王 博

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西西安 710075）

化工儀表是對(duì)化工生產(chǎn)中產(chǎn)品及生產(chǎn)設(shè)備情況進(jìn)行檢測(cè)信息顯示的裝置，化工生產(chǎn)自動(dòng)化體系中應(yīng)用自動(dòng)化儀表進(jìn)行信息收集能夠?yàn)樽詣?dòng)化控制邏輯單元提供全面的信息，而后對(duì)相應(yīng)生產(chǎn)階段設(shè)備發(fā)出指令反饋，能夠有效提升化工生產(chǎn)的針對(duì)性與科學(xué)性。自動(dòng)化儀表在未來會(huì)積極融合當(dāng)前先進(jìn)的人工智能技術(shù)，提升儀表運(yùn)行的智能化水平，為化工企業(yè)生產(chǎn)向著智能化控制方向發(fā)展提供基礎(chǔ)條件。

1 化工儀表及其自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展歷程

在過去的化工生產(chǎn)中，傳統(tǒng)化工生產(chǎn)儀表的數(shù)量相對(duì)較少，且運(yùn)行結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡單，操作也比較簡便，它們的運(yùn)行操作也通常由生產(chǎn)技術(shù)人員來執(zhí)行。從20世紀(jì)中葉開始，科技迅猛發(fā)展，自動(dòng)化控制技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的飛躍，在電學(xué)與自動(dòng)化技術(shù)有效融合的技術(shù)背景下，自動(dòng)化控制儀表應(yīng)運(yùn)而生，在我國當(dāng)前的化工生產(chǎn)中測(cè)量控制儀表以及相應(yīng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用。

化工生產(chǎn)的環(huán)境特殊，很多設(shè)備中的化學(xué)反應(yīng)過程都要在高溫高壓等苛刻條件下進(jìn)行，如果環(huán)境控制不好不僅會(huì)影響化工產(chǎn)品的質(zhì)量，還可能發(fā)生生產(chǎn)安全事故，因此針對(duì)這些設(shè)備安裝自動(dòng)化運(yùn)行、精確的自動(dòng)化儀表是非常有必要的。將自動(dòng)化技術(shù)與化工儀表結(jié)合起來能夠有效提升儀表運(yùn)行的可靠性，并能夠?qū)υO(shè)備運(yùn)行情況、設(shè)備內(nèi)部環(huán)境參數(shù)信息進(jìn)行有效捕捉，為自動(dòng)化控制系統(tǒng)的運(yùn)行提供有效參數(shù)依據(jù)。將儀表采集的化工生產(chǎn)信息傳輸給邏輯處理器可以為控制動(dòng)作裝置下達(dá)科學(xué)指令，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備控制閥門進(jìn)行開閉，以保證化工生產(chǎn)環(huán)境符合要求。

在進(jìn)入21世紀(jì)之后，化工生產(chǎn)的綜合性以及產(chǎn)品高質(zhì)量性要求越來越高，為了保證化工生產(chǎn)的效果，對(duì)生產(chǎn)裝置進(jìn)行有效優(yōu)化，化工生產(chǎn)設(shè)備的控制點(diǎn)越來越高，工藝控制精度要求也在不斷升高。自動(dòng)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了模塊化與集成化發(fā)展，而自動(dòng)化儀表在其中扮演著重要角色。

2 化工儀表的主要種類

2.1 溫度測(cè)量儀表

化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)是一項(xiàng)利用化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行物質(zhì)生產(chǎn)的生產(chǎn)項(xiàng)目，化學(xué)反應(yīng)通常要在一定的環(huán)境中進(jìn)行，通常化工生產(chǎn)的溫度非常特殊，部分化工反應(yīng)要在-200～1800℃進(jìn)行，為了保證化工生產(chǎn)的有序進(jìn)行，就要對(duì)化工生產(chǎn)設(shè)備中的溫度進(jìn)行控制，具體測(cè)量裝置就是溫度測(cè)量儀表。熱點(diǎn)偶和熱電阻儀表是一種常用的溫度測(cè)量儀表，當(dāng)前先進(jìn)的自動(dòng)化儀表是在采用總線技術(shù)、搭載了電子信息技術(shù)的技術(shù)環(huán)境下運(yùn)行的，它可以有效獲得溫度信息，溫度采集系統(tǒng)能夠?qū)⑺杉臏囟刃畔鬏斀o自動(dòng)化系統(tǒng)中，為設(shè)備內(nèi)部保持符合生產(chǎn)需求提供保障。

