化工自动化仪表及控制系统的智能化

徐进(许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000)

0 引言

随着我国工业生产自动化技术水平的不断提升，采取多种仪器仪表设备，对化工产品生产流程做出模拟与控制，可以在保证化工产品工艺水平的同时，最大程度避免化工安全隐患、突发事故的发生。因而将化工自动化仪表设备，与计算机仿真模拟软件进行有效结合，可以对整个化工产品生产的执行流程、具体环节，做出自动化的控制与优化，弥补传统仪表故障问题检测、电路控制的不足状况，提高自动化仪表控制系统的智能性、灵活性。

1 化工自动化仪表的主要组成类别概述

化工企业生产自动化的仪表系统，通常包含温度仪表、压力仪表、流量仪表、物位测量仪表和在线过程分析仪表，多种仪表主要用于化工产业生产过程中，相关温度、压力、溶液液位或气源等数据信息的监测。

(1)温度仪表。温度仪表作为最常见的化工自动化仪表装置，主要用于化工生产温度的测定和控制。在化工企业产品生产过程中，利用温度记录仪、温度送变器等仪表装置，接触式测量不同时间段的升/降温度曲线，然后在温度记录仪、温度显示仪、温度变送器等设备中进行显示，来保证温度调节的可控性。

(2)压力仪表。不同化工生产环节中都存在气压的变化，如流化床反应器加压/减压的压力变化操作，压力变化会对化工生产的安全性造成严重影响。当前化工企业使用的压力仪表，按照工作原理主要分为弹性式、液柱式、活塞式等类型，如压力变送器HAKK-EKA430A通常用于对化工生产气体、液体和水蒸汽等压力进行监测，压力仪表测量的压力值范围在300 MPa以内，仪表量程精度为±0.1%。在完成化工生产压力值测量后，将其转变为DC的直流电流信号输出。

(3)物位测量仪表。物位测量仪表在化工企业生产过程中，负责物体溶液、粉粒状材料液位的测量，以及固体物料颗粒、堆积高度等的测量。通常根据技术实现条件的区别，分为电容式、激光式及静压式仪表，可以有效测量塔罐、槽罐等容器内的液体位置高度。其中测量多种不互相溶解液体、固体液面位置的仪表装置，被称为相界面计，自动化物位测量仪对化工行业液位的测量非常精准。

(4)在线过程分析仪。化工企业生产中不仅涉及到温度、压力、物料液位等指标，还存在着其他无法全面监测的参量，因而利用在线过程分析仪，进行多种综合参量数据的详细监测和记录，包括对环境产生污染的化工物质监测。如电磁流量计、浮子流量计、科氏力质量流量计、涡轮流量计等流量仪表，可以用于化学气体、腐蚀性液体流量介质的检测[1]。

2 计算机化工自动化仪表控制系统的组成结构

2.1 化工自动化仪表控制系统的组成架构

化工自动化仪表控制系统为单回路的反馈控制系统，通常包含检测变送器、测量元件、控制器、控制阀、调节器和执行器等硬件组成，对某一被控变量进行控制，是实现化工生产过程的自动化基本单元，具有投资少、结构简单、易于调整等方面优势，能够满足化工工业生产的流程控制要求。

在化工自动化仪表检测、故障分析与反馈控制的执行中，要根据被控变量操纵变量等要素，进行不同类别化工监测仪表选型，以及仪表供电电路系统、信号及联锁保护系统的设计，对完成设计的自控设备汇总表、电气设备材料表、电气设备接线图做出提交。

如化工混合物分离加工生产的精馏过程，首先要对参与化工监测、参数控制的设备做出调节，包括选择化工生产时间、温度、压力、液位等过程质量指标，作为被控变量，设定合适的调节器、控制器、执行器参数，以及控制仪表装置安装、信号线路连接的准确性。之后为促使化工混合物分离达到规定的纯度，还要选取蒸馏塔塔底残液、塔顶馏出物浓度，作为化工仪表测量的被控变量，确定饱和蒸汽的温度、压力都为独立变量。利用以下公式进行独立变量的求解：

式中：F为独立变量数目；C和P分别化学平衡时的组分数、相数。实际上饱和蒸汽存在着气、液两相，F=1-2 + 2 = 1。因而选取蒸汽压力作为化工仪表测量的被控变量，因为压力测量元件的时间常数小，可以有效保证控制系统的投运，以及化工产品加工生产精馏纯度的达标。

2.2 化工自动化仪表控制中单片机硬件系统的结构

在自动化仪表系统开发、功能实现的控制过程中，需要结合计算机M16C/62单片机控制技术，对输入/输出信号、数模信号转换、故障检测指令等做出控制。当下所使用的M16C/62单片机硬件系统，通常由化工自动化仪表传感器、时钟芯片DS1302、存储器、步进电机驱动器、Max202线路驱动器、PWM控制放大电路等组成结构，负责对传输数据信息的接收、自动化处理等任务执行[2]。

