崔菡云

摘要：為了解決我國中小型化工企業(yè)生產(chǎn)工藝復(fù)雜，操作要求高而自動(dòng)化程度低，控制與監(jiān)測分離，存在眾多的安全隱患等問題，本文通過研究引入物聯(lián)網(wǎng)概念對中小型化工企業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行檢測、傳輸與控制， 建立與應(yīng)用多級報(bào)警系統(tǒng)，為小微企業(yè)提供了精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)工藝條件、對反應(yīng)體系信號的實(shí)時(shí)檢測，提高工程的安全性和可靠性提供了技術(shù)保證。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);化工生產(chǎn);自動(dòng)控制;分級報(bào)警

一、概況

“物聯(lián)網(wǎng)”（Internet of Things）是指將各種信息傳感設(shè)備及系統(tǒng)，如傳感器網(wǎng)絡(luò)、射頻標(biāo)簽閱讀裝置、條碼 與二維碼設(shè)備、全球定位系統(tǒng)和其它基于物一物通信模式 （M2M）的短距無線自組織網(wǎng)絡(luò)，通過各種接入網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié) 合起來而形成的一個(gè)巨大智能網(wǎng)絡(luò)。如果說互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了人 與人之間的交流，那么物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)人與物體的溝通和對話，也可以實(shí)現(xiàn)物體與物體互相間的連接和交互。【1】

物聯(lián)網(wǎng)包括了感知層和網(wǎng)絡(luò)層。傳感器是能夠檢測規(guī)定的被測物理量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，溫度、液位、壓力、濃度等傳感器將采集到的溫度值、氣體濃度值、液位高度值、壓力值等物理量、化學(xué)量或生物量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（主要是電物理量），便于傳輸、轉(zhuǎn)換、顯示、控制。

網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施，通過各種通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、專用網(wǎng)及接入網(wǎng)等對數(shù)據(jù)進(jìn)行精確計(jì)算和有效傳輸，優(yōu)化和改進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用特征，形成協(xié)同的感知網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)可以是電信、移動(dòng)這樣的通用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳輸，或者是wifi的局域網(wǎng)。既可以是5G的先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)，又可以使用3G，4G這樣成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及藍(lán)牙等。 最終，智能化的應(yīng)用可以通過基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，例如手機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)等終端設(shè)備以及數(shù)據(jù)中心所構(gòu)成的專用或系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)?！?】

二、小型化工企業(yè)的現(xiàn)狀

我國是化工大國，存在眾多的大型石油化工企業(yè)和中小型化工企業(yè)，大型化工企業(yè)通常使用自動(dòng)化系統(tǒng)控制，具有成熟的DCS控制系統(tǒng)。而中小型化工企業(yè)控制系統(tǒng)相對落后，以人工操作，人工監(jiān)測為主。

這些中小企業(yè)多數(shù)生產(chǎn)高附加值精細(xì)化工產(chǎn)品，工藝復(fù)雜，對反應(yīng)條件要求苛刻。因?yàn)榻?jīng)常使用易燃易爆、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)酸強(qiáng)堿等危險(xiǎn)化學(xué)品，同時(shí)生產(chǎn)過程中自動(dòng)化程度低，控制與監(jiān)測分離，傳統(tǒng)的人工控制很難精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)工藝要求，雖然在傳統(tǒng)的化工企業(yè)中也安裝有溫度、粉塵、氣體濃度等環(huán)境因素的傳感器，但往往需要人工巡檢、記錄并通過紙質(zhì)或電子文檔匯總上報(bào)。這樣因此不僅消耗大量人力，降低了生產(chǎn)效率，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和產(chǎn)量不能得到保證，一旦發(fā)生危險(xiǎn)情況，人員安全將受到嚴(yán)重傷害

小微企業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)。小微企業(yè)健康發(fā)展對于我國經(jīng)濟(jì)克服國際宏觀因素影響，保持平穩(wěn)較快發(fā)展，吸容就業(yè)，保障社會穩(wěn)定具有重要戰(zhàn)略意義。[3]

三、存在問題

1.安全隱患：一些化學(xué)反應(yīng)涉及劇烈的吸放熱，人工控制裝置很難對加入物料的速度進(jìn)行控制，這會導(dǎo)致反應(yīng)體系的參數(shù)波動(dòng)較大，很容易造成沖料、泄露等危險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)可能會引起燃燒或爆炸等惡性事故。

化工生產(chǎn)還會涉及強(qiáng)腐蝕，對水分敏感物質(zhì)的控制，例如紅磷白磷，氫化鈣、金屬鈉等。

2.控制精度差：比如精制氨基酸類產(chǎn)品，需要精確的將 pH值調(diào)整到該產(chǎn)品的等電點(diǎn)，以保證其溶解度最小。但是在加酸或加堿過程中，體系的 pH值變化不是線性變化，經(jīng)常在某值附近出現(xiàn)突變，因此靠傳統(tǒng)的人工操作很難精準(zhǔn)控同樣的問題，還存在于濃硫酸稀釋（大量放熱）、溴化反應(yīng)（自催化反應(yīng)）等。

3.安全隱患：傳統(tǒng)的化工生產(chǎn)是將物料通過泵等設(shè)備傳輸?shù)礁呶徊?，再通過閥門的控制進(jìn)行加料控制。占據(jù)較大空間，同時(shí)存在安全隱患和不易控制等問題。

