浅谈智能化仪表在化工过程控制中的应用

2016-03-11郑梅王晓凤

工业设计 2016年3期

关键词：智能仪表仪器仪表仪表

郑梅王晓凤

山东省冶金设计院股份有限公司，山东济南，250101

浅谈智能化仪表在化工过程控制中的应用

郑梅王晓凤

山东省冶金设计院股份有限公司，山东济南，250101

随着经济的迅速发展与科技水平的快速提升，现代工业对于过程控制精度的要求也越来越高。在化学工业领域中，仪器仪表扮演着极重要的角色，因此设备的智能化、自动化显得尤为重要。本文对于智能化仪表的发展、组成与应用进行了具体的阐述，并且对智能化仪表在化工过程控制中的优化与开发前景做出了分析。

智能化；仪器仪表；过程控制

基于仪器仪表在过程控制中的优秀表现，化工行业的过程控制系统得到了快速的发展与更新。同时由于化工行业生产规模的扩大，而对于生产技术的要求也逐步提高，对于过程控制的自动化水平提出了一定的要求。因此仪器仪表与化工行业的发展相辅相成，起着互相推动的重要作用。

1 智能化仪表的发展

随着计算机技术的快速发展，仪器仪表也从模拟仪表过度到数字化仪表。继而在微电子技术的推动下，逐步走向智能化。在结构上，智能化仪表放弃了单个逐一的开发研制，转为接口母线与机架的标准化。

三十年代，出现了模拟仪表，并逐步应用到过程控制中。他经历了基地式、单元组合式和组装式等几个发展阶段。随着工业的进步，控制精度的要求变得愈来愈严苛，传统模拟仪表在操作过程和管理方面便暴露了他的不足之处。

五十年代，计算机的统一控制，在一定程度上解决了模拟仪表的困局。它可以将成千上百的控制回路以及控制变量集中显示，便于使用者操作与管理。但是无法从根本上弥补其控制精度低的缺点。

六十年代，随着半导体集成电路的发展，出现了大批的调节器、控制器与检测元件，构成了多种多样的自动化过程控制系统。

1983年，霍尼韦尔国际（HoneywellInternational）公司率先发布了一款精度高、远距离校验的压力变送器，开启了从模拟仪表向智能化仪表转变的道路。在其后的十年间，国外众多公司的智能压力变送器也陆续出现，他们包括：罗斯蒙特（Rosemount）,日本横河电机株式会社(YOKOGAWA)、西门子（Siemens）等仪器仪表行业的领导者。但由于培训机制的薄弱与缺乏统一的通讯标准，最终市场认可度并不太高。

在近二十多年中，由于微电子技术的高速发展，大规模集成电路被广泛应用于各行各业。基于数字技术并且采用集成电路，仪器仪表将被测量的模拟信号进行模/数（A/D）转换后变为数字信号，大大提高了仪器仪表的精确性。再将微处理器嵌入至仪器仪表中构成独立式仪器。嵌入的微处理器可以是单片机也可以是数字信号处理（DSP）。由于采用微处理器，具有独立运算能力，并且随着新技术、新工艺和嵌入式系统的不断发展，智能仪表成为了高端电子仪器的主体，把自动化技术推到了一个更高的水平。

2 智能化仪表的组成

智能化仪表由硬件与软件系统构成。其中，硬件系统主要由微处理器、存储器、过程信号输入/输出通道、门电路以及串行数据通信口等组成。微处理器对仪器采集到的数据进行程序分析，再将这些信息传输到存储器中进行保存。过程信号输入通道的作用是模拟信号与开关量的输入与输出。串行数据通信口是智能仪表与计算机沟通的重要桥梁，操作者通过数据通信口来传输计算机数据，进行对仪器仪表的控制。

软件系统由初始化程序、检测程序、中断程序与各种功能模块组成。其中初始化程序是在上电之后对各个模块进行初始化，并且检测其是否处于正常工作的状态。若检测到整个系统无异常，便提示使用者继续使用操作该仪器。检测程序是采集使用者需要的数据，并且执行传输和管理的任务。中断程序有两大功能：1、整个仪器仪表的使用过程中，若突发意外情况，使用者可以进行停止仪器的操作。2.在仪器的智能计算中，可以停止当前的任务，进而转向其他的工作。各功能模块则是主要用来实现数据的传输控制功能，配合微处理器与存储器的工作。

