張冬良

（福建龍凈脫硫脫硝工程有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

自動化儀表作為正常生產(chǎn)運行的關鍵設備，其對工業(yè)生產(chǎn)高效、安全具有直接的影響。隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化要求逐漸提高，自動化儀表應用范圍逐步擴大，工業(yè)生產(chǎn)過程中自動化儀表配置及過程控制技術(shù)應用深度決定了企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平的高低。在自動化儀表及過程控制系統(tǒng)支持下，可實現(xiàn)對各類裝置設備運行狀態(tài)進行實時控制，并通過數(shù)據(jù)分析對裝置異常狀態(tài)進行實時診斷，從而提高工業(yè)生產(chǎn)效率。

1 自動化儀表分類及其應用特點

自動化儀表種類較多，按照被測對象可分為溫度儀表、壓力儀表、物位儀表、流量儀表等等。自動化儀表主要包括以下幾個部分：傳感器、變送器、顯示屏、執(zhí)行器。工業(yè)生產(chǎn)過程中被測對象原始數(shù)據(jù)由傳感器實時采集，變送器將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標準信號以便接入控制系統(tǒng)，同時在顯示屏上展示測量數(shù)值。對于調(diào)節(jié)型儀表，可通過執(zhí)行器對控制命令進行響應，從而調(diào)整生產(chǎn)工況[1]。

1.1 溫度儀表

工業(yè)生產(chǎn)過程中需對各裝置、設備工作溫度進行實時監(jiān)測，確保裝置、設備運行在設計溫度范圍內(nèi)，避免發(fā)生安全事故。對溫度控制要求較高的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，將溫度控制在最優(yōu)區(qū)間內(nèi)，有利于降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量，因此選用的溫度檢測儀表必須可靠、精確。目前工業(yè)生產(chǎn)中使用較為普遍溫度儀表包括熱電阻、熱電偶。熱電阻的工作原理是在溫度作用下，感溫元件的電阻值隨溫度變化而變化，溫度與電阻值成線性關系，精度較高，其主要由感溫元件、外保護管、接線盒、固定裝置組成，如圖1熱電阻構(gòu)成示意圖。熱電偶的工作原理是兩種不同成分的導體兩端焊接后形成回路，當兩端存在溫差時，回路電子流動產(chǎn)生電動勢，其電動勢只與導體材質(zhì)、溫度差相關，由此可測的溫度值。在實際應用中，現(xiàn)場溫度低于500℃時選用熱電阻測量可保證較高測量精度，在高溫區(qū)測量溫度則推薦采用熱電偶。

圖1 熱電阻構(gòu)成示意圖

1.2 壓力儀表

工業(yè)生產(chǎn)過程中，對壓力監(jiān)測的重要性不亞于溫度。壓力儀表從類型上可分為差壓儀表、表壓儀表、絕壓儀表。壓力儀表主要由測量元件本體、過程連接、隔離膜片、壓感器、表頭等組成，被測介質(zhì)壓力經(jīng)過程連接傳遞至測量元件上，進而經(jīng)隔離膜片及填充液作用在壓感器上，從而測得壓力值。在壓力儀表選型時，除儀表精度、測量壓力范圍外，量程比也是壓力儀表的重要參數(shù)，其決定了實際可設量程及實際應用精度。同時，表壓儀表在具體應用時應考慮當?shù)卮髿鈮杭竟?jié)性變化對表壓儀表零點漂移的影響。選用帶Hart協(xié)議的壓力儀表，即在4～20mA信號上疊加Hart信號，可便于通過Hart手操器現(xiàn)場調(diào)試、維護。

1.3 物位儀表

工業(yè)生產(chǎn)過程中，與溫度、壓力測量相比，物位的測量要更為復雜，其測量與被測介質(zhì)物理性質(zhì)、狀態(tài)、倉儲環(huán)境密切相關，因此物位儀表的種類也紛繁復雜。從應用類型上物位儀表可分為物位開關、連續(xù)物位計。根據(jù)測量原理，物位開關包括振棒式物位開關、音叉式物位開關、阻旋式物位開關、射頻導納物位開關等；連續(xù)物位計包括雷達物位計、超聲波物位計、重錘式物位計等。

