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化工自動(dòng)化儀表及控制系統的智能化
發(fā)布時(shí)間:
2023-11-30 08:58
隨著(zhù)我國工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)水平的不斷提升,采取多種儀器儀表設備,對化工產(chǎn)品生產(chǎn)流程做出模擬與控制,可以在保證化工產(chǎn)品工藝水平的同時(shí),最大程度避免化工安全隱患、突發(fā)事故的發(fā)生。因而將化工自動(dòng)化儀表設備,與計算機仿真模擬軟件進(jìn)行有效結合,可以對整個(gè)化工產(chǎn)品生產(chǎn)的執行流程、具體環(huán)節,做出自動(dòng)化的控制與優(yōu)化,彌補傳統儀表故障問(wèn)題檢測、電路控制的不足狀況,提高自動(dòng)化儀表控制系統的智能性、靈活性。
1 化工自動(dòng)化儀表的主要組成類(lèi)別概述
化工企業(yè)生產(chǎn)自 動(dòng)化的儀表系統, 通常包含溫度儀表、 壓力儀表、流量?jì)x表、物位測量?jì)x表和在線(xiàn)過(guò)程分析儀表,多種儀表主要用于化工產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,相關(guān)溫度、壓力、溶液液位或氣源等數據信息的監測。
(1) 溫度儀表。溫度儀表作為最常見(jiàn)的化工自動(dòng)化儀表裝置,主要用于化工生產(chǎn)溫度的測定和控制。在化工企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中,利用溫度記錄儀、溫度送變器等儀表裝置,接觸式測量不同時(shí)間段的升 / 降溫度曲線(xiàn),然后在溫度記錄儀、溫度顯示儀、溫度變送器等設備中進(jìn)行顯示,來(lái)保證溫度調節的可控性。
(2) 壓力儀表。不同化工生產(chǎn)環(huán)節中都存在氣壓的變化,如流化床反應器加壓 / 減壓的壓力變化操作,壓力變化會(huì )對化工生產(chǎn)的安全性造成嚴重影響。當前化工企業(yè)使用的壓力儀表,按照工作原理主要分為彈性式、液柱式、活塞式等類(lèi)型,如壓力變送器 HAKK-EKA430A 通常用于對化工生產(chǎn)氣體、液體和水蒸汽等壓力進(jìn)行監測,壓力儀表測量的壓力值范圍在 300 MPa以?xún)龋?儀表量程精度為 ±0.1%。 在完成化工生產(chǎn)壓力值測量后,將其轉變?yōu)?DC 的直流電流信號輸出。
(3) 物位測量?jì)x表。物位測量?jì)x表在化工企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,負責物體溶液、粉粒狀材料液位的測量,以及固體物料顆粒、堆積高度等的測量。通常根據技術(shù)實(shí)現條件的區別,分為電容式、激光式及靜壓式儀表, 可以有效測量塔罐、 槽罐等容器內的液體位置高度。其中測量多種不互相溶解液體、 固體液面位置的儀表裝置, 被稱(chēng)為相界面計, 自 動(dòng)化物位測量?jì)x對化工行業(yè)液位的測量非常精準。
(4) 在線(xiàn)過(guò)程分析儀?;て髽I(yè)生產(chǎn)中不僅涉及到溫度、壓力、物料液位等指標,還存在著(zhù)其他無(wú)法全面監測的參量,因而利用在線(xiàn)過(guò)程分析儀,進(jìn)行多種綜合參量數據的詳細監測和記錄,包括對環(huán)境產(chǎn)生污染的化工物質(zhì)監測。如電磁流量計、浮子流量計、科氏力質(zhì)量流量計、渦輪流量計等流量?jì)x表,可以用于化學(xué)氣體、腐蝕性液體流量介質(zhì)的檢測。
2 計算機化工自動(dòng)化儀表控制系統的組成結構
2.1 化工自動(dòng)化儀表控制系統的組成架構
化工自 動(dòng)化儀表控制系統為單回路的反饋控制系統,通常包含檢測變送器、 測量元件、 控制器、 控制閥、 調節器和執行器等硬件組成, 對某一被控變量進(jìn)行控制, 是實(shí)現化工生產(chǎn)過(guò)程的自 動(dòng)化基本單元,具有投資少、結構簡(jiǎn)單、易于調整等方面優(yōu)勢,能夠滿(mǎn)足化工工業(yè)生產(chǎn)的流程控制要求。
