化工自動化控制研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

　　評論：　更新日期：2020年02月18日

摘要：化學自動化控制是一門綜合性的技術(shù)學科，是綜合利用自動控制器儀表學科，以及計算機學科的理論服務于化學工程。本文先介紹了化工自動化控制的的概念和它產(chǎn)生的背景，重點就國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀做了對比分析，總結(jié)了當前自動化發(fā)展中存在的問題并提出了優(yōu)化對策，最后針對自動化儀表與控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢從五個方面做了具體的分析和展望。

關鍵字：自動化化工控制儀表

前言：自動化控制是整個化工行業(yè)發(fā)展中在技術(shù)應用方面的非常重要的組成部分，加強化工自動化建設，不斷提高化工行業(yè)的自動化控制水平是我國化工行業(yè)適應世界化工自動化控制的發(fā)展趨勢，同世界化工行業(yè)技術(shù)與市場接軌的重要措施。實現(xiàn)化工自動化控制，不但有利于提高我國化工企業(yè)的技術(shù)水平和經(jīng)營管理水平，提高勞動生產(chǎn)率，而且有利于化工企業(yè)降低能耗及生產(chǎn)成本，提高化工產(chǎn)品的品質(zhì)，為化工企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益及社會效益。近幾年來，化學工業(yè)企業(yè)的發(fā)展規(guī)模越來越大，技術(shù)水平也越來越高，新材料、新工藝、新技術(shù)的采用范圍越來越廣，再加上自動化控制技術(shù)的實踐及業(yè)界對自動化控制技術(shù)重視程度的提高，化工行業(yè)的自動化控制顯得越來越重要。

1.化工自動化概述

1.1化工自動化控制的概念

（1）化工自動化控制是指在化工企業(yè)的整個生產(chǎn)管理過程中，以化工過程為控制對象，運用自動化控制技術(shù)，采用獨特的控制算法和控制方案，實現(xiàn)控制理論和工程技術(shù)時間的有機協(xié)調(diào)，從原料的加工到成品的產(chǎn)出整個化工過程納入自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對化工過程中對溫度、壓力、流量、液位等模擬量的自動化控制。其特點是在無人直接參與的前提下，利用外部控制設備或裝置使被控對象或過程按照預定規(guī)律自動運行。

（2）實現(xiàn)化工自動化控制不僅需有高質(zhì)量、高品質(zhì)的技術(shù)服務，而且要求含有成套的自動化控制系統(tǒng)。要實現(xiàn)化工自動化控制具體需做到以下幾點：一是采用先進的自動化空著設備及系統(tǒng)，能對溫度、壓力、流量與液位四大過程參數(shù)進行有效控制，比如DCS分散控制系統(tǒng)、PLC可編程序控制器。二是制定出相應科學、合理的實施方案，打造其控制平臺。三是擁有高素質(zhì)操作人員，可對其進行科學管理與操作。

（3）化工自動化控制與一般控制的主要區(qū)別動態(tài)與反饋。一方面，在過程控制中將各種工藝衡算所需要的平衡狀態(tài)看作是穩(wěn)態(tài)，當生產(chǎn)達到穩(wěn)態(tài)時，若出現(xiàn)干擾，控制變量會偏離穩(wěn)態(tài)，但可以在控制作用下回到穩(wěn)態(tài)，這種將受到干擾后偏離穩(wěn)態(tài)又回到穩(wěn)態(tài)的過程稱為動態(tài)過程。另一方面，化工自動化控制的效果與發(fā)展與信息反饋有著密切聯(lián)系。在自動化控制系統(tǒng)中，當控制器采取控制措施后，如果能夠把預期的控制效果信息送回到控制器進行信息數(shù)據(jù)比較，以決定下一步怎樣進行校正。這種控制預期效果信息又重新傳送到控制器的過程稱為反饋。反饋是提高控制質(zhì)量的重要措施，通過改變反饋信息的大小、形式與規(guī)律，對控制質(zhì)量產(chǎn)生不同的影響。