以振棒式物位開關為例，其主要由探桿、振動元件、電子傳感器組成，振動元件由電路驅(qū)動，當被測介質(zhì)與探桿接觸時，振幅發(fā)生變化，電子傳感器對振幅變化進行分析并轉(zhuǎn)換成開關信號。在實際應用選型時，應重點關注諧振頻率、最小介質(zhì)密度參數(shù)。同時，靈敏度可調(diào)、延時報警等功能可適應物料種類頻繁變化工況，并消除虛假報警。雷達物位計由天線系統(tǒng)發(fā)射微波到被測介質(zhì)上，經(jīng)被測介質(zhì)表面反射后被天線系統(tǒng)接收，通過微波發(fā)射與接收的時間差計算出物料與物位計之間的距離，進而獲得物料高度。隨著測量技術(shù)的發(fā)展，雷達物位計天線系統(tǒng)從喇叭口天線到平面天線、微波頻率從20GHz低頻到80GHz甚至100GHz高頻、從脈沖波到連續(xù)波，其測量精度明顯提升，應用范圍大幅擴大。在實際應用選型時，除測量精度外，應重點關注波速角是否與物料倉匹配，最小介電常數(shù)是否與物料性質(zhì)相符。同時，對于有揚塵的工況，增加外吹掃可以避免物料粘附，延長物位計的維護周期。

1.4 流量儀表

工業(yè)生產(chǎn)過程中，流量測量對象包括液、氣、汽，根據(jù)測量對象的性質(zhì)、工藝條件、精度要求采用不同類型的流量儀表。典型的液體流量儀表包括電磁流量計、渦街流量計等；氣汽流量儀表包括孔板流量計、轉(zhuǎn)子流量計、巴類流量計等。對于中小管徑液體流量測量，電磁流量計是比較常用的儀表，其管內(nèi)無阻流及活動部件，因此不會造成額外的能量損失、不會堵塞，特別適合液固兩相流體，但不適用導電性能較低的液體，如除鹽水。

2 自動化儀表與過程控制系統(tǒng)的集成應用

工業(yè)生產(chǎn)是一系列生產(chǎn)設備協(xié)同工作的流程作業(yè)，工藝控制上存在高度耦合的現(xiàn)象，對技術(shù)人員的要求比較高。隨著現(xiàn)代工業(yè)精細化、大型化，引入過程控制系統(tǒng)實現(xiàn)半自動或全自動化生成已經(jīng)成為必然的選擇。作為過程控制系統(tǒng)的“眼睛”，自動化儀表提供了一切控制所需的原數(shù)據(jù)，因此自動化儀表與過程控制系統(tǒng)集成應用是提高工業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定性和安全性最有效方式之一，其主要體現(xiàn)在以下幾方面：

2.1 數(shù)據(jù)傳輸與處理

自動化儀表與過程控制系統(tǒng)之間采用IEC國際標準信號傳輸保證了現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時性、完整性，其信號類型包括數(shù)字量信號、模擬量信號兩大類。信號傳輸介質(zhì)通常采用帶屏蔽層的銅芯電纜，在電磁干擾比較強的現(xiàn)場應考慮采用分屏+總屏的計算機電纜，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。在控制系統(tǒng)側(cè)，用于與自動化儀表進行數(shù)據(jù)交換的模塊為IO卡件，包括AI卡件、AO卡件、DI卡件、DO卡件及特殊通訊卡件等。為增加系統(tǒng)安全性和可靠性，模擬量卡件的每個通道都有各自的A/D或D/A轉(zhuǎn)換器，所有輸入和輸出都配置光或電隔離，且具有防抖動濾波處理功能。數(shù)字量卡件采用繼電器隔離輸出以便直接驅(qū)動現(xiàn)場定位器、電磁閥、執(zhí)行器等自動化儀表，繼電器觸點容量應與現(xiàn)場儀表相適應。過程控制系統(tǒng)中的SCADA可長期存儲現(xiàn)場自動化儀表產(chǎn)生的全部數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析、事故追溯提供所需的歷史數(shù)據(jù)[2]。

