试论仪器仪表与化工生产的自动控制

高海涛

深圳万讯自控股份有限公司518057

摘要：本文首先分析了仪器仪表的发展情况，接下来详细阐述了仪器仪表分类及功能分析，最后对仪器仪表与化工生产的自动控制设计与实现做具体论述，希望通过本文的分析研究，给行业内人士以借鉴和启发，同时希望为我国仪器仪表与化工生产的自动控制的分析研究献言献策。

关键词：仪器仪表；化工生产；自动控制

引言

自动控制指无人参与的情况下，利用信息化技术对仪器仪表、生产参数进行调整，使生产能够连续进行的技术。近些年来，该技术已被应用到了化工生产过程中，且取得了良好的效果。为提高化工生产效率，确保仪器仪表性能无异常，对自动控制系统进行优化设计，并将其应用到生产过程中是关键。可见，对自动控制系统的设计与实现方案进行研究较为必要。

1仪器仪表的发展情况

仪器仪表应用于工业化工领域是从20世纪中期开始的。目前科学技术正在快速发展，有些化工技术们引进高新的组装式的电子综合控制装置并投入生产，使仪器仪表与生产有机的结合成为一个自动的生产控制系统。推动化工工业生产向自动化方向转变发展。仪器仪表也就渐渐的成为化工生产中的一项重要生产辅助工具。另一方面计算机工业自动化系统推动化工仪器仪表的逐渐走向更先进的发展水平道路。

2仪器仪表分类及功能分析

随着科学技术的快速发展，化工生产逐渐朝着能够连续大规模的进行自动化生产的方向发展，为降低人工操作带来的误差以及提高整个化工生产效率，通过引进电子综合控制装置，并实现仪器仪表自动化，成为实现化工生产过程工艺参数监控、流程显示以及实现相关控制的主要途径，也是保证生产安全性、稳定性，实现最大经济效益的主要方法。自动化仪表在化工生产过程中，取代了传统的人工操作测量与控制，是自动化化工生产过程中用于数据测量、分析与计算的一种辅助装置。按照不同的分类方式，可将仪表分为多种类别。例如，依照仪表对能源使用方式的不同，可将其分为气动、电动以及液动等仪器仪表；按照仪表的安装方式的不同，可分为盘装、现场、架装仪表等；按照生产过程中使用功能类别，可分为检测、显示、调节等功能仪器；按照仪器仪表自身功能特点，又可将其分为调节、物位压力、流量温度等仪表；按照不同的仪器仪表功能组合方式，可分为基地式、单元组合式、综合控制型等仪器。不论采用何种分类方式，仍然相互联系，无法单一而论，例如，流量检测仪表当中就包括压差变送器等。不同的仪器具有不同的生产作用，其中，最常见的、使用最多的主要有检测类仪表、调节类仪表、执行类仪表以及传感器的集成化。

2.1检测类仪表

检测类仪器仪表，主要是检测生产过程中的主要特征参数，如温度、压力、流量等，同时附带一定的控制与调节功能，依据相关的检测信号进行不同仪器仪表的选择使用，并对其进行主要参数数据的显示。温度仪表，主要用来指示温度，防止生产过程因为温度控制失误而造成爆炸事故的发生，温度控制体现在化工生产的方方面面，在计算机技术的推动下，化工企业逐渐实现了用多点热电偶、防爆热电偶等替代了传统的接触式测量电偶、电阻，并且实现了一体化温度变送器等总线技术的应用。流量仪表，主要用于实现化工生产流量控制，主要监控内容包括单位时间内通过有效截面的介质体积、质量等，并依据流量计算方法如溶剂法、速度法等，对流量体积进行计算测量。在流量仪器仪表实际生产使用中，体积测量与质量流量测量是其采用的主要方式。压力仪表，是对化工生产过程中的相关设备压力情况进行动态监控，测量压力涵盖负压到300MPa等整个范围，压力测量原理主要分为弹性式、液柱式以及活塞式3种，在实际使用过程中，要依据化工实际生产过程需要、介质类别以及压力作用方式等，选择不同的压力仪表，保证压力测量的准确。

2.2调节仪表

或称为调节器，应用原理在于比较被测的参数和设定的参数此调节器，它的工作原理是先设定好合适的参数，在生产过程中，将需要测量的数据与之前设定好的参数进行比较，然后根据设定的规律，把调节信号传递给执行器。有部分仪表或调解器内置有检测和显示功能，保证信号的精确性。