1.2化工自動化控制的產(chǎn)生

自動化控制理論和其他技術(shù)科學一樣，它的產(chǎn)生與發(fā)展主要由人類生產(chǎn)與發(fā)展的需求并由人類已有的技術(shù)和知識水平所決定?？刂浦械囊恍└拍睿绶答?、補償?shù)龋缭凇Ф嗄昵爸袊糯挠嫊r裝置—銅壺滴漏中已有體現(xiàn)。但當時由于生產(chǎn)需求和技術(shù)水平的限制，控制理論并沒有在這古老文明的土地上產(chǎn)生。直到19世紀中，物理學家J.C.Maxwel1才作出關于蒸汽機調(diào)速器穩(wěn)定性分析的著名論文。這是人類歷史上第一篇控制理論的論文。然而，自動控制理論作為一門獨立的學科卻是從20世紀40年代末，二次世界大戰(zhàn)后由N.wiener發(fā)表了他的著名著作“控制論”以后產(chǎn)生并迅速發(fā)展起來的。上世紀30年代以來，自動比技術(shù)首先在電子通訊工程中獲得了驚人的成就，對自動控制理論產(chǎn)生了極大的推動作用。40年代末產(chǎn)生以Nyquist的工作所開創(chuàng)的基于反饋回路的經(jīng)典控制理論，它是以傳遞函數(shù)為基礎，主要適用于單輸入單輸出(SISO)線性定常系統(tǒng)的分析與綜合問題。

從40年代至60年代、經(jīng)典控制理論為生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的設計提供了強有力的理論支持，并達到了相當完善的程度,在這一時期工業(yè)自動化的技術(shù)工具是氣動或電動模擬的儀表或調(diào)節(jié)器。

本世紀60年代一種以設計和分析復雜控制系統(tǒng)的新方法—現(xiàn)代控制理論便應運而生，它是以Bel1man的動態(tài)規(guī)劃理論、Kalman等的最優(yōu)濾波理論和Pontryagin等的極大值原理為標志的建立在狀態(tài)空間上的理論。經(jīng)過近一、二十年的探索，工業(yè)過程自動化已從穩(wěn)定單個工藝變量的SISO系統(tǒng)發(fā)展到著眼于穩(wěn)定整個單元操作運行工況的MIMO系統(tǒng)，進而發(fā)展到生產(chǎn)裝置的優(yōu)化操作及著眼于以市場為導向的集管理與控制為一體的工廠綜合自動化。隨著控制規(guī)模的擴大，自動化帶來的經(jīng)濟效益也顯著增長。

2.化工自動化的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1國內(nèi)現(xiàn)狀

目前我國化工自動化控制技術(shù)涉及很多現(xiàn)代技術(shù)，比如控制理論技術(shù)、儀表技術(shù)、計算機技術(shù)等，利于化工生產(chǎn)實現(xiàn)檢測、控制、管理等，從而增加化工產(chǎn)量、減少消耗、生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品的技術(shù)?；ぷ詣踊刂萍夹g(shù)主要有三大系統(tǒng)組成，即化工自動化軟件、硬件、應用系統(tǒng)。當前的化工自動化控制技術(shù)需以社會與市場為導向，借助科研力量，在實踐過程中有效進行。它主要由化工自動化軟件、硬件、應用系統(tǒng)三大系統(tǒng)組成，并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫m應現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展要求，集管理與控制于一體的計算機集成綜合自動化系統(tǒng)。伴隨著過程控制體系經(jīng)歷的PCS、ACS、CCS、DCS、FCS五次變革，我國化工企業(yè)自動化控制由單體向總體發(fā)展，由獨立子系統(tǒng)向網(wǎng)絡多元化系統(tǒng)發(fā)展，化工自動化控制技術(shù)水平越來越高，使化學工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益得以大大提高。

最近幾年，我們國家的儀表產(chǎn)品的進出口數(shù)量出現(xiàn)了持續(xù)增長的情況，07年國家儀表總產(chǎn)值高達3078億元，銷售額數(shù)高達3005億元；同時，出口額高達678.76億美元。這就使得我們國家的儀表進出口總數(shù)額屬于裝備制造工業(yè)里面最高的行業(yè)之一。與此同時，對于測壓型儀表、顯示型儀表以及簡易調(diào)節(jié)儀等某些比較常用的儀表來說，我們國家已經(jīng)掌握了它們的核心技術(shù)，并且能夠進行自主研發(fā)和創(chuàng)新。

