仪表自动化在化工工业方面的应用

2024-05-14史占勇

化工管理 2024年12期

史占勇

（中海沥青股份有限公司，山东滨州 256600）

0 引言

随着化工自动化领域科研投入的不断增加，人才培养体系越来越完善，现如今科技成果不断涌现，各式的新型仪表在化工企业不断被应用，传统的仪表逐步被完善升级，新型智能化仪表的重要作用日益凸显。这些变化不仅表现在自动化上，在经济效益上也有所展现。新型自动化仪表的应用，最直接的结果就是减少了人工的体力劳动，将生产人员从繁重的体力劳动中解放出来，提升了生产效率。另外，自动化设备的可靠性高，不容易发生错误，生产的安全稳定性大大提升。仪表设备的自动化操作，节省了大量的人力资源，降低了化工企业的生产成本，同时提升了企业的生产效率，具有很重要的经济意义。虽然自动化仪表使化工企业的生存和发展取得了一定的成绩，但在实际的应用中还存在一些问题，需要不断探讨研究，不断提出应对措施，才能助力化工企业向好发展。因此，结合仪表自动化在化工生产实际应用中面临的问题，提出相关措施，以期对整个自动化行业有所帮助。

1 仪表自动化概述

1.1 仪表自动化基本介绍

化工仪表的自动化就是化工企业在进行生产时，利用自动化控制装置对化工参数、技术指标、产品特征进行自动调节控制，整个生产流程和最终结果能达到预定的设计，很少需要或不需要操作人员干预。化工企业的仪表质量、产量和生产效益，与企业的生存密切相关，几乎所有化工企业都在不断完善升级仪表自动化系统。自动化仪表用于测量化工生产中的压力、温度、液位等物理量，仪表的显示部分能够实现就地显示，方便工作人员及时查看，也可与计算机系统结合，实现测量结果的远距离传输，方便工作人员在控制室查看。自动化仪表可以实现自动化控制，按照预设结果对仪表进行编程，仪表将会按照设定程序进行自我调控，整个生产过程不需要人工干预，不仅节省了人力物力，而且运行结果安全平稳。自动化仪表可以实现生产数据的自动采集、传输和储存，方便操作人员实时查看生产过程，追溯流程的历史趋势，保障企业的安全生产。

1.2 自动化仪表之间的关系

化工企业的生产过程中有很多变量，一个因素的变化可能对整个企业的生产产生重大影响。企业的生产一旦开车成功，需要24 h 不间断运转，消除可能出现的不利因素，才能确保装置安全稳定持续运行。生产过程中各种设备间、仪表间关联程度高，任何一个因素变化都可能带来参数波动，进而给安全生产带来隐患。为此，需要对可能影响生产的重要参数进行自动控制，确保任何时候这些参数出现异常变化时都会通过设定的自动控制进行快速恢复，使生产的各项指标都在正常范围内，以消除安全隐患，生产持续进行。完成这些工作需要测量多种物理量，各类物理量的测量和测量仪表的关系如图1 所示。

图1 各类仪表之间的关系

2 仪表自动化在化工工业中的应用

2.1 测量仪表的分类及应用

对流量、温度、压力、物位物理量进行测量的仪表分别为流量测量仪表、温度测量仪表、压力测量仪表和物位测量仪表，这些仪表可统称为测量性仪表。不同类别的仪表测量化工生产中的不同工艺参数。操作人员可根据工艺参数调节生产，从而生产出合格产品。

2.1.1 温度测量仪表

温度可以催化化学反应，影响生产的各个流程，对化工企业生产尤为重要。温度检测仪表是用于检测石油化工生产中温度这一重要参数，温度检测仪表可分为非接触式温度检测仪表和接触式温度检测仪表，这两种测量方式不同的仪表应用于不同的工作场所且各有优缺点。接触式测量仪表可以直接测量化工生产中-80～600 ℃范围内液体、气体的介质温度，有直观方便、安全可靠、价格低廉等优点。非接触式测量仪表其测温元件不和被测物体接触，有测温响应快、测温范围广等优点，但由于其价格较昂贵，因此在实际生产中以接触式测量仪表使用居多。