2.2 控制邏輯編程

自動化儀表與過程控制系統(tǒng)的集成應用還體現(xiàn)在控制邏輯編程方面。計算機硬件和軟件編程技術(shù)在工業(yè)儀表中發(fā)展及普及，為集散控制系統(tǒng)優(yōu)化升級提供助力。過程控制系統(tǒng)以可編程控制器為中心，通過與之配套的軟件，以圖形化的方式對各種設備、儀表進行編程，使復雜的工藝流程控制得以實現(xiàn)。對于比較重要的工藝系統(tǒng)，可編程控制器通常按一用一備冗余配置，任一控制器的故障都完全不影響工藝系統(tǒng)安全及現(xiàn)場儀表運行。通過控制邏輯編程，進一步優(yōu)化現(xiàn)場設備及自動化儀表的運行方式，使得控制更精確，工藝參數(shù)更合理[3]。

2.3 高級控制功能

基礎的過程控制主要以單個儀表或設備為控制對象，即實現(xiàn)儀表設備的單操功能。隨著工業(yè)應用大型化、復雜化，以工藝子系統(tǒng)或成組設備為被控對象的聯(lián)動操作逐漸成為主流需求，即過程控制系統(tǒng)高級控制功能。高級控制功能包括前饋控制、反饋控制、模糊控制及以特定工藝為控制對象的自定義高級功能算法等，其中以PID為代表的閉環(huán)反饋控制應用最為廣泛。PID三個參數(shù)分別代表比例、積分、微分，其控制算法原理如圖2所示。

圖2 PID 控制原理圖

在控制機制上，比例帶越大調(diào)節(jié)速度越慢，偏差越大調(diào)節(jié)作用越強；積分越小就靈敏，偏差的時間越長積分調(diào)節(jié)作用越大；微分主要是解決控制滯后的問題，微分數(shù)值越大或者偏差變化速率越大調(diào)節(jié)作用越強。在不同應用中，PID的設置參數(shù)需根據(jù)現(xiàn)場工況逐一整定，以達到很好的控制效果，從而提高生產(chǎn)效率[4]。

3 自動化儀表在工業(yè)過程控制中的質(zhì)量保障措施

3.1 提高自動化儀表設計選型準確性

作為工業(yè)生產(chǎn)中最重要的環(huán)節(jié)之一，自動化儀表設計選型時應充分了解被測量所處的工況條件。首先根據(jù)測量要求確定測量原理及其儀表類型，然后根據(jù)介質(zhì)性確定儀表的規(guī)格要求，最后比較各個品牌中滿足規(guī)格要求的儀表的優(yōu)缺點，最終確定儀表品牌及型號。同時，設計選型應考慮適當?shù)挠嗔?，以便適應后期工藝調(diào)整升級。

3.2 加強自動化儀表的日常維護

在工業(yè)生成過程中，為提高自動化儀表及其控制系統(tǒng)可靠性，消除隱患，減少突發(fā)故障，應加強日常維護工作，特別是關鍵工藝上的儀表。日常維護工作主要包括：日常巡檢、定期校驗、定期評估儀表可靠性。同時，加強儀表備品備件的管理，將突發(fā)故障的損失降至最低[5]。

3.3 重視自動化儀表的升級改造

在以科技創(chuàng)新為引領的信息時代，電子技術(shù)日新月異，自動化儀表升級換代的周期越來越短，掌握并合理應用最新的測量技術(shù)是提高生產(chǎn)效率的重要手段之一。因此，條件具備時應分階段、分目標、有計劃地進行自動化儀表升級改造。

4 結(jié)語

自動化儀表在工業(yè)過程控制的應用，進一步提高了工藝系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，在過程控制系統(tǒng)支持下，實現(xiàn)對各類裝置設備運行狀態(tài)實時控制，并通過數(shù)據(jù)分析對裝置異常狀態(tài)進行實時診斷，從而提高工業(yè)生產(chǎn)效率。