四、解決思路

為了解決化工生產(chǎn)中影響生產(chǎn)效率與質(zhì)量穩(wěn)定的各種因素以及潛在的安全隱患，引入物聯(lián)網(wǎng)概念對中小型化工企業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行檢測至關(guān)重要。首先，可以在各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)安裝各種傳感器對化學(xué)反應(yīng)的具體參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、傳輸、反饋與控制，從而實(shí)現(xiàn)中小型化工企業(yè)生產(chǎn)的智能化控制。

1、比例控制（PID）運(yùn)用于反應(yīng)過程中對溫度的控制。利用溫度傳感器檢測反應(yīng)釜中溫度，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌鬏斨量刂破鳎≒LC）。PLC將接收到的測量信號與設(shè)定溫度進(jìn)行比較得出偏差值，進(jìn)行比例-積分-微分PID控制，并按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的控制規(guī)律控制反應(yīng)物加入的量。當(dāng)反應(yīng)體系溫度與設(shè)定最高溫度存在偏差較大時(shí)，增大加料量，隨著偏差逐漸減小直至消除偏差，控制量逐漸減小最終停止加料。

調(diào)節(jié)閥由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成。 調(diào)節(jié)閥則會根據(jù)控制器送來的控制信號改變閥的開關(guān)程度，實(shí)現(xiàn)對滴加稀硫酸速度、冷卻水的溫度與流速的自動(dòng)控制。

該自動(dòng)控制系統(tǒng)由閉環(huán)回路組成，即系統(tǒng)按照箭頭方向進(jìn)行，最后回到原來的起點(diǎn)。

y：反應(yīng)釜內(nèi)溫度

x：反應(yīng)釜內(nèi)總加液量、初始液體流量、規(guī)定的釜內(nèi)溫度上下限

d：大氣換熱

q：滴加稀硫酸速度、冷卻水的溫度與流速

該套裝置可以用于濃硫酸稀釋過程，對反應(yīng)溫度有要求的反應(yīng)，如肟化反應(yīng)。

2.通過數(shù)學(xué)建模的方法對目標(biāo)值與影響因子之間存在非線性關(guān)系的過程。如酸堿中和過程中，pH值將隨酸（堿）的加入量發(fā)生突變，因此可以利用前期的數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)建模的方法模擬中和過程中pH的變化過程，并對實(shí)際中和過程進(jìn)行控制。

該方法可以用于酸堿中和、精制氨基酸類物質(zhì)的過程（要求終點(diǎn)精確停止于該物質(zhì)的等電點(diǎn)）。

3.安全檢測與分級報(bào)警：利用現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)體系信號的實(shí)時(shí)監(jiān)控，傳遞，反饋與控制，記錄與報(bào)警等，為中小型化工企業(yè)生產(chǎn)中精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)工藝條件實(shí)現(xiàn)了技術(shù)保證。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析、通信傳輸、監(jiān)控等。通過接受倉庫終端發(fā)送的信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)和攝像頭實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)，分析各個(gè)危險(xiǎn)品的指標(biāo)參數(shù)，監(jiān)控倉庫狀態(tài)。配置各種專用的應(yīng)用管理程和服務(wù)器用于數(shù)據(jù)分析，制定解決方案。同時(shí)制定應(yīng)急預(yù)案，并和救援調(diào)度系統(tǒng)相互配合，管理人員可以隨時(shí)對各種監(jiān)測和控制信號進(jìn)行遠(yuǎn)程在線控制，一旦發(fā)生突發(fā)情況，及時(shí)救援?！?】

當(dāng)檢測到的參數(shù)超過預(yù)定值后，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，并根據(jù)超出的范圍，通過網(wǎng)絡(luò)向預(yù)先設(shè)定的不同級別的裝置（如管理者的手機(jī)、平板電腦、計(jì)算機(jī)等）發(fā)出報(bào)警信號。對反應(yīng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化的控制與管理。例如稀釋濃硫酸過程中，通過建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將傳感器收集的各種參數(shù)實(shí)時(shí)記錄并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行分級報(bào)警（設(shè)定閾值為45度）。當(dāng)反應(yīng)系統(tǒng)溫度出現(xiàn)較小偏差時(shí)（超出閾值10度以內(nèi)），系統(tǒng)在及時(shí)反饋與控制的同時(shí)，啟動(dòng)一級報(bào)警，自動(dòng)在車間現(xiàn)場發(fā)出報(bào)警;當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)較大偏差時(shí)（溫度超過閾值10至20度），向二級主管發(fā)出警報(bào);若系統(tǒng)溫度仍未得到控制，則向三級化工廠安全主管發(fā)出警報(bào)。

五.結(jié)論

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在中小型化工企業(yè)中擁有廣泛的應(yīng)用前景，既可以應(yīng)用于工藝控制，也可以應(yīng)用于安全生產(chǎn)檢測等方面，同時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的實(shí)時(shí)傳輸、記錄與管理。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉強(qiáng)，崔莉，陳海明.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)科學(xué)， 2010， 37 （6）： 1.

[2]曹保衛(wèi)， 基于物聯(lián)網(wǎng)的化工危險(xiǎn)品遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究[J]. 中國錳業(yè)，2017，35（5）：166

[3]王俊峰， 王巖. 我國小微企業(yè)發(fā)展問題研究[J]. 商業(yè)研究， 2012 （9）： 86-93.

[4]曹保衛(wèi).基于物聯(lián)網(wǎng)的化工危險(xiǎn)品遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].中國錳業(yè)，2017：172-175.