2.1.2 压力测量仪表

压力是操作人员尤为关心的数据参数，压力数据异常会直接影响化工企业的安全，因此应将压力这一参数放在很重要的位置上。在实际的生产应用中弹性变形法测量压力应用较为广泛，压力测量仪表内部都会有弹性元件，一定压力作用在弹性元件上就会产生弹性形变，从而产生一定位移，根据其产生的位移大小可测量压力值[1]。在生产现场选择使用压力检测仪表时，要根据实际压力大小选择合适的仪表，仪表的测量范围要大于实测压力的20%～50%，以确保弹性形变在安全可靠的环境下。

2.1.3 物位测量仪表

化工生产中常用的物位检测仪表有差压式物位仪表、浮力式物位仪表、直读式物位仪表、声波式物位仪表、电磁式物位仪表等，这些仪表是根据其工作原理不同而进行分类的。在化工生产中，不同的流程、不同的场合所使用的物位计不同，在储运罐区，综合考虑到储罐的形式和应用成本，浮力式物位仪表和声波式物位仪表使用较多，用于测量储存罐的高度，并方便日后维护保养；在生产车间，现场直读式物位计和各种远传物位计均有使用，便于操作人员现场巡检、满足日常生产需要和中控室观察操作。

2.1.4 流量测量仪表

在化工企业的生产过程中，操作人员要实时掌握生产介质流量来调控生产，包括原料产品流量、中间产品流量和最终产品流量。正是因为生产中需要大量流量类测量仪表，因此催生出市面上多种类型的流量仪表，按照其结构原理可大致分为三种，即质量流量仪表、速度式流量仪表和容积式流量仪表。以质量流量仪表为例，因其测量精度高、抗干扰性强的优点，可应用于装置的原料输入和货场的质量结算等多种场所。

2.2 自动控制系统的应用

2.2.1 自动控制系统的组成

自动控制系统一般主要由控制器、变送器、执行机构和被控对象组成。控制器的主要功能是将被控变量的测量值与给定值进行比较并得出偏差，控制器根据偏差大小进行运算，按照运算结果发出控制信号，送往执行机构。变送器的主要作用是将各种工艺参数如温度、压力、液位、流量等物理量统一转换成标准信号，将这一信号定量后，与给定值比较并得出偏差。执行机构在自动控制系统中所扮演的角色是执行控制器发出的控制信号，改变被调参数，把被调参数控制在所要求的范围内，从而达到生产过程自动化。在自动控制系统中，将需要控制工艺参数的生产设备、机器、一段管道或设备的一部分称为被控对象。自动控制系统的控制过程可由方块图简单表示，如图2所示。

图2 自动控制系统方块图

2.2.2 化工实际应用控制系统实例

某炼化企业仪表自动控制的一部分如图3 所示，其中仪表自控系统包括单回路控制系统和串级回路控制系统两部分。温度控制部分：温度控制为单回路控制系统，当某一因素引起出口物料温度变化时，可将温度变化后的测量值与给定温度进行比较，并送至温度控制器TIC，温度控制器输出后送至控制阀，以改变加热蒸汽量来维持出口物料的温度不变；液位流量控制部分：液位流量控制为串级回路控制系统，当某一因素引起液位变化时，可将液位变化后的测量值与给定液位值进行比较，并送至液位控制器LIC，液位控制器输出值与流量测量值进行比较，并送至流量控制器FIC，流量控制器输出后送至调节阀，达到调控液位和流量的目的。

图3 仪表自动控制图

串级控制系统除具有单回路控制系统的全部功能外，还具有一定的自适应能力、更高的工作频率和更强的抗干扰能力、更好的控制质量。但在实际的生产应用中，由于串级控制系统所使用仪表更多，参数整定更为麻烦，因此一般优先使用简单控制回路。