2.2 壓力測(cè)量儀表

這種儀表就是對(duì)設(shè)備內(nèi)部運(yùn)行壓力的狀態(tài)信息進(jìn)行采集，在化工生產(chǎn)中，設(shè)備內(nèi)部壓力是一種非常重要的變量，壓力的變化會(huì)直接影響化工生產(chǎn)的產(chǎn)品純度。在具體化工生產(chǎn)中通常要針對(duì)壓力設(shè)備使用專用壓力儀表，壓力儀表通常融合了壓力傳感器與特種壓力表等裝置，為了保證化工生產(chǎn)中壓力儀表的運(yùn)行安全，這種儀表通常具有抗腐蝕及抗高壓的性能。

2.3 物力測(cè)量儀表

化工生產(chǎn)中原料的使用情況影響著生產(chǎn)質(zhì)量，為了對(duì)原材料使用情況進(jìn)行有力控制，需要對(duì)各種物力信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而物力測(cè)量儀表通常包括波雷達(dá)儀表、浮力式儀表等，這些自動(dòng)化儀表當(dāng)中，相對(duì)來講測(cè)量精度較高的波雷達(dá)儀表，它能夠幫助化工生產(chǎn)人員更好地對(duì)物料用量進(jìn)行有力控制，進(jìn)而保證化工生產(chǎn)的有序推進(jìn)。

2.4 流量測(cè)量儀表

這種儀表的測(cè)量對(duì)象是化工生產(chǎn)過程中管道及設(shè)備中的流量，流量對(duì)于各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的化工生產(chǎn)中各種物料的配比情況有較大影響，因此測(cè)量流量是非常重要的化工生產(chǎn)控制依據(jù)，流量速度測(cè)量及流量容積測(cè)量是流量測(cè)量的重要工作，主要的測(cè)量儀器有浮子流量計(jì)以及電磁測(cè)量計(jì)。

3 化工自動(dòng)化儀表的主要控制功能分析

3.1 自動(dòng)化系統(tǒng)可編輯功能

當(dāng)前的化工儀表在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化功能方面通常是結(jié)合了電子控制軟件以及儀表電子電路設(shè)計(jì)技術(shù)，新型自動(dòng)化控制儀表的控制模塊一般采用可編程的控制模塊，它為自動(dòng)化儀表操作與控制提供了靈活編程能力，為邏輯單元的控制靈活性優(yōu)化提供了保證。

3.2 儀表記憶功能

記憶功能是一種結(jié)合了信息自動(dòng)保存技術(shù)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)功能，傳統(tǒng)化工生產(chǎn)中的儀表通常利用邏輯電路與時(shí)序電路共同實(shí)現(xiàn)儀表的信息記錄，但是這種模式存在較為明顯的缺陷，因?yàn)檫@種模式在進(jìn)行信息記錄的過程中，出現(xiàn)下段信息記錄后會(huì)直接覆蓋上段信息記錄，因此無法對(duì)信息進(jìn)行追溯、總結(jié)。而在化工儀表結(jié)合了自動(dòng)化與信息化技術(shù)后，儀表內(nèi)部搭載了小型信息模塊，它可以對(duì)儀表產(chǎn)生的隨機(jī)記憶信息進(jìn)行有效存儲(chǔ)，不僅避免了信息丟失，還能夠防止信息被篡改。并且當(dāng)前的化工儀表還增加了邏輯運(yùn)算模塊，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)儀表信息的極值運(yùn)算等功能。

