化工过程控制中智能化仪表的应用研究

2020-04-13陈素丽

通信电源技术 2020年4期

陈素丽

（福建省雄伟安全技术咨询有限责任公司，福建泉州 362012）

0 引言

当前化工过程控制中，仪器仪表体现出非常明显的优势，也因此成为化工过程控制的重要设备。随着化工生产规模的不断扩大，生产技术及控制面临更高的要求。特别是在行业自动化转型的当下，实现化工过程自动化控制非常重要。在这一前提下，智能化仪表作为化工行业生产控制的必要装置，得到广泛应用。本文围绕智能化仪表在化工过程控制中的有效应用展开分析。

1 智能化仪表内部构造

智能化仪表主要包括硬件系统与软件系统。硬件系统内部有微处理器（又称单片微型计算机，即单片机）、过程信号输入/输出通道、存储器、人机接口电路、通信接口电路等，如图1 所示。微处理器（见图2）主要负责分析采集数据，将分析所得结果传输至存储器内，过程信号输入/输出通道负责输入输出模拟信号及开关量信号，人机接口电路则是在操作者和仪表之间建立联系，其中包括仪表键盘及显示器。通信接口用于连接智能仪表和计算机，技术人员利用数据通信口完成数据的实时传输，达到控制仪器仪表的目的[2]。

其中选择微处理器要分析性能，具体如下。（1）AT89C52 型微处理器。其中包括三个定时器、六个中断源；（2）ADuC831 型微处理器。该单片机中包括AT89C52 的所有资源，片内扩展2 KB 数据XRAM 在外部数据储存空间中占据低2 KB 空间，且需要通过MOVX 指令完成访问。4 KB 片内包含EEPROM 数据存储器。

图1 智能化仪表硬件结构

图2 单片机结构图

软件系统从应用角度可分为监控程序和接口管理程序两部分，内部有初始化程序、检测程序、功能模块、中断程序等。初始化程序的作用是在上电后初始化所有模块，并对其进行检测，确保其处于正常运行状态。如果检测过程发现系统不存在异常，提示技术人员可以继续操作。检测程序负责采集技术人员所需数据，并且进行数据的传输、管理。功能模块可同时处理多路检测数据。中断程序的作用有两点，一个是仪器仪表运行期间如果发生意外，要立即停止运行；另一个是在智能计算环节有立即停止当前任务、转向其他工作的功能。软件系统内的各个功能模块负责数据传输与控制，需要和微处理器、存储器搭配运行。

化工过程控制中智能化仪表内部还包含预处理电路。预处理电路的作用是将输入信号运算放大、整形、补偿处理，再利用模数转换器，转变模拟信号格式，使其能够被微处理器识别，利用串口写入数据到寄存器当中，将有价值的数据进行储存。CPU 会分析、处理储存的参数，按照不同类型将其存储到RAM 内部，通过相应的寄存器在显示器上显示，从而满足化工过程控制的需要。

2 智能化仪表应用的优势

第一，精准度高。在新环境下，化工生产工艺越来越复杂，测量所得数据与控制参数越来越多[1]。以往应用的测控仪表是通过模拟电路的方式进行计算，无法保证计算结果的准确性，并且这种模拟算法也存在一些限制，精度不高。应用智能化仪表，在仪表硬件结构中增设微型计算机与微处理器，并且通过智能化数字电压表准确测量输入信号，发挥数字电路、存储器的优势，除了可以更高效率的完成计算外，还能够获得准确的计算结果。图3 为智能化数字电压表运行原理图。

图3 智能化数字电压表运行原理图

第二，数据采集与处理效率高。化工生产、管理、控制过程中，为了全面提升信息化能力，需要采用工业大数据技术与智能化工设备，这样数据处理能力也随之提升。此外，仪表总线和通信总线的传输速率不断提高，对于化工生产数据采集的实时性提供了很大的帮助。所以，通过智能化仪表进行数据采集与分析，一方面可以实时掌握化工生产进度与能源消耗情况，另一方面也为化工企业提供准确的数据支持。

第三，多功能化。多功能本身就是智能化仪表的一个特点。例如，化工生产现场需要同时检测蒸汽温度、压力、流量，并且要求流量尽可能精确，此时采用温压补偿型流量计，可得到更加精确的流量检测值，同时仪表可输出多路检测信号，减少现场温度、压力仪表方面的费用。

第四，小型化及微型化。当今化工生产尤其是精细化工生产对控制要求越来越多，因此现场智能仪表数目大幅提高。智能仪表的小型化及微型化可以节省大量空间，同时对设备及管道的布置提供了更大的便利。

3 智能化仪表在化工过程控制中的应用

3.1 在人机界面结合中应用

智能化仪表独特的人机接口功能已被广泛应用于化工过程控制中，通过仪表本身的触摸屏及键盘按键等方式，对过程控制参数进行实时监视及控制[3]。智能化仪表在化工过程控制中的应用，除了仪表本身，还要安排专门人员负责操作，才能够将设备本身的价值发挥出来。当今化工生产中，很多装置虽然采用了智能化仪表，但仪表的很多功能并未被有效利用。所以，化工企业运用智能化仪表，就必须针对相关技术人员展开培训，提高专业能力，充分实现人机结合，从而提高智能化仪表的利用率。

3.2 在DCS 系统中应用

化工生产中的DCS 系统过程控制是从20 世纪开始，随着计算机技术的提高，DCS 系统的操控、管理、通信及硬件水平也显著提升。DCS 系统的快速发展对现场仪表也提出了更高的要求。智能化仪表作为DCS系统中必不可少的部件，其中包含诸多智能化仪表，由此组成全方位的多智能化仪表控制系统。该系统中主要有管理级、控制级及现场级三种类型。现场级智能化仪表的协议相互连接，可以直接对化工生产过程发挥作用，提取生产过程中产生的信息，为化工生产过程控制提供支持。

3.3 在现场总线控制系统中应用

在DCS 系统的基础上进行升级与创新可以获得现场总线控制系统，这在化工过程控制领域属于比较先进的控制方法。智能化仪表在该系统中运用，可以将化工生产范围内的所有现场级智能化仪表转变为网络节点，并且有效连接这些节点，将化工企业内部信息在过程控制现场的设备中拓展，管理人员在过程控制现场实施智能化仪表的在线参数整定，并且诊断故障，掌握实时运行进度。如果分析发现过程控制现场需要增加智能化仪表，要将其直接挂接于原总线，不需要再增加其余组件。化工生产中应用智能化仪表，也可以与PLC 系统结合，通过系统内部的ControlNet、Profibus、FF 总线对智能化仪表功能进行创新。现场总线智能化仪表在嵌入式软件的帮助下，具备协调操作、非线性补偿以及自动校准等功能，将现代化工过程控制、功能进行分散处理，提高化工过程控制水平[4]。

3.4 在工业以太网控制系统中应用

工业以太网属于一种新控制技术，在化工生产控制领域得到广泛应用，尤其是管理层、控制层、现场设备层中。开发工业控制网络、信息网络，并将这两其统一，得到以Web 浏览器为载体的智能化仪表。这一类型的仪表可以实现EPA（Ethernet for Plant Automation）网络通信，与高精度智能化变送器结合，在化工过程控制中应用可以获得非常理想的效果。例如某化工企业在自动控制系统研发与生产中，便应用了有DP9 接口的TR700 型仪表。该仪表和PLC、UNI800C、UNI900 挂接，开发Profinet 工业以太网、Ethernet/IP 工业以太网等多样化控制系统，能够实时监督化工生产过程。