3 仪表自动化在化工工业应用的注意事项

3.1 仪表方面

3.1.1 提升仪表控制功能

随着现代信息化技术的不断升级，自动化仪表能对生产数据进行精密计算和处理，仪表的精确度和反应速度也有很大程度提高，化工企业在使用自动化仪表时要充分利用智能仪表的控制功能，使其按照预定设置调控生产。将多台智能仪表安装在整个生产流程的不同阶段，通过计算机编程使其组成一个整体，以实现联调联控的目的。提升仪表的控制功能不但能减轻中央控制系统的压力，而且使关键生产节点的反应更加迅速，有助于提升企业的生产效率和安全性，指导企业生产，完善生产方案。

3.1.2 优化现场仪表选择

由于化工生产过程复杂，仪表的应用场地多种多样，在不同的工艺流程阶段、不同的场地所应用的仪表也不尽相同。随着现代科技的不断提升和化工安全生产标准的提高，化工单位对生产工艺参数和控制目标的要求日趋严格，使得仪表种类和质量有了很大进步。不同的工作场合选择适当的现场仪表可以高效完成测量工作，减少或避免仪表发生故障的概率，保障企业不间断生产，增加企业的生产效益，更好地适应市场。在进行现场仪表选择时，应根据工艺要求、管道要求、介质进行综合考量，涉及介质变化大的工艺流程还要考虑量程、材质等因素，避免出现因仪表问题影响企业安全生产的情况。

3.2 人员方面

3.2.1 深化人机结合

仪表自动化为化工企业的生产提供了很大的便利性，但仪表自动化的实现需要仪表人员的设定和编程。从这一角度出发，应深化人机结合，最大程度实现仪表自动化。由于新型仪表的不断涌现，仪表人员在学好基础理论知识的同时，要不断跟随科技潮流，掌握最新的前沿知识，熟悉新型仪表的功能和作用。现代智能化仪表可以设置控制的上下限值、设定声光报警、连接其他仪表等，这些功能的实现能带来极大的便利性，但离不开仪表人员的操控。因此，要深化人机结合，通过技术与人工优势的互补，降低人员对仪表的人工操作频次，减少人工失误，同时提升仪表自动化程度，实现企业生产利益的最大化。

3.2.2 提升巡检质量

随着认识的提高，越来越多的化工企业在设备管理方面进行变革，改变原来陈旧的认识，不断引进更加科学的仪表设备管理理念，把日常巡检放在很重要的位置，要求每个员工都积极参与其中，只有把日常巡检正规化，仪表的维护才能规范化和精细化[2]。在日常生产巡检中，发现不足之处要及时进行科学评估，制定整改方案，及时处理日常巡检所遇到的问题。除此之外，还要对仪表设备进行预防性维修，将有安全隐患的仪表及时更换维护，时刻确保仪表正常和生产安全，并定时进行仪表维护总结，在总结中发现规律，再反馈指导设备的管理。

3.3 系统性方面

3.3.1 进一步提升仪表智能化

仪表向智能化发展是化工企业发展的趋势。随着科技的不断进步，微处理技术和集成电路技术在传统仪表上得到广泛应用，这在一定程度上大大提升了仪表的智能化。智能化仪表相对于传统的仪表而言，性能得到了较大提升，适应性更强，在很大程度上对控制系统的安全隐患进行了有效的分散和降低。化工生产中，如果安装较多的智能化仪表，可以轻松实现人机交换、信息互通，降低操作人员的劳动强度，对各个方面均有积极意义。

3.3.2 进一步提升仪表网络化

近年来，网络技术飞速发展，网络化的化工仪表应运而生。网络化仪表有着很明显的优势，不但具有很好的可扩展性，可与协议相同的仪表组成一个网络体系，还可与办公自动化系统组成一个有机整体，使化工生产的检测和调整越来越及时和便捷，化工企业的生产流程更加安全透明，降低了安全隐患，保障了企业生产。仪表网络化要保障网络安全，生产网络和办公网络要安全隔离，制定安全生产标准，将信息技术的优势赋能企业的高效发展。

