自动控制在化工生产中的应用

自动控制在化工生产中的应用化学工业是国民经济中必不可少的重要组成部分,它不但直接影响国计民生而且与国民经济的其他部门密切相关,同时又是农业、轻工、纺织、国防、交通运输等部门发展的不可或缺的基础工业之一。化工生产过程,往往是在密闭的容器和设备中,在高压、真空、高温、深冷的情况下连续进行的。此外,不少介质还具有毒、易燃、易爆、有腐蚀的性质。因此,为使化工生产正常地、高效地进行,就必须把各项工艺参数维持在某一最佳范围之内,并尽量使生产过程自动化、现代化。一、化工自动化的意义及目的化工生产过程自动化，就是在化工设备、装置及管道上，配置一些自动化装置，替代操作工人的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行。这种部分地或全部地用自动化装置来管理化工生产过程的办法，就称为化工生产过程自动化，简称为化工自动化。自动化是提高社会生产力的有力工具之一。实现化工生产过程自动化的主要目的如下。1、加快生产速度、降低生产成本、提高产品产量和质量。在人工操作的生产过程中，由于人的五官、手、脚，对外界的观察与控制的精确度和速度是有一定限度的。而且由于体力关系，人直接操纵设备的力量也是有限的。如果用自动化装置代替人的操作，.则以上情况可以得到避免和改善，并且通过自动控制系统，使生产过程中最佳条件下进行，从而可以大大加快生产速度、降低能耗、实现优质高产。2、减轻劳动强度、改善劳动条件。多数化工生产过程是在高温、高压或低温低压下进行，还有的是易燃、易爆或有毒、有腐蚀性、有刺激性气味。实现了化工自动化，工人只要对自动化装置的运转进行监控，而不需要再直接从事大量而又危险的现场操作。3、能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命、提高设备利用率、保障人身安全的目的。4、生产过程自动化的实现，能根本改变劳动方式，提高工人文化技术水平，以适应当代信息技术革命和信息产业革命的需要。二、化工自动化的几种方法1、组分推断控制为了保证塔的产品质量，一般采用在线分析仪进行反馈控制，组分推断控制可不用在线分析仪，是根据塔的进料量、压力和温度等参数由计算机快速计算出每一种产品的馏程95%点、90%点和10%点，可精确地进行反馈控制。这种技术可用于催化裂化、加氢裂化、焦化主分馏塔、润滑油真空塔和石油华工分馏塔等，根据规模和能耗不同，典型收益为每年20到200万美元，美国已有70套装置采用。2、多参数预估控制多参数预估控制（IDCOM）是运用现代化控制理论的一种先进控制，主要用于塔及反应器温度控制，和处理难度较大的温度影响动态特性问题。多输入多输出的（IDCOM）控制方法是使塔稳定操作的有效方法，这种方法可采用脉冲响应模型为过程内部动态模型。3、模糊控制和神经网络技术模糊控制技术主要用于滞后大、非线性的石油华工对象。神经网络技术可用于质量预测，与模糊控制技术相结合可用于控制石油华工非线性对象，常规仪表是不能完成这样的控制任务的。当前，在工业发达国家中，都在积极发展在线分析仪和计算机监控的环保设施自动化技术。例如，ICI公司的Witton石油化工厂在排放管网区域选择几个有代表性的位置安放仪表，在线检测温度、PH值和总有机碳量。ICI公司还根据生物需要氧量（BOD）来确定氧消耗量，进而检测出有机物的污染，该公司经过几年的努力，已使BOD减少了75%，并计划再减少50%。ICI公司还用比色仪检测废水废气中的金属离子、氨、磷酸盐、硝酸盐和亚硝酸盐以及用专用仪器监视烟气中的粉尘等。Hartmann和Braun公司安装的气体监视和分析软件包，可用于监视焚烧炉排放的气体，它可从烟气中采样，分析其中的SO2、NO、CO、HCI和固体颗粒。日本出光兴产石油公司千叶炼油厂的污水排放监视系统中设置了PH值、油分、DO、COD等仪器，可集中监视并记录。美国埃克森公司炼油厂在污水生化曝气池出水处设置DO和PH值在线分析仪连续监视，并按DO的检测值调节曝气机的转速。美国SETPOINT公司的公用能源优化应用软件包已在世界十几个工厂中安装使用。它是结合模拟和先进控制来建立一个全厂范围内的能源管理系统，以最低的费用提供能源，它可以分析蒸汽量，优化控制锅炉蒸汽产量，可以直接同过程计算机相连接，在线进行优化控制，可节约能源费用的2%~8%。ABBSimcon公司的能源管理系统（EMS），也是一种优化控制系统。它可以管理和控制工厂能源的发生和分配。它使用优化、能源预测、蒸汽和电力平衡，产汽和发电协调、自适应和预先控制，以达到燃料、产汽控制优化的目的，可以节约5%~10%的能源消耗。三、对化工自动化的建议随着石化工业的发展，对仪表控制系统提出了更高的要求，电动仪表逐步向数字化、智能化方向发展，DCS向现场总线方向发展，计算机系统向网络化、开放化发展。为了进一步发展我国仪表与控制系统。现提出以下几点建议。1重点搞好大型石化工程仪表成套工作大型乙烯厂、炼油厂和化纤厂所用的仪表、控制系统数量大、品种多，而国内配套仪表的品种不全，缺口仪表较多，如高压液位计、高精度流量计、特殊调节阀DCS等都需要进口，有些国产仪表质量还不过关，引进技术仪表国产化率一高则质量就下降。另外，仪表所用辅助材料也不能成套供应。