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化工自动化仪表及控制系统的智能化

发布时间:

2023-11-30 08:58

随着我国工业生产自动化技术水平的不断提升,采取多种仪器仪表设备,对化工产品生产流程做出模拟与控制,可以在保证化工产品工艺水平的同时,最大程度避免化工安全隐患、突发事故的发生。因而将化工自动化仪表设备,与计算机仿真模拟软件进行有效结合,可以对整个化工产品生产的执行流程、具体环节,做出自动化的控制与优化,弥补传统仪表故障问题检测、电路控制的不足状况,提高自动化仪表控制系统的智能性、灵活性。

1 化工自动化仪表的主要组成类别概述

化工企业生产自 动化的仪表系统, 通常包含温度仪表、 压力仪表、流量仪表、物位测量仪表和在线过程分析仪表,多种仪表主要用于化工产业生产过程中,相关温度、压力、溶液液位或气源等数据信息的监测。

(1) 温度仪表。温度仪表作为最常见的化工自动化仪表装置,主要用于化工生产温度的测定和控制。在化工企业产品生产过程中,利用温度记录仪、温度送变器等仪表装置,接触式测量不同时间段的升 / 降温度曲线,然后在温度记录仪、温度显示仪、温度变送器等设备中进行显示,来保证温度调节的可控性。

(2) 压力仪表。不同化工生产环节中都存在气压的变化,如流化床反应器加压 / 减压的压力变化操作,压力变化会对化工生产的安全性造成严重影响。当前化工企业使用的压力仪表,按照工作原理主要分为弹性式、液柱式、活塞式等类型,如压力变送器 HAKK-EKA430A 通常用于对化工生产气体、液体和水蒸汽等压力进行监测,压力仪表测量的压力值范围在 300 MPa以内, 仪表量程精度为 ±0.1%。 在完成化工生产压力值测量后,将其转变为 DC 的直流电流信号输出。

(3) 物位测量仪表。物位测量仪表在化工企业生产过程中,负责物体溶液、粉粒状材料液位的测量,以及固体物料颗粒、堆积高度等的测量。通常根据技术实现条件的区别,分为电容式、激光式及静压式仪表, 可以有效测量塔罐、 槽罐等容器内的液体位置高度。其中测量多种不互相溶解液体、 固体液面位置的仪表装置, 被称为相界面计, 自 动化物位测量仪对化工行业液位的测量非常精准。

(4) 在线过程分析仪。化工企业生产中不仅涉及到温度、压力、物料液位等指标,还存在着其他无法全面监测的参量,因而利用在线过程分析仪,进行多种综合参量数据的详细监测和记录,包括对环境产生污染的化工物质监测。如电磁流量计、浮子流量计、科氏力质量流量计、涡轮流量计等流量仪表,可以用于化学气体、腐蚀性液体流量介质的检测。

2 计算机化工自动化仪表控制系统的组成结构

2.1 化工自动化仪表控制系统的组成架构

化工自 动化仪表控制系统为单回路的反馈控制系统,通常包含检测变送器、 测量元件、 控制器、 控制阀、 调节器和执行器等硬件组成, 对某一被控变量进行控制, 是实现化工生产过程的自 动化基本单元,具有投资少、结构简单、易于调整等方面优势,能够满足化工工业生产的流程控制要求。

在化工自动化仪表检测、故障分析与反馈控制的执行中,要根据被控变量操纵变量等要素,进行不同类别化工监测仪表选型,以及仪表供电电路系统、信号及联锁保护系统的设计,对完成设计的自控设备汇总表、电气设备材料表、电气设备接线图做出提交。

如化工混合物分离加工生产的精馏过程,首先要对参与化工监测、参数控制的设备做出调节,包括选择化工生产时间、温度、 压力、 液位等过程质量指标, 作为被控变量, 设定合适的调节器、 控制器、 执行器参数, 以及控制仪表装置安装、 信号线路连接的准确性。之后为促使化工混合物分离达到规定的纯度,还要选取蒸馏塔塔底残液、 塔顶馏出物浓度, 作为化工仪表测量的被控变量,确定饱和蒸汽的温度、压力都为独立变量。利用以下公式进行独立变量的求解:

式中:F为独立变量数目;C 和 P 分别化学平衡时的组分数、相数。实际上饱和蒸汽存在着气、液两相, F=1-2 + 2 = 1。因而选取蒸汽压力作为化工仪表测量的被控变量,因为压力测量元件的时间常数小, 可以有效保证控制系统的投运, 以及化工产品加工生产精馏纯度的达标。

2.2 化工自动化仪表控制中单片机硬件系统的结构

在自 动化仪表系统开发、 功能实现的控制过程中, 需要结合计算机 M16C/62 单片机控制技术, 对输入 / 输出信号、数模信号转换、 故障检测指令等做出控制。当下所使用的 M16C/62单片机硬件系统, 通常由化工自 动化仪表传感器、 时钟芯片DS1302、 存 储 器、 步 进电 机驱 动 器、 Max202 线 路 驱 动 器、PWM 控制放大电路等组成结构,负责对传输数据信息的接收、自动化处理等任务执行 。