3.3 化工儀表具有數(shù)據(jù)處理能力

在當(dāng)前的化工生產(chǎn)中，信息數(shù)據(jù)會(huì)以非?？斓乃俣壬?，而這些信息的運(yùn)算與分析，是化工儀表科學(xué)調(diào)整的依據(jù)，當(dāng)前的自動(dòng)化化工儀表就具有較高的信息運(yùn)算功能，化工儀表能夠?qū)λ@取的信息進(jìn)行線性化處理，例如對(duì)化工裝置信息進(jìn)行校正等，采用數(shù)據(jù)處理技術(shù)的化工儀表不僅能夠?qū)どa(chǎn)信息進(jìn)行記錄，還能夠提升儀表設(shè)備的信息采集精準(zhǔn)性。

4 化工測(cè)控技術(shù)向智能化方向發(fā)展的趨勢(shì)分析

4.1 未來化工自動(dòng)化測(cè)控儀表發(fā)展智能化的趨勢(shì)

數(shù)字化測(cè)量以及智能化數(shù)據(jù)分析處理、控制能力可靠性評(píng)估是當(dāng)前各領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)自動(dòng)化控制及計(jì)量工作的基礎(chǔ)，而科學(xué)的傳感器是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)量的前提，因此數(shù)字化傳感器是當(dāng)前業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。DSP 數(shù)字處理電路以及信息微處理器技術(shù)都在不斷發(fā)展，為化工檢測(cè)儀表當(dāng)中的傳感器優(yōu)化以及智能傳感器的研發(fā)提供了助力。

智能傳感器是一種能夠?qū)崿F(xiàn)精確測(cè)量、測(cè)量效果穩(wěn)定且搭載了高性能微控制器技術(shù)的先進(jìn)智能傳感器。它利用數(shù)字化技術(shù)將傳統(tǒng)傳感器轉(zhuǎn)化為具有抗干擾能力以及響應(yīng)時(shí)間短的，并且可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效性分析功能的智能化傳感器，這種傳感器的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)是不容小覷的。在化工生產(chǎn)中智能傳感器的優(yōu)勢(shì)也是非常明顯的，因?yàn)閭鹘y(tǒng)傳感器是不能對(duì)某種化工產(chǎn)品的質(zhì)量全指標(biāo)進(jìn)行快速測(cè)量的，但是搭載了多種信息化技術(shù)、集成了智能診斷與自我學(xué)習(xí)功能模塊的智能化傳感器則可以以非?？斓乃俣戎苯舆M(jìn)行化工產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)的測(cè)量，并對(duì)一些具有函數(shù)關(guān)系的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，而后結(jié)合自身具有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建數(shù)學(xué)分析模型，從而對(duì)化工產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行分析與定性。當(dāng)前自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)與智能化技術(shù)進(jìn)行了融合，智能化傳感器也已經(jīng)集成了數(shù)字電極以及智能稱重等高新技術(shù)模塊，傳感器功能十分強(qiáng)大。而自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器則是根據(jù)所接收的邏輯控制器下達(dá)的控制指令進(jìn)行被控對(duì)象控制響應(yīng)，比如對(duì)被控介質(zhì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而將被控變量調(diào)整到符合化工生產(chǎn)需求的范圍內(nèi)，因此執(zhí)行器就是自動(dòng)化系統(tǒng)當(dāng)中非常重要的結(jié)構(gòu)?；どa(chǎn)過程中用到的執(zhí)行器主要有控制閥門、變頻器等，目前行業(yè)已使用的智能型執(zhí)行器有智能型控制閥。智能型控制閥采用總線和微處理器技術(shù)，配合精密機(jī)械結(jié)構(gòu)，能夠在控制閥內(nèi)實(shí)現(xiàn)流量特性修改、閥門正反作用修改、調(diào)整PID 算法、非線性補(bǔ)償、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、閥門故障診斷、故障安全位置鎖定等一系列功能。采用離散式微處理器運(yùn)算控制，分擔(dān)了需DCS 提供的控制運(yùn)算，并可與DCS 分享運(yùn)行數(shù)據(jù)，具有更高的靈活性、可靠性。智能型測(cè)控儀表具備數(shù)字和模擬兩種輸出組網(wǎng)方式，其故障診斷預(yù)警和智能維護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)，為工廠節(jié)省了運(yùn)行成本、減少了檢修維護(hù)時(shí)間，確保了生產(chǎn)安全高效。