2.3执行器

又名执行机构，以调节仪表的调节信号和调节规律为基础，直接控制输入量与输出量。另外，控制装置集中监测和控制分散的参数。用仪表检测和控制的范围逐渐扩大，工业仪表自动化功能方向呈发展趋势。

2.4研制新型的传感器并集成化

引进大量的新技术手段,多回路自动化系统的正常工作，需要大量精微数据的有机结合，因此，人们为了使其更有效工作，研究了大量的数据，如：大滞后，微分，线性，非线性，积分等等。另外，随着其他数字化技术的快速发展，有利于人与计算机联系，综合控制装置结合微型计算机应用逐渐地往更高层次应用发展。

3仪器仪表与化工生产的自动控制设计与实现

3.1仪器仪表与化工生产的自动控制设计

3.1.1变量的选择

化工生产过程中，变量与生产工艺显著相关。明确影响工艺的变量，并采用自动控制系统对其进行控制，可有效提高产品生产质量。以温度为例：以TD代表温度，如TD恒定，则压力与组分之间，必然存在确定的关系。如所生产的化工产品，具有易于挥发的特点，则其组分浓度一般较高。需适当提高压力，方可确保TD值恒定。为达到自动控制的目的，对现场控制站进行优化设计是关键。设计过程中，应将“I/O监视功能”、“主控制器模板”等，安装至标准机柜内。在此基础上，采用PID算法，对压力进行控制及调节。为确保温度恒定，可开启系统的自适应控制功能，进一步对变量进行控制，以便及时发现温度、压力等参数存在的异常，提高生产效率及安全性。

3.1.2元件特性的分析

对元件特性进行分析，是对自动控制系统进行设计的关键。设计过程中，有关人员应首先对元件的时间常数进行测量。测量元件，为化工生产仪器的主要元件，该元件存在热阻，测量滞后的问题时有发生。如测量元件的时间常数较小，尚未达到对象时间常数的1/10，则无需给予控制。反之，自动控制系统则需立即对其进行调整。信号的传送滞后问题，同样属于化工生产仪器元件存在的主要问题。对自动系统进行设计的过程中，应确保气压信号管路的传送滞后参数＜300m，确保直径＞5mm。如生产条件允许，提倡通过电信号传递的方式，对信号通路进行控制，以使传送滞后的问题得到解决。

3.1.3确定控制规律

化工生产过程中，自动控制系统常用的控制规律，包括P、PI以及PID三种。三者之中，P又称比例控制规律，要求借助比例控制器实现。该控制方法下，控制器的输出与偏差之间，存在一定的比例关系。生产环节中，一旦负荷发生变化，干扰问题将随之出现，但因控制器具备较强的抗干扰能力，其控制效果往往能够达到满意的程度。比例控制的功能，在于实现对基本规律的控制。化工生产自动控制系统中，如控制通道的滞后性相对较小，则可采用该方法实现对仪器仪表的控制，使生产的过程得以顺利进行。PI又称“比例-积分控制器”，要求将积分作用添加至自动控制过程中。采用该方法进行自动控制，当偏差存在时，控制器的输出参数将不断变化，对偏差进行调整，直至将其消除。

3.1.4调整控制参数

当控制方案一定、对象特性无异常时，控制器参数是决定控制质量的主要因素。为提高自动控制水平，对控制器参数进行调节的过程中，确保比例度、积分时间、微分时间适宜是关键。通常情况下，有关人员可采用理论计算的方式，对控制参数进行调整。如缺乏理论计算条件，则可采用工程整定法，对控制参数进行调整。参数调节后，需依靠通讯系统进行传递，对仪器仪表的运行状态进行控制。为确保通信良好，有关人员可建立FB-2000NDCS站，并将管理机应用到各站之间，使通讯信息能够自管理机中相互传输。为提高信息传输效率，自动系统控制网络中，通讯协议应以IEEE8002.4为主，通讯效率应＞10MB/s。