在化工自動(dòng)化儀表檢測、故障分析與反饋控制的執行中,要根據被控變量操縱變量等要素,進(jìn)行不同類(lèi)別化工監測儀表選型,以及儀表供電電路系統、信號及聯(lián)鎖保護系統的設計,對完成設計的自控設備匯總表、電氣設備材料表、電氣設備接線(xiàn)圖做出提交。
如化工混合物分離加工生產(chǎn)的精餾過(guò)程,首先要對參與化工監測、參數控制的設備做出調節,包括選擇化工生產(chǎn)時(shí)間、溫度、 壓力、 液位等過(guò)程質(zhì)量指標, 作為被控變量, 設定合適的調節器、 控制器、 執行器參數, 以及控制儀表裝置安裝、 信號線(xiàn)路連接的準確性。之后為促使化工混合物分離達到規定的純度,還要選取蒸餾塔塔底殘液、 塔頂餾出物濃度, 作為化工儀表測量的被控變量,確定飽和蒸汽的溫度、壓力都為獨立變量。利用以下公式進(jìn)行獨立變量的求解:
式中:F為獨立變量數目;C 和 P 分別化學(xué)平衡時(shí)的組分數、相數。實(shí)際上飽和蒸汽存在著(zhù)氣、液兩相, F=1-2 + 2 = 1。因而選取蒸汽壓力作為化工儀表測量的被控變量,因為壓力測量元件的時(shí)間常數小, 可以有效保證控制系統的投運, 以及化工產(chǎn)品加工生產(chǎn)精餾純度的達標。
2.2 化工自動(dòng)化儀表控制中單片機硬件系統的結構
在自 動(dòng)化儀表系統開(kāi)發(fā)、 功能實(shí)現的控制過(guò)程中, 需要結合計算機 M16C/62 單片機控制技術(shù), 對輸入 / 輸出信號、數模信號轉換、 故障檢測指令等做出控制。當下所使用的 M16C/62單片機硬件系統, 通常由化工自 動(dòng)化儀表傳感器、 時(shí)鐘芯片DS1302、 存 儲 器、 步 進(jìn)電 機驅 動(dòng) 器、 Max202 線(xiàn) 路 驅 動(dòng) 器、PWM 控制放大電路等組成結構,負責對傳輸數據信息的接收、自動(dòng)化處理等任務(wù)執行 。
以上 M16C/62 單片機中存在的多種硬件,如時(shí)間顯示芯片、存儲器、儀表傳感器等,都與 I/O 口進(jìn)行直接連接, 溫度傳感器通過(guò)可編程 I/O 接口, 實(shí)現對化工檢測溫度值的讀取。而在 I/O口作為化工自 動(dòng)化控制電路的輸入端口時(shí),通常選取方向寄存器的 AN0(P10.0)、 RXD0(P6.2)、 RXD1(6.6) 等引腳進(jìn)行輸入。
M16C/62 單片機采取 C 語(yǔ)言編譯器,編制出有關(guān)化工自 動(dòng)化儀表監測、故障問(wèn)題分析、報警指令等的執行程序。通過(guò) C 編譯器 NC30, 將 C 語(yǔ)言源程序轉換為匯編語(yǔ)言源文件, 再經(jīng)由As30 匯編器,生成可執行的系統鍵控程序機器碼。在 M16C/62單片機自 動(dòng)化控制系統上電后, 先啟動(dòng)“ncrt0.a30”的 NC30 程序,使用匯編語(yǔ)言對單片機初始化,包括不同電路單元、 I/O 接口方向的初始設置,以及中斷優(yōu)先等級的設置。
之后開(kāi)啟 4*4 矩陣鍵盤(pán)掃描程序,在定時(shí)方式下執行鍵盤(pán)掃描中斷,每隔 10ms 時(shí)長(cháng)發(fā)送一次中斷請求。同時(shí)系統在接收到用戶(hù)鍵盤(pán)操作后, 響應中斷并運行中斷子程序, 對鍵盤(pán)掃描執行情況做出檢查。最后, 運行自 動(dòng)化控制系統的功能程序模塊,包括日 期讀取、溫度測量、壓力測量、物位測量等的程序,以及多源信號檢測、電機控制和數據存儲程序,通常以信號輸入 /輸出的鍵控方案, 使系統功能控制在各狀態(tài)之間轉移。一般包括 10 個(gè)數字鍵、 6 個(gè)功能鍵, 分別表示不同時(shí)間點(diǎn)的狀態(tài)、鍵碼、次態(tài)等鍵控程序。
3 化工自動(dòng)化儀表控制系統的智能化故障預測、功能實(shí)現
3.1 化工自動(dòng)化儀表的智能化故障預測與定位