2.2國際形勢

現(xiàn)如今,在智能化、網(wǎng)絡化以及數(shù)字化等技術(shù)的支持下,自動化儀表與控制系統(tǒng)的發(fā)展變得越來越快,并呈現(xiàn)出多功能、高可靠以及高適用等性能。對于現(xiàn)場儀表來說,隨著新型硅傳感器、復合傳感器、光纖傳感器以及MEMS傳感器等的研發(fā)與使用，其精度有了較高層次的改變，例如對于壓力變送器和差壓變送器來說，其級別已從傳統(tǒng)的0.2級提升到了現(xiàn)在的0.075級與0.04級。

由于現(xiàn)代工業(yè)大多朝著高參數(shù)化、大型化、復雜化的趨勢發(fā)展,因此,國外自動化儀表與控制系統(tǒng)的發(fā)展方向主要是高可靠性。他們主要是通過對儀表的設計原理以及設計的結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新,再加上較為成熟的技術(shù)以及加工工藝,使得現(xiàn)場儀表不僅耐用、操作簡單,而且便于維修。國外許多企業(yè)都保證所屬的儀表的保修期能夠高達10年,并給出“終身保修”以及“本質(zhì)無損”的承諾。與此同時,在儀表的生產(chǎn)以及銷售的過程中,隨著現(xiàn)場總線技術(shù)以及智能化技術(shù)的不斷推廣,不僅能夠確保發(fā)現(xiàn)單個產(chǎn)品所具有的,故障,還可以監(jiān)控整個工程中所具有的全部自動化的控制設備,在一定程度上提升了系統(tǒng)運行的可靠性。

目前,國際社會中通過現(xiàn)場總線技術(shù)、智能化技術(shù),可以使得儀表在不斷的發(fā)展過程中迅速判斷出產(chǎn)品的故障具有前瞻性的修護。同時,在現(xiàn)場儀表田生產(chǎn)過程中,由于新技術(shù)、新原理以及新原料的使用,不僅提高了儀表對于不同環(huán)境的適應能力,還提高了儀表耐高溫、耐高壓的能力。

3.我國自動化控制存在的問題及建議

3.1存在問題

3.1.1自動化業(yè)務流程有待規(guī)范

在我國的自動化控制應用中多為獨立開發(fā)模型，因為在自動化控制模型與獨立開發(fā)模型之間的數(shù)據(jù)進行了互換，而且在模型與工業(yè)數(shù)據(jù)之間也進行著交換，因此仍然存在著流程不規(guī)范的混亂情況，各類模型雖然獨立在自動化控制技術(shù)上具有先進水平，但是在總體上卻不具備競爭力多數(shù)缺乏多裝置流程模擬和過程優(yōu)化的一些工藝條件。

3.1.2自動化控制產(chǎn)業(yè)化規(guī)模有待提高

隨著國內(nèi)化工工藝流程日益繁多，一般科研單位雖然具有很強的科研實力，但不具備產(chǎn)品化所需資金，導致所開發(fā)的模型通用性差，產(chǎn)業(yè)化規(guī)模較低，因此將已有過程模型和優(yōu)化技術(shù)產(chǎn)品化需要大量的資金和人力，同時將高級的科研人員用于產(chǎn)品化程序的開發(fā)工作，因此花費了大量的人力物力以及大量技術(shù)人員。

3.1.3自動化控制質(zhì)量控制參數(shù)有待規(guī)范

在自動化控制的質(zhì)量控制中要先確定屬性和指標，這些在試驗生產(chǎn)就應該確定的，比如說就是客戶主要要求參數(shù)，對化工產(chǎn)品參數(shù)不是整一規(guī)劃的并不利于自動化控制對于化工產(chǎn)品質(zhì)量和工藝水平的提高。

3.1.4自動化控制系統(tǒng)集成管理程度有待提高

各模型均為獨立開發(fā)，在模型和模型之間的數(shù)據(jù)交換、模型和工業(yè)實時數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)交換上存在著標準不統(tǒng)一的混亂局面。使得各類模型雖然獨立在技術(shù)上具有先進水平，但尚不具備多裝置流程模擬、先進控制和過程優(yōu)化的條件，在總體上不具有競爭力。

3.1.5模型通用性較差

所開發(fā)的模型往往是針對單獨的企業(yè)的特定裝置而開發(fā)，而國內(nèi)的石化企業(yè)工藝流程種類多，導致所開發(fā)的模型通用性差，推廣應用的適應性不強。

