化工自动化控制关键技术分析

2022-02-24甘学青

化工设计通讯 2022年2期

姚明，甘学青

（青海大学，青海西宁 810000）

化学工业在国民经济体系中占据重要位置，对于我国经济社会的发展起到了重要的推动作用。随着科学技术的进步，化学工业不仅实现了规模的扩展，同时也提升了自身的科学技术水平，但是整体水平依旧和国外化工业存在一定的差异。在国内，一些资源和能源被浪费，资源和能源的实际利用率并不高，这难免会影响化学工业的长远发展。所以要重点探讨化工自动化控制的关键技术，以推动化学工业的可持续发展。

1 化工自动化控制技术概述

化工自动化是化工产品加工的具体环节，需要依靠大量的科学技术手段，也就是要求使用自动化控制技术，尽可能避免人为操作误差的出现。尤其是在产品加工方面，针对流量、温度、压力、仪表液位等关键指标的调控都需要进行计算机编程，通过参数设置来实现高效的控制，确保产品加工能够更加规范化、精准化、标准化[1]。

一般来说，自动化设备组装和运用能够实现部分人工替代目标，这有助于适应高质量化工生产需要，提供生产安全性保障。化工行业一直以来都在为发展经济事业做巨大贡献，化工安全生产也引起了人们高度的关注，而对于存在一定危险性的化工操作流程，不仅会威胁到操作人员的生命安全，对于生产作业效率也会带来较大的负面影响。以往的加工模式已经无法满足时代的需求，现实的生产效率无法得到对应的提升。为了妥善解决问题，必须要做好技术创新工作，最终推动化工业健康快速发展。因此，考虑到化工行业生产作业带有危险性，为了进一步提升化工生产效率，防范安全事故的发生，就需要考虑对化工自动化控制技术的合理使用，增大监管力度，通过合理有效的技术手段和监管避免这类情况的出现。

2 化工自动化控制和通常化工方法之间的差别

相比普通的化工生产方式，化工自动化控制最为明显的差别在于动态与反馈两个方面，找准两者之间的差别能够对化工自动化控制有更直观的理解。

2.1 动态

在控制流程之中，稳态指的是各种各样的工艺所依托的均衡状态。当生产处于稳态的状态下，被意外因素干扰的时候就可能导致偏离稳态的情况出现，最后在控制作用下才能缓慢恢复，这个过程就称之为动态过程。一般来说，出现偏离现象之后无法完全恢复，有继续偏离的可能，也有偏离出全新稳态的可能。大部分工艺设施的设计都需要基于可能出现的最大偏离来进行分析，不能按照稳态进行处理。

2.2 反馈

自动化控制是否成功的关键在于是否反馈消息。在控制系统之中，如果在控制器发生控制动作以后可以直接向控制器传递控制效果，进行对比处理，就可以明确下一步校正，向控制器回传控制效果的流程就是消息反馈[2]。

3 化工自动化控制存有的问题分析

3.1 自动化业务流程不够标准

目前，运用自动化控制模式的大多是独立研发模型，原因主要在于自动化操控模型和独立研发模型进行了信息的交换，工业信息和模型也有互换关系的存在。因此，自动化业务流程对出现混乱的、不标准的情况，尽管各种模型有着自己独立的自动化控制水平，但整体缺乏竞争力，很多时候都不具备设备流程模式和优化流程工艺的条件。

3.2 自动化控制质量管控参数规范性偏差

质量管控存在于自动化控制中，是一个重要流程，要求做好属性与标准的明确，这部分数据在实际的生产活动中就需要加以明确。如客户要求的主要数据信息，实际的化工产品参数标准通常都没有整体性规划，从而使实际的自动化控制过程受到一定的负面影响。

3.3 自动化产业规模偏小

如今化工工艺类型越来越多，科研单位尽管具备一定的科研水平，但往往缺少资金力量，最终导致研发模型通用能力相对较低，并且产业化规模不足，从而导致已经存在的过程模型消耗大量人力与财力，技术产品优化也是如此。并且高级研究人员直接参与产品化程序的研发，耗费大量财力、人力和技术力量。

3.4 自动化控制体系集成管理水平有待进一步加强

在自动化控制体系之中，一般来说都是采取常规化的操作体系，但是这样会导致超过九成的设施难以发挥其作用，研发与普及集成管控能力更强的自动化管控体系，就可以提升其自主优化技术与流程模拟，同时也要求能够增强相关的科研力度。

4 化工自动化控制的关键技术

化工自动化的传统控制模式主要依靠机械或者单一线性程序，但是在实际生产中可能会出现突发情况或者非线性关系，进而无法准确判断程序，需要依靠人工操作的方式进行生产。有时候工作人员不能及时发现程序故障，极有可能引发安全事故，产生经济损失。如今电子信息技术持续发展和更新，化工自动化生产水平和质量得到相应的提升，更多企业纷纷在自动化控制系统里面添加计算机网络设备，以便积极应对复杂的情况。但是大部分化工企业在实施自动化控制的过程中依旧是考虑到传统的PID控制，这就要求进一步加快创新，建立可靠的、先进的控制程序，以此来减轻化工企业的负担，提升经济效益和社会效益。因此，主要探讨了预测控制、人工智能控制、自适应控制、MIS控制、监测模型控制以及紧急停车控制，以便对化工自动化控制关键技术有更全面的了解。