3.3.3 进一步提升生产流程自动化

科技的发展为仪表的智能化提供了基础，各类仪表通信协议的统一为化工企业应用扫清了障碍。仪表自动化技术在化工企业的发展中所起的作用越来越重要，化工生产企业应紧跟行业变化和市场发展。各种智能化、可网络化仪表的应用给生产流程的自动化提供了条件，在实现企业效益最大化的情况下，各种自动化仪表广泛应用，仪表间信息互相交互，整个化工生产流程自动控制，既保证了仪表数据传输的精确率，提高了生产效率，又增加了生产系统的稳定性、安全性和抗干扰能力，使仪表保障生产的能力大大提高，提升化工企业在市场上的竞争力。

4 仪表自动化的自我完善

4.1 完善安全防护措施

仪表自动化技术在化工企业得到了广泛应用，对化工企业的发展起到了很大作用，不但节省了大量的人力物力，而且使化工生产越来越安全可靠。仪表操控越来越智能，数据获得越来越方便，但这些科技进步的背后不应忽视安全问题。智能化仪表都离不开微处理器和相关程序，而其容易被病毒攻击，一旦防护措施不力，容易导致整个系统发生瘫痪。完善安全防护措施需要有规范的保障，在生产网与外部网络之间要安装网闸设备，使两个网络既能信息交互又可安全隔离。此外，生产网的节点禁止安插U 盘等外部设备，需拷贝信息要严格遵守网络安全规范，利用专门的光盘进行刻录，并做好记录。有些化工企业只注重自动化仪表的使用，对安全疏于防范，没有制定仪表安全防护规范标准，可能造成行业机密信息泄露，危及企业发展。

4.2 完善仪表升级的资金问题

化工企业的仪表设备完成自动化转型不是一蹴而就的，是一个循序渐进的过程，在这一过程中要注重资金的分配问题，有计划地完成仪表升级。未来，自动化仪表广泛应用于化工企业是一种必然趋势，传统的化工企业面临着很大压力，这些压力一方面来自智能化仪表的价格普遍昂贵，大面积更换需要更多资金；另一方面企业更换仪表时势必会影响生产，影响企业收益。这些不利因素需要企业做好统筹，按照需求分批次更新仪表，逐步完成升级，仪表更换最好选择在装置检修期间，尽量做到不影响生产。化工企业要做好生产规划，企业发展要与科技同步，统筹好资金分配，有利于企业可持续发展。

4.3 完善数据传输效率不理想问题

智能化仪表助力化工企业实现自动化生产，整个生产流程的自动化一方面减轻了生产人员的工作压力，一方面为企业带来了利益。但是，智能化仪表随着生产会生成大量的基础数据，日积月累的储存会导致存储空间不足，影响传输效率，从而影响生产，一套良好的生产系统在运行几年后会在稳定性、安全性和抗干扰性等方面出现隐患。因此，完善数据传输的效率问题，需做好生产数据储存，技术人员可以定期对生产数据进行刻录，对时间较久远的信息进行循环覆盖，为数据传输留下空间。

4.4 完善仪表国产化不足

化工行业是我国的基础性产业，在我国经济中处于战略性地位，仪表是化工企业的眼睛，对化工生产的重要性不言而喻，因此必须将核心技术掌握在自己手中。随着经济的发展和科学技术的不断进步，国产化仪表有了很大程度的改善，在各方面也有了应用，但就目前化工仪表的实际现状而言，精密仪表的国产化不足，尚有一部分设备依赖进口，存在出现 “卡脖子” 现象。因此，必须加大技术投入和人才培养，设计出在国际上有竞争力的仪器仪表，让有科技含量的 “高、精、尖” 仪表逐步国产化，同时在国际市场上占据一定份额，让国产仪表走出去。