不同化工生產(chǎn)中的設備故障智能預測,主要利用自 動(dòng)化儀表對生產(chǎn)運行數據,做出實(shí)時(shí)信號檢測、維護任務(wù)計劃性下發(fā)、故障預測報警和可視化管理。首先化工生產(chǎn)設備的故障預測過(guò)程,分為數據處理、模型自 適應、智能預測等三個(gè)步驟。
(1) 數據處理選取壓力傳感器、液位傳感器,針對整個(gè)化工生產(chǎn)的三相電流、電壓傳輸,以及設備壓縮能力、液位水平及輸出效率的歷史數據, 進(jìn)行各種數據指標的整合分析, 初步構建起故障預測模型。
(2) 模型自適應。依據生成的初步故障預測模型,將生產(chǎn)設備現有的實(shí)時(shí)數據,與故障預測模型數據進(jìn)行匹配、修正,包括多種模型參量的修正,從而最大程度達到預測模型精準度的提升。
(3) 智能預測。通過(guò)化工自 動(dòng)化儀表的數據檢測,以及故障預測模型的不斷學(xué)習自 適應學(xué)習后,進(jìn)行各種化工設備運行故障、發(fā)展趨勢的預測,并對設備的某一部位發(fā)出故障預警。
之后進(jìn)行化工生產(chǎn)自 動(dòng)化監控的故障定位,如對化工石油產(chǎn)出、儲運執行流程的故障定位,要根據石油輸出量、設備啟停次數、運行負荷等指標,通過(guò) DCS 分散控制系統,建立起相應的故障定位模型。在接收到石油輸出量的數據指標后,系統可以借助于化工自 動(dòng)化儀表裝置, 自 主采集事故總信號、 故障電流信號、故障指示信號等數據,進(jìn)行設備啟停狀況的數據分析,以及不同時(shí)段設備功率的定位監測。當化工電子線(xiàn)路在生產(chǎn)運行負荷中,出現不規則電流、電壓情況時(shí),提前對故障點(diǎn)做出定位和預判,并快速切斷故障電流,以防止化工重大安全事故的產(chǎn)生。
3.2 化工自動(dòng)化儀表控制系統功能實(shí)現
化工自動(dòng)化儀表的智能化控制系統中,通常借助于 M16C/62單片機的硬件設備,包括時(shí)鐘芯片 DS1302、存儲器、儀表傳感器、步進(jìn)電機驅動(dòng)器、 Max202 線(xiàn)路驅動(dòng)器、 PWM 控制放大電路等,可以在短時(shí)間內對多項控制功能進(jìn)行高效準確地實(shí)現。
(1)自動(dòng)量程切換。針對不同化工產(chǎn)品生產(chǎn)的實(shí)際狀況,自動(dòng)校正xmz-10數顯溫度、超聲波液位表的測量量程,如不同電流情況下對應的液位滿(mǎn)度、零點(diǎn)數值,降低由零點(diǎn)漂移帶來(lái)的量程測試誤差。
(2) 化工生產(chǎn)多點(diǎn)檢測、干擾排除。利用多種化工自 動(dòng)化儀表傳感器, 以及計算機可編程的控制指令裝置, 進(jìn)行多點(diǎn)數據信息的及時(shí)采集、故障檢測。之后借助于數字濾波器,選擇適合的濾波算法,對周?chē)彘L(cháng)的干擾源信號、信號特征做出分析,以便及時(shí)準確了解化工產(chǎn)業(yè)流程的實(shí)際運行情況。
(3) 數字信號處理及數據交互。采取多層次的數字信號處理、 數據計算方式, 如頻譜分析、 標度變換、 統計整合等數據處理方法,通過(guò) M16C/62 單片機計算機控制平臺,加強不同設備之間化工數據的交互傳播、 共享, 顯著(zhù)提高化工自 動(dòng)化儀表的實(shí)時(shí)數據傳送效率和通信質(zhì)量, 對產(chǎn)生的測量誤差、故障問(wèn)題做出自 動(dòng)分析與修正。
4 結語(yǔ)
現代化工產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展過(guò)程中,引進(jìn)化工自 動(dòng)化儀表系統的控制裝置, 與計算機仿真模擬軟件、 氣動(dòng)執行器硬件進(jìn)行有效結合, 已經(jīng)成為化工企業(yè)安全控制的主要方式。通過(guò)開(kāi)發(fā)計算機化工自 動(dòng)化儀表系統、檢測與控制功能, 對多種儀表裝置進(jìn)行使用及維護,可以在大大節約自 動(dòng)化系統控制成本的同時(shí),降低化工企業(yè)加工執行流程的故障、提高智能化水平,滿(mǎn)足化工產(chǎn)品生產(chǎn)的實(shí)際需求。
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