4.1 预测控制

PID控制涵盖定值、随动以及程序等类型不同的传统控制，不过核心机制统一，要通过仪表监测参数指示值和测量值的区别，然后通过负反馈控制系统来加以调整，让测量值和指示值能够保持相互一致。PID控制对应的时间精度要求不高，能发挥更大的作用，然而现代化工产品正逐渐朝着高效化、精密化发展，PID控制存在时间上的滞后性，不能适应产品生产需要。在这一情况下预测控制出现了，基于PID控制进行模型算法的预测，系统在一次负反馈校正之后就可以利用算法进行下一次指示值的自动预估，接下来利用反馈系统把测量值直接调整为预估值水平。最后结合指示值进行预估值的调控，因为指示值与预估值属于相对接近关系，调整速度极大高于PID控制。基于不断的积累提升预测模型算法精度，最终提升系统的整体效率[3]。

4.2 人工智能控制

在21世纪，随着机器学习理论的发展，在理论计算、数据分析等方面取得了惊人的成果，化工行业引入人工智能概念。目前，很多化工企业都尝试添加人工智能程序，以便提升自动化水平。专家系统是较为简单的一种人工智能控制系统，涉及大量理论知识、生产实践经验。当系统在特殊条件下无须人工操作时，就可以直接利用专家系统，基于相应的理论与经验来实现系统参数的合理调整。专家系统既有最初知识信息写入，又能通过专家实现新知识与新内容的不断补充，同时修改错误的、过时的信息[4]。

如国电赤峰3052煤制尿素项目就属于智能制造装备发展的专项项目，属于国电智深公司控制系统在化工领域的首次运用。在项目控制中，按照现实要求涵盖了两个部分：中央控制系统、动力车间控制系统，系统配置如图1所示。利用域管理技术可以科学分解系统处理模块，实现不同功能的接入、隔离，为独立装置监控、全流程集中监控提供支持。

图1 化工项目智能化控制系统图

4.3 自适应控制

传统程序控制系统对应比较简单的算法程序，在工作人员设定好算法之后，系统就根据固定参数算法完成所需操作。在时间的推移中，算法最后会失去效用。有的时候在实际操作中反应器内部环境会有突发性的改变，造成既有算法很难发挥应有效用。所以，传统的程序控制系统在实际的运行中需要配合人工的算法调节，一旦没能第一时间调节，就可能造成原材料的损失，也可能会直接损坏设备。自适应控制系统的出现能够很好地解决这类问题，自适应系统基于传统的程序控制增加了决策控制和环境评估，系统主要是利用仪表对反应器的环境做出综合性评估，然后通过决策程序来产生控制决策，实现系统参数算法的自动调节[5]。

4.4 MIS控制

随着化工自动化技术的不断发展，化工自动化技术必定会渗透到数据采集整理、经营管理、生产决策等多个环节中。就MIS控制系统而言，它本身在化工行业拥有较为广阔的发展前景，通过一体化信息平台，在科学技术的推动下成为自动化控制系统。图2展示的MIS控制系统图，能够实现更为科学的自动化管理，促进化工行业的可持续发展。

图2 MIS控制系统图

4.5 监测模型控制

针对这一环节，具体的化工生产监督涉及对模型的分析，其本身对于保护整个生产链的安全性有至关重要的作用。在化工生产环节使用监控模型技术加以分析，主要是分析实际执行情况，能够提供工具和有关工作人员的其他信息，很多都可以直接进行现实生产情况的用户化处理。只要能够全面把握，快速确定生产设备发生的故障和问题，尤其是在大范围出现的时候，依旧有助于化工生产安全性与可靠性的提升。

在实际控制中，需要对化工生产细节有更准确的理解、把控，提高整个生产环节的安全性、可靠性。通过细致地分析化工生产涉及的每一个环节，知道生产设备的故障和一些安全隐患，以便及时进行挖掘，这样才能够及时发展问题，并且将设备对应的质量风险与安全风险真正解决。

4.6 紧急停车系统控制

在应用自动化控制技术中，运用紧急停车系统是非常关键的，特别是对化工自动化控制有重要意义。为了能够有效地避免安全事故的发生，如果生产设备或者生产装置达到相应标准值，就会触发这一系统，从而避免恶性安全事故的出现[6]。对于化工自动化控制、紧急停车系统，两者是有区别的，前者以连续的、动态的控制为主，做好生产设备监测处理，确保将各项生产指标均控制在合理的标准范畴；后者则以检测关键参数的对应临界值为主，只要设备的参数超过临界值，紧急停车系统即刻进行干预，保证整个生产过程安全可靠。

针对紧急停车系统，其本身主要是结合实际的停车方式，将其直接划分成为全面紧急停车、局部紧急停车、正常停车，以此确保化工生产安全。对于全面紧急停车而言，以由突发意外事件引发的停电停水问题为主；局部紧急停车以由电源损坏或者设备发生故障等引起的问题为主；正常停车是有规律的、有计划的停车现象，以便工作人员能够做好全面的检查与维护。所以，就需要尽可能避免出现太多的中间设备。针对故障安全原则，主要涉及执行单元、检测单元，一旦故障出现，就可能会滋生危险，即刻启动紧急停车系统，以此来规避事故的发生，保证运行效益。