以上 M16C/62 单片机中存在的多种硬件,如时间显示芯片、存储器、仪表传感器等,都与 I/O 口进行直接连接, 温度传感器通过可编程 I/O 接口, 实现对化工检测温度值的读取。而在 I/O口作为化工自 动化控制电路的输入端口时,通常选取方向寄存器的 AN0(P10.0)、 RXD0(P6.2)、 RXD1(6.6) 等引脚进行输入。

M16C/62 单片机采取 C 语言编译器,编制出有关化工自 动化仪表监测、故障问题分析、报警指令等的执行程序。通过 C 编译器 NC30, 将 C 语言源程序转换为汇编语言源文件, 再经由As30 汇编器,生成可执行的系统键控程序机器码。在 M16C/62单片机自 动化控制系统上电后, 先启动“ncrt0.a30”的 NC30 程序,使用汇编语言对单片机初始化,包括不同电路单元、 I/O 接口方向的初始设置,以及中断优先等级的设置。

之后开启 4*4 矩阵键盘扫描程序,在定时方式下执行键盘扫描中断,每隔 10ms 时长发送一次中断请求。同时系统在接收到用户键盘操作后, 响应中断并运行中断子程序, 对键盘扫描执行情况做出检查。最后, 运行自 动化控制系统的功能程序模块,包括日 期读取、温度测量、压力测量、物位测量等的程序,以及多源信号检测、电机控制和数据存储程序,通常以信号输入 /输出的键控方案, 使系统功能控制在各状态之间转移。一般包括 10 个数字键、 6 个功能键, 分别表示不同时间点的状态、键码、次态等键控程序。

3 化工自动化仪表控制系统的智能化故障预测、功能实现

3.1 化工自动化仪表的智能化故障预测与定位

不同化工生产中的设备故障智能预测,主要利用自 动化仪表对生产运行数据,做出实时信号检测、维护任务计划性下发、故障预测报警和可视化管理。首先化工生产设备的故障预测过程,分为数据处理、模型自 适应、智能预测等三个步骤。

(1) 数据处理选取压力传感器、液位传感器,针对整个化工生产的三相电流、电压传输,以及设备压缩能力、液位水平及输出效率的历史数据, 进行各种数据指标的整合分析, 初步构建起故障预测模型。

(2) 模型自适应。依据生成的初步故障预测模型,将生产设备现有的实时数据,与故障预测模型数据进行匹配、修正,包括多种模型参量的修正,从而最大程度达到预测模型精准度的提升。

(3) 智能预测。通过化工自 动化仪表的数据检测,以及故障预测模型的不断学习自 适应学习后,进行各种化工设备运行故障、发展趋势的预测,并对设备的某一部位发出故障预警。

之后进行化工生产自 动化监控的故障定位,如对化工石油产出、储运执行流程的故障定位,要根据石油输出量、设备启停次数、运行负荷等指标,通过 DCS 分散控制系统,建立起相应的故障定位模型。在接收到石油输出量的数据指标后,系统可以借助于化工自 动化仪表装置, 自 主采集事故总信号、 故障电流信号、故障指示信号等数据,进行设备启停状况的数据分析,以及不同时段设备功率的定位监测。当化工电子线路在生产运行负荷中,出现不规则电流、电压情况时,提前对故障点做出定位和预判,并快速切断故障电流,以防止化工重大安全事故的产生。
3.2 化工自动化仪表控制系统功能实现

化工自动化仪表的智能化控制系统中,通常借助于 M16C/62单片机的硬件设备,包括时钟芯片 DS1302、存储器、仪表传感器、步进电机驱动器、 Max202 线路驱动器、 PWM 控制放大电路等,可以在短时间内对多项控制功能进行高效准确地实现。

(1)自动量程切换。针对不同化工产品生产的实际状况,自动校正xmz-10数显温度、超声波液位表的测量量程,如不同电流情况下对应的液位满度、零点数值,降低由零点漂移带来的量程测试误差。

(2) 化工生产多点检测、干扰排除。利用多种化工自 动化仪表传感器, 以及计算机可编程的控制指令装置, 进行多点数据信息的及时采集、故障检测。之后借助于数字滤波器,选择适合的滤波算法,对周围村长的干扰源信号、信号特征做出分析,以便及时准确了解化工产业流程的实际运行情况。

(3) 数字信号处理及数据交互。采取多层次的数字信号处理、 数据计算方式, 如频谱分析、 标度变换、 统计整合等数据处理方法,通过 M16C/62 单片机计算机控制平台,加强不同设备之间化工数据的交互传播、 共享, 显著提高化工自 动化仪表的实时数据传送效率和通信质量, 对产生的测量误差、故障问题做出自 动分析与修正。

4 结语

现代化工产业生产与发展过程中,引进化工自 动化仪表系统的控制装置, 与计算机仿真模拟软件、 气动执行器硬件进行有效结合, 已经成为化工企业安全控制的主要方式。通过开发计算机化工自 动化仪表系统、检测与控制功能, 对多种仪表装置进行使用及维护,可以在大大节约自 动化系统控制成本的同时,降低化工企业加工执行流程的故障、提高智能化水平,满足化工产品生产的实际需求。

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