3.1.6產(chǎn)品化能力較差

將已有過程模型和優(yōu)化技術(shù)產(chǎn)品化需要大量的資金和人力，一般科研單位雖然具有很強的科研實力，但不具備產(chǎn)品化所需資金；同時將高級的科研人員用于產(chǎn)品化程序的開發(fā)工作，是人力資源的巨大浪費；產(chǎn)品化工作需要大量中級技術(shù)人員，其工作量是核心技術(shù)開發(fā)的數(shù)倍。

3.2改進措施

今后我國在化工工業(yè)的發(fā)展過程中，將不斷加強應用基礎研究和高新技術(shù)的探索性研究與應用，以尋求新的經(jīng)濟增長點。同時，還將加快信息技術(shù)在化工工業(yè)中的應用，在此過程中，流程模擬、先進控制和過程優(yōu)化技術(shù)及其產(chǎn)品具有舉足輕重的作用。

目前，我國化工的大多數(shù)裝置仍然采用常規(guī)的控制系統(tǒng)，其中90%以上只是采用PID控制，裝置的真正潛力沒有發(fā)揮出來。因此，開發(fā)和推廣流程模擬、先進控制和過程優(yōu)化技術(shù)十分必要也非常迫切。

經(jīng)過多年的攻關和不斷的技術(shù)開發(fā)研究，我國在流程模擬、先進控制和過程優(yōu)化技術(shù)方面已有了一定的開發(fā)、應用的理論和經(jīng)驗積累，為今后進一步的發(fā)展打下了重要的基礎。

4.自動化儀表與控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

4.1智能化

從未來自動化儀表所具有的發(fā)展趨勢來看，智能化將會成為其發(fā)展的核心，而所謂的智能化則主要表現(xiàn)為儀表具有許多種新型的功能。例如從儀表的工控方面來看，傳統(tǒng)的控制算法僅僅是通過調(diào)節(jié)器或者DCS對儀表進行控制，而現(xiàn)如今對于那些具有智能化特點的執(zhí)行器或者變送器來說，我們只要在其中植入一種名為PID的模塊，就能夠與現(xiàn)場儀表一起實現(xiàn)現(xiàn)象的自主調(diào)節(jié)功能，進而完成控制的分散工作，降低DCS主機所需要承擔的負擔，確保調(diào)節(jié)功能的及時性，提高整個系統(tǒng)的可靠性。

4.2高精度化

隨著工業(yè)生產(chǎn)在產(chǎn)品質(zhì)量方面的要求的不斷提高，我們國家的相關政策、文件開始對工業(yè)的節(jié)能減排工作進行了具體的規(guī)定與要求，所以，提高自動化儀表與控制系統(tǒng)所具有的精度需要引起儀表設計以及生產(chǎn)人員的高度重視。

4.3總線化

對于現(xiàn)場儀表來說，我們通常將其稱為在自動化的過程控制系統(tǒng)中所具有的現(xiàn)場設備。隨著我們國家開始廣泛地使用現(xiàn)場總線技術(shù)，組建的集中以及測試系統(tǒng)的分布式也變得越來越容易。然而，集中式的測控已經(jīng)越來越無法滿足現(xiàn)如今的測控任務的要求了，因此，我們需要組建一種網(wǎng)絡，使其能夠滿足各個現(xiàn)場儀表共享數(shù)據(jù)，此時，就形成了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)屬于一種能夠在各種類型的現(xiàn)場智能化儀表和中央控制間進行通信的系統(tǒng)，其具有開放性、數(shù)字化、雙向性以及多站性等特征。

4.4網(wǎng)絡化

采用了網(wǎng)絡數(shù)字化通信技術(shù)的現(xiàn)場總線技術(shù)，使得現(xiàn)場設備和自動化控制系統(tǒng)都融入進了工廠信息網(wǎng)絡中，并成為了信息網(wǎng)絡的底層，充分發(fā)揮了智能化儀表所具有的作用。隨著我們國家信息計算機技術(shù)的高速發(fā)展，將網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)體系作為其基本特征的自動化儀表，是新一代的控制網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢。

4.5開放性

未來，自動化儀表與計算機之間的聯(lián)系將會更加的緊密，一些公司曾經(jīng)指出，儀表的設備需要具有計算機接口，例如打印機接口、接通局域網(wǎng)的網(wǎng)絡接口以及USB接口等，同時，需要進行測量的數(shù)據(jù)應該利用USB接口在一些可以進行移動的存儲設備中進行存儲，進而實現(xiàn)儀表的開放性。

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