4.2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的智能化發(fā)展趨勢(shì)

智能化數(shù)據(jù)分析，主動(dòng)式維護(hù)保養(yǎng)控制系統(tǒng)是整個(gè)工廠的核心，負(fù)責(zé)現(xiàn)場檢測(cè)數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算，再通過對(duì)現(xiàn)場執(zhí)行單元的調(diào)節(jié)控制，是整個(gè)生產(chǎn)裝置的大腦。而隨著現(xiàn)代通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及現(xiàn)場總線控制技術(shù)的飛速發(fā)展，自帶微處理器的智能傳感器和智能執(zhí)行器的大量應(yīng)用，分擔(dān)了大多數(shù)需要傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的運(yùn)算處理，控制系統(tǒng)也由直接面對(duì)現(xiàn)場測(cè)控儀表的生產(chǎn)控制演變成工廠數(shù)據(jù)處理中心，負(fù)責(zé)與現(xiàn)場測(cè)控儀表處理器的數(shù)據(jù)共享、運(yùn)行數(shù)據(jù)信息化、工藝方案優(yōu)化、故障預(yù)警和主動(dòng)式維護(hù)保養(yǎng)等，形成以智能型控制系統(tǒng)為數(shù)據(jù)處理核心、測(cè)控功能下放的分工協(xié)作網(wǎng)絡(luò)模式。

4.3 安全儀表系統(tǒng)的冗余和仲裁技術(shù)發(fā)展

預(yù)防事故發(fā)生，主動(dòng)消除事故、或降低事故損失化工生產(chǎn)規(guī)模化后，安全已成為生產(chǎn)的重中之重。根據(jù)應(yīng)急管理部〔2009〕116號(hào)令有關(guān)15種危險(xiǎn)工藝（安監(jiān)總管三〔2013〕3號(hào)補(bǔ)充為18種）及實(shí)施措施，要求設(shè)置安全儀表系統(tǒng)SIS。安全儀表系統(tǒng)以IEC61508作為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，遵循國際安全協(xié)會(huì)規(guī)定。包括檢測(cè)單元、控制單元和執(zhí)行單元以容錯(cuò)的多重冗余結(jié)構(gòu)，提高故障裕度，保證了單一硬件故障不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)安全功能喪失。通過自診斷功能，發(fā)現(xiàn)并預(yù)防潛在的危險(xiǎn)，防止事故的發(fā)生，降低事故帶來的危害及其影響。安全儀表系統(tǒng)基于自身硬件多重冗余架構(gòu)，在將來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，會(huì)繼續(xù)為大型化工裝置的安全保駕護(hù)航。未來隨著冗余型智能型測(cè)控儀表的進(jìn)一步發(fā)展、在已滿足功能安全的情況下，集中式的安全儀表系統(tǒng)也許會(huì)被更直接面對(duì)工藝生產(chǎn)裝置的離散型冗余智能型測(cè)控儀表取代。

5 結(jié)束語

總之，在我國化工行業(yè)迅猛發(fā)展的今天，自動(dòng)化控制技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，自動(dòng)化儀表作為自動(dòng)化體系中的重要裝置，在未來與智能化技術(shù)融合的趨勢(shì)非常明顯，智能化傳感器以及自診斷功能模塊等的應(yīng)用可以為自動(dòng)化儀表精確性與運(yùn)行可靠性優(yōu)化提供更大助力。化工生產(chǎn)中運(yùn)行自動(dòng)化儀表時(shí)要做好運(yùn)維與管理工作，保證儀表運(yùn)行的效果，進(jìn)而為化工生產(chǎn)的有效推進(jìn)提供保障。