建议针对大型石化装置仪表的需求进行组织攻关，提高质量，提高成套率，促进仪表的发展。2、提高国产DCS可靠性并形成一定的生产规模我国石化生产装置规模大，生产过程复杂，对计算机控制系统要求高，现在国产DCS还不能满足要求，特别是可靠性方面差距较大。因此，石化装置采用的400套DCS大都是引进的，只有8套是国产的，其他分别从国外18家公司引进的，有20种型号。一个石化企业有时用3~5种不同型号的机型。各种机型的通讯网络标准不同，联网困难，也给维护带来不便。我国工业部门使用DCS数量较大，占仪表工程投资比例也高，经济效益明显，因此，建议我国仪表和计算机行业投入强有力的技术人员，提高国产DCS可靠性。DCS软件应解决死机问题，也可以配置国外成熟的组态软件，提高DCS系统的可靠性。近期内，国产中小规模DCS系统可达到取代国外DCS的水平，占领国内一定的市场，如国内HS-2000、JX-300、友力-2000等，这是DCS国产化的曙光。3、加强先进控制应用的研究工作随着计算机控制系统应用的迅速发展，DCS配有先进控制软件，可取得明显的效益。国外石化企业计算机控制系统中配有先进控制方法，主要有多参数预估控制、自适应控制、组分推断空制模糊控制、最佳化控制和故障诊断等取得了较好的效果。国内石化企业所用DCS较多，但有些系统因采用一般控制方法，效益不明显，因此，现已组织开发应用软件。先进过程控制技术效益明显，但技术难度大、投资较高，针对石化企业具体工艺过程，可采用分层次的方法开展工作。（1）局部控制。有些不需要建立复杂模型的先进控制方法：前馈/反馈控制、支路平衡控制、约束控制、解耦控制等，可应用于工艺单元控制，如塔、炉子等进行局部优化控制，以节约能源，提高产品质量，投资少，见效快。（2）装置级控制。应用现代控制理论和其他控制理论如预估控制、模糊控制等进行装置级优化控制，难度大、效益好。重点研究开发乙烯裂解炉转化率及收率的优化控制、乙烯分离塔的预测控制、聚乙烯熔融指数与氢/乙烯比值的控制、聚丙烯的聚合釜出料程序控制、丁二烯萃取塔优化控制、常减压质量预测、催化裂化多参数预测控制等。（3）加强能源管理及优化软件的开发及应用工作。建议仪表计算机控制行业与石化工艺专业人员相结合，组织力量研究开发先进的能源管理及优化控制软件，并逐步形成专业软件公司推广应用。4、用好在线质量分析仪，提高产品质量，实现优化控制为了提高在线质量分析仪应用水平，首先抓好现有的在线质量分析仪的应用，对长期没使用的在线质量分析仪，摸清情况，组织力量，解决仪表的薄弱环节如仪表的预处理系统，使仪表投运。制造商应采用新技术、提高仪表质量。炼油、石油化工装置包括常减压、催化裂化、乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙二醇、苯乙烯、丁二烯等十几套装置设置的在线质量分析仪主要有工业色谱仪（54台）、密度仪（7台）、PH计（75台）、红外线及氧分析仪（49台）、水份分析仪（5台）、电导仪（40台）、聚脂粘度计（12台）、可燃气报警器（360台）及馏程、闪点、蒸汽压、倾点、冰点等分析仪。近期重点搞好在线近红外线分析仪和原油含水分析仪。5、工业PC机的广泛使用，PC机应用于工业自动化是实现低成本自动化的重点途径。我国工业PC机的开发和应用取得了较大的进展。石化企业应用工业PC机对油品储运监控、调合优化控制、计量数据采集、水处理监控以及加热炉节能控制等，已取得较明显的效益。我认为采用工业PC机是生产过程技术改造、技术进步行之有效的措施之一，有些中小规模装置或项目，不一定都采用价格比较高的DCS。6、重视现场智能仪表和现场总线控制系统试点工作根据上述介绍，现场总线有很多优点，但是，现场总线和产品现只是在简单工厂试运行，还未用于比较复杂、规模较大的生产装置，现场总线技术达到安全成熟阶段，也有一个过程。用户真正采用现场总线是有一个逐步过渡的过程。（1）研究从现有模拟仪表系统向FF现场总线全数字系统过渡的方式。国内外都在研究过渡的方式，机械部专家经调研，提出采用HART通讯协议作为先导，逐步向现场总线过渡，是比较稳妥和易被人接受的方式。这种方式是可行的。在石化工程项目进行仪表与控制系统改造时，若考虑企业仪表更新的过渡方式，建议可优先考虑HART协议产品。国外HART协议已使用多年，技术成熟可靠。我们也有使用的经验。（2）密切关注现场总线发展动向及时抓好试点工作。我们有必要及时了解国内外现场总线的发展动向和试用情况，尤其要关心现场总线将会对石化企业自控系统发展的影响。石化企业在制定仪表控制应用、发展规划以及科研开发规划时，建议要考虑现场总线技术的影响，并制定相应的对策，新建项目用DCS时，不应再选老式DCS，应选开放式DCS或选基于PC机的操作站以适应今后的发展。抓好现场总线智能仪表和控制系统的试点工作，以取得经验，指导新技术的应用工作。随着人类迎来知识经济的时代。在知识经济的条件下，社会生产方式、经济活动空间、经济组织形式都将发生深刻的变化。每个企业都只能在知识密集、信息密集的产业链上实现其价值。企业内部的组织形式从金字塔式的管理方式转化为网络化的平面管理。这时，企业的综合信息管理系统的建立和应用就显得更加重要。因此，石化企业的领导应该更加重视发展仪表自动化技术，更好地预见和占有市场，以取得更大的经济效益。