工厂工程設计阶段工作的探讨[J].石油化工自动化，2020（5）：41-44.

[4] 李宝华.智能阀门定位器的常规模式和基本组成[J].石油化工自动化，2010（3）：61-64.

[5] 杨婕，谢天天，朱瑞苗.智能仪表设备管理系统的应用分析[J].石油化工自动化，2020（6）：62-64.

[6] 彭必占，焦相，张睿，等.绿色工厂设计探索与实践[J].武汉勘察设计，2012（4）：62-64.

[7] 李晓颍，张红医，范春林，等.气相色谱-飞行时间质谱在化合物鉴定方面的应用进展[J].化学通报，2014（2）：54-58.

[8] 胡维杰.石油化工仪表中的自动化控制技术探讨[J].石化技术，2019（8）：222，227.

[9] 高松.石油化工装置自动化仪表的安装及调试技术[J].科学与信息化，2017（34）：46-47.

[10] 唐天洋.仪表自动化在化工生产中的应用[J].化工设计通讯，2019（11）：86-87.