以上M16C/62单片机中存在的多种硬件，如时间显示芯片、存储器、仪表传感器等，都与I/O口进行直接连接，温度传感器通过可编程I/O接口，实现对化工检测温度值的读取。而在I/O口作为化工自动化控制电路的输入端口时，通常选取方向寄存器的AN0(P10.0)、RXD0(P6.2)、RXD1(6.6)等引脚进行输入。

M16C/62单片机采取C语言编译器，编制出有关化工自动化仪表监测、故障问题分析、报警指令等的执行程序。通过C编译器NC30，将C语言源程序转换为汇编语言源文件，再经由As30汇编器，生成可执行的系统键控程序机器码。在M16C/62单片机自动化控制系统上电后，先启动“ncrt0.a30”的NC30程序，使用汇编语言对单片机初始化，包括不同电路单元、I/O接口方向的初始设置，以及中断优先等级的设置。

之后开启4*4矩阵键盘扫描程序，在定时方式下执行键盘扫描中断，每隔10ms时长发送一次中断请求。同时系统在接收到用户键盘操作后，响应中断并运行中断子程序，对键盘扫描执行情况做出检查。最后，运行自动化控制系统的功能程序模块，包括日期读取、温度测量、压力测量、物位测量等的程序，以及多源信号检测、电机控制和数据存储程序，通常以信号输入/输出的键控方案，使系统功能控制在各状态之间转移。一般包括10个数字键、6个功能键，分别表示不同时间点的状态、键码、次态等键控程序[3]。

3 化工自动化仪表控制系统的智能化故障预测、功能实现

3.1 化工自动化仪表的智能化故障预测与定位

不同化工生产中的设备故障智能预测，主要利用自动化仪表对生产运行数据，做出实时信号检测、维护任务计划性下发、故障预测报警和可视化管理。首先化工生产设备的故障预测过程，分为数据处理、模型自适应、智能预测等三个步骤。

(1)数据处理选取压力传感器、液位传感器，针对整个化工生产的三相电流、电压传输，以及设备压缩能力、液位水平及输出效率的历史数据，进行各种数据指标的整合分析，初步构建起故障预测模型。

(2)模型自适应。依据生成的初步故障预测模型，将生产设备现有的实时数据，与故障预测模型数据进行匹配、修正，包括多种模型参量的修正，从而最大程度达到预测模型精准度的提升。

(3)智能预测。通过化工自动化仪表的数据检测，以及故障预测模型的不断学习自适应学习后，进行各种化工设备运行故障、发展趋势的预测，并对设备的某一部位发出故障预警[4]。

之后进行化工生产自动化监控的故障定位，如对化工石油产出、储运执行流程的故障定位，要根据石油输出量、设备启停次数、运行负荷等指标，通过DCS分散控制系统，建立起相应的故障定位模型。在接收到石油输出量的数据指标后，系统可以借助于化工自动化仪表装置，自主采集事故总信号、故障电流信号、故障指示信号等数据，进行设备启停状况的数据分析，以及不同时段设备功率的定位监测。当化工电子线路在生产运行负荷中，出现不规则电流、电压情况时，提前对故障点做出定位和预判，并快速切断故障电流，以防止化工重大安全事故的产生。

3.2 化工自动化仪表控制系统功能实现

化工自动化仪表的智能化控制系统中，通常借助于M16C/62单片机的硬件设备，包括时钟芯片DS1302、存储器、仪表传感器、步进电机驱动器、Max202线路驱动器、PWM控制放大电路等，可以在短时间内对多项控制功能进行高效准确地实现。

(1)自动量程切换。针对不同化工产品生产的实际状况，自动校正xmz-10数显温度、超声波液位表的测量量程，如不同电流情况下对应的液位满度、零点数值，降低由零点漂移带来的量程测试误差[5]。

(2)化工生产多点检测、干扰排除。利用多种化工自动化仪表传感器，以及计算机可编程的控制指令装置，进行多点数据信息的及时采集、故障检测。之后借助于数字滤波器，选择适合的滤波算法，对周围村长的干扰源信号、信号特征做出分析，以便及时准确了解化工产业流程的实际运行情况。

(3)数字信号处理及数据交互。采取多层次的数字信号处理、数据计算方式，如频谱分析、标度变换、统计整合等数据处理方法，通过M16C/62单片机计算机控制平台，加强不同设备之间化工数据的交互传播、共享，显著提高化工自动化仪表的实时数据传送效率和通信质量，对产生的测量误差、故障问题做出自动分析与修正。

4 结语

现代化工产业生产与发展过程中，引进化工自动化仪表系统的控制装置，与计算机仿真模拟软件、气动执行器硬件进行有效结合，已经成为化工企业安全控制的主要方式。通过开发计算机化工自动化仪表系统、检测与控制功能，对多种仪表装置进行使用及维护，可以在大大节约自动化系统控制成本的同时，降低化工企业加工执行流程的故障、提高智能化水平，满足化工产品生产的实际需求。