在过程控制中的预处理电路，将输入的信号进行运算放大、整形与补偿，然后通过模数转换器将模拟信号转换为微处理器能够识别的数字信号，再通过串口将数据写入相应的寄存器，进而来保存相应的数据信息。再由CPU对这些参数进行加工和处理，分类存储于RAM中。最后配置相应寄存器，在显示器中奖数据显示出来。

3 智能化仪表的特点

3.1 智能化仪表具有数据存储功能

在智能化仪表中配置了微处理器后，只需要对仪表进行通电操作，便能自动恢复至断电时的数据状态。以往的仪表，采用组合逻辑电路与时序电路来实现数据采集的功能。但是这类仪表在断电后，仪表只从初始状态重新计算运用，大量的消耗了人力与物力。而智能化仪表具有记忆功能，可以存储多条数据参数。

3.2 智能仪表具有计算功能

在传统的仪器使用中，操作者可以获得基本参数。然后需要使用模拟算法电路进行简单的运算，使用这种方法仅能分析处理简单的数据。若要处理复杂的，或者大量的数据则需要消耗操作者很多的时间，并且计算的精度也比较低。而智能化仪表是采用数字电路控制的，它可以进行准确而快速的数学运算。

3.3 智能仪表具有可编程特性

我们通过编辑需要实现的功能于程序之后，植入系统便可以替代大量的硬件结构去实现仪器仪表的功能。原先的大量逻辑电路，被计算机软件的程序所替代，这叫硬件的软件化。特别在一些接口芯片的复杂控制中，如果用程序编写的话极为简单，但是若要用硬件来实现的话，则需要大量的控制与定时电路，会使得整个系统变的复杂。

3.4 智能仪表的误差修正

微处理器通过相应的软件可以自主的计算、分析在检测中遇到的线性化问题与抗干扰问题，在一定程度上减轻了硬件的负担。计算机具有存储容量大的优点，因此，可以通过远程控制的方法引入计算系统，直接得出仪表的检测结果并且做出相应的处理反应。微处理器还可以减小误差，自动进行误差的补偿。在智能仪器中常用的有温度补偿、传感器动态补偿、盲区补偿等。

3.5 智能仪表的网络化

网络化的智能检测仪表网可以通过网络将各种不同人物的传感器与计算机联系起来，进行统一的管理，完成各种不同的任务要求。并且在多网络、多操作人员的情况下，也可以共同监控、处理及分享数据，使得各部门工程技术人员及质量安全人员可以在相距遥远的地方对数据进行分析。智能仪表中的仪表与单片机融于一体，它可以改变检测的方法，创造出新的测量仪器来，而不像以前的模拟化仪表只能进行设计好的运算方式。

4 智能化仪表的过程控制优化

在我们的实际生产过程中，由于各种限制条件的改变，最优设定值可能在每一个时刻都是不同的。这就需要我们的智能化仪表根据控制量的变化来修改控制过程中的参数。随着微电子技术和优化技术的发展，实时优化（Real Time Optimization）技术可以在微机控制过程中实现，进而对整个生产过程进行优化。

实时优化的概念是十分复杂的，但是我们可以简单的将其分为两类：动态优化控制和稳态设定值优化。

4.1 动态优化控制

动态优化控制：是指调节变量趋近于设定的目标值，其目标值是随时间的变化而变化的，并不是一个定值。这就需要系统优化反馈控制和模型预测控制方法。意味着要改变为最佳的控制算法与控制参数，使得整个系统能够达到使用者预期的要求。

4.2 稳态设定值优化控制

稳态设定值优化：是指操作者设定一个代数方程而非微分方程，系统根据设定的目标要求，考虑当前的约束条件，计算最优的控制参数与算法求最优解稳态设定值。

5 智能化仪表的发展新趋势

在化工行业的自动化控制技术发展中，仪器仪表设备向无线化、高精度化、智能化方向发展是其必然的趋势与方向。随着科学的快速发展，数字化、智能化的化工仪表已经被应用到了各个企业，帮助他们对生产过程的统一管理与分散控制。同时企业通过对员工的信息技术培训，来加快企业的自动化控制建设。因此在化工业仪表自动化控制的过程中，需要企业将自动化仪表与自身的信息技术所结合，强化对于智能化仪表在化工行业过程的管理与控制，通过两者的协同进步，同时完成了信息采集，分析和应用工作，又实现了仪表自动化控制的全面性和准确性。