3.2控制仪表及自动控制设备腐蚀的防护

控制仪表及自动控制设备腐蚀的防护，是化工行业自动控制系统应用的重要环节，可从仪表及其内置设备的设计结构和提供给仪器仪表的优良工作环境两方面着手，在防护工作中针对设备先天不足的问题，保证适宜的室温，保持室内正压，通风系统应加强通风系统的过滤功效等。当前，大型仪器仪表及自动控制设备所置于的空调房中基本具有适宜的防腐措施及除尘的作用，但此类的不足在于空调不能过滤具有腐蚀性气体。排除室内空气中的干扰性的腐蚀气体是仪表及自动控制设备防腐的重要举措。通风系统常用的控制腐蚀性气体的方法有控制源头、稀释新风和化学方法过滤。控制源头也有不足之处，污染气体排放量的减少需要解决的问题很多且工艺较多，改革成本高。采用稀释新风的方法首先保证干净的新风，其不足在于相关行业的事外空气通常无法达标，能耗大。化学过滤技术来降低室内腐蚀性气体是最经济、有效、可行的方案。在空调系统中，化学过滤技术常用多孔吸附材料，通过吸附、氧化及中和等反应，清除腐蚀性气体。常用的过滤媒介活性炭、氧化铝、沸石、分子筛及它们的化学浸渍材料。按时更换空气净化装置的滤料，而后采用焚烧、填埋等方式处理，避免二次污染。

3.3自动控制技术在化工生产中的应用

应用仪器仪表自动控制生产管理化工生产过程的生产控制方式称为化工生产的自动控制，自动控制技术在化工生产中的应用多样且丰富。如改进钢转炉公用系统自动控制；工业计量；蒸发碱自动出料自控系统的设计应用；全自动液态金属控制在核反应堆中的应用；测控技术与仪器专业现状分析等研究证明。由此，自动控制在化工的应用讲究的是自动化装置与生产设备完整协调的结合为一体，自动化取代人工生产，某些炉内温度环境不适合人工操作，可编程控制系统针对炉内高温恶劣环境实现对生产炉的工作生产控制。备受青睐的PID控制算法以“变速积分”、“抗积分饱和”等方法为基础，与实践相结合精确控制温度范围，保证优良的动态性能。另外可编程控制系统也较广泛应用于挤出吹塑成型机。

4自动化仪表控制缺点及解决措施

自动化仪表因其拥有多种优势在国内发展迅速，但仍存在一定的缺点，产品转化能力较差，在自动化仪表模型的通用性能及集成性能方面存在明显的短板。自动化仪表目前所存在的缺点体现在仪器仪表的设计、施工安装与调试过程3个方面。不论是政府科研单位还是企业研发团队，在自动化仪表研发过程中，经常面临资金短缺的问题，从而导致研发的仪表技术水平低，在仪器仪表的计算能力、计算精度等方面参差不齐，市场的竞争能力差，即便是优质的仪器仪表，在施工安装与调试过程中，因缺乏专业的施工队伍而无法进行质量保证。因此，依据自动化仪器仪表研发使用过程，可从仪表测量精度、降低测量复查、处理复杂数据与控制过程方面进行自动化仪表水平的提高。首先，提高自动化仪表控制中心的计算机芯片处理能力，借助其大存储与高运算速率，重复进行测量，提高测量数据样本，并对测量结果进行快速分析，力求在多次测量结果的基础上取得更加精确的测量结果，以此来提高测量精度与速度。其次，可对自动化仪表的误差进行修正，依托微处理器高效运算处理能力，实时动态的对测量值误差进行修正，对外部干扰因素进行限制，最大限度的降低测量误差，提高测量精度。再次，可针对传统仪表的功能局限，对自动化仪表在控制复杂操作过程方面进行研发突破，强化自动化仪表的使用性能与使用范围。总之，在自动化技术深入发展的条件下，随着仪表小体积多功能的发展趋势，自动化仪表在测量误差处理、精度提高以及测量准确性等方面还有更大的提升空间，在化工自动化控制过程中的应用也会更加的深入。

结语

仪器仪表系统从仪表化与局部自动化系统到方兴未艾的计算机集成系统CIPS,其控制系统无论是在结构组成上,还是控制策略与方法上都有了质的变革和飞跃,这主要是计算机的发展给仪器仪表带来了工具和手段。仪器仪表系统的最新发展代表着信息时代企业自动化的总方向。它的发展必将带动其他学科理论的交叉、综合与发展,促进仪器仪表的发展和化工生产技术的更大进步。

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