化工工程装备自动化控制系统设计与应用

化工工程装备自动化控制系统设计与应用

安应旗  李雪

陕西金泰氯碱化工有限公司   陕西  榆林  718100

摘要：本文重点探讨了化工工程装备中自动化控制系统的设计与应用。首先，文章介绍了自动化控制系统的重要组成部分，包括传感器、控制器、执行器等等。随后探讨了自动化控制系统设计应考虑的因素，诸如过程模拟、控制策略选择、稳定性分析等等。最后，文章还详细介绍了自动化控制系统在温度控制、压力调节、流量控制等方面的应用，旨在为提高化工装备的运行质量和效率提供可靠的依据。

关键词：化工工程装备；自动化控制系统；设计；应用

引言：

随着科学技术的不断进步，化工行业对精确、高效、安全的生产流程的要求不断提高。而自动化控制系统不仅优化了生产过程，降低了成本，还提高了产品质量。因此，化工企业必须要加强对自动化控制系统的合理设计与应用，确保化工装备能够稳定、高效、安全的运行，从而为实现上述目标奠定良好的基础。

1.化工工程装备自动化控制系统的组成

在化工装备体系当中，自动化控制系统在确保生产效率、安全和精度方面发挥着关键作用，该系统由几个关键组件组成：（1）传感器和转换器。传感器和转换器主要负责从过程环境中收集数据，例如温度、压力、流量和液位，这些设备将物理现象转换为可以测量和分析的电信号。例如，热电偶传感器将温度变化转换为电压差。（2）控制器。控制器主要负责解释传感器数据并做出决定以维持或改变过程条件，比例、积分、微分控制器因其简单性和有效性而广泛应用于各种控制场景，其根据所需设定值和当前过程值之间的差异来调整输出。PLC（可编程逻辑控制器）提供了更高的复杂性和多功能性，其可以处理多个输入和输出，并且能够执行复杂的控制算法、顺序控制和逻辑运算。（3）执行器（阀门、电机）。执行器直接作用于化工过程，操纵物理变量，在化工生产的过程中，执行器通常包括控制液体和气体流量的阀门以及驱动泵和混合器的电机，执行器的精度和响应能力对于化工过程的有效控制至关重要[1]。

2.化工工程装备自动化控制系统设计应考虑的因素

2.1过程建模和仿真

过程建模和仿真涉及创建化工过程的虚拟模型以分析其在各种条件下的运行情况，此步骤对于了解过程动态、识别潜在问题以及预测系统对不同控制策略的响应至关重要。模型的范围可以从简单的线性方程到反映化学过程复杂性质的复杂非线性和动态模拟。仿真工具用于模拟真实过程，使工程师能够测试和优化控制策略，而不会影响实际工厂运营。这种方法在处理复杂的反应、分离过程或多变量相互作用时特别有价值，而在这些情况下，直觉理解可能是不够的，它允许对过程参数进行微调、预测系统将如何对操作条件的干扰或变化做出反应。

2.2控制策略的合理选择

选择适当的控制策略对于确保过程在所需参数内运行同时保持灵活性和稳定性至关重要，控制策略的选择取决于几个因素，包括过程动态、安全要求和成本限制，常见策略包括反馈、前馈和模型预测控制等高级控制方法。反馈控制由于其在稳定环境中的简单性和有效性而被广泛使用；前馈控制通过根据外部干扰调整输入来预测变化，非常适合具有长时间延迟的过程；模型预测控制等高级策略使用过程模型来预测未来行为并做出明智的控制决策，这种方法对于化工工程中常见的复杂、多变量过程非常有效[2]。控制策略的选择直接影响系统满足生产目标、保持质量、确保安全以及适应需求或原材料质量变化的能力，这需要对过程动态以及不同控制方法的功能和局限性有透彻的了解。

2.3稳定性和鲁棒性分析

稳定性和鲁棒性分析是自动控制系统设计中的关键组成部分，特别是在复杂且通常危险的化工工程领域。稳定性是指系统在正常运行条件下保持稳定状态的能力，而鲁棒性是指系统在一系列条件下保持稳定的能力，包括扰动、过程动态变化和环境因素变化。在稳定性分析中，工程师评估系统如何响应各种输入和干扰，目标是确保系统在干扰后恢复到所需状态，这涉及数学建模和仿真，以分析系统的动态行为及其对不同场景的响应。根轨迹图、波特图和奈奎斯特图等技术通常用于评估稳定性裕度并深入了解潜在的稳定性问题。与此同时，鲁棒性分析侧重于系统在一系列操作条件和不确定性下的性能，这包括工艺参数的变化、原材料的变化和环境影响。鲁棒控制设计旨在确保控制系统能够处理这些变化而不会显著降低性能，采用敏感性分析和最坏情况分析等技术来评估系统对干扰和不确定性的恢复能力。

3.化工工程装备自动化控制系统的有效应用

3.1反应器中的温度控制

化学反应器内的温度控制是化工工程控制的一个关键方面，直接影响反应速率、产品质量和整体过程安全。反应器温度的精确管理至关重要，因为许多化学反应对温度波动高度敏感，偏差可能导致效率低下或危险情况。反应器中的自动控制系统通常使用传感器、控制器和执行器的组合来维持所需的温度，热电偶或电阻温度检测器是用于提供实时温度数据的常见传感器。然后，这些数据被输入控制系统，通常是比例、积分、微分控制器，该控制器计算维持设定点温度所需的调整。温度的实际控制通常是通过操纵加热或冷却系统来实现的，在产生热量的放热反应中，采用冷却系统，例如夹套、盘管或外部热交换器。相反，对于吸收热量的吸热反应，则使用外部加热方法，如蒸汽、电加热器或热油系统

[3]。

3.2蒸馏塔的压力调节

蒸馏塔中的压力调节是化工工程中的另一项重要控制任务，蒸馏塔内的压力调节在提高分离过程的效率和纯度方面发挥着关键作用。用于压力调节的控制系统通常涉及位于蒸馏塔中关键点的压力传感器或变送器，这些传感器向控制器提供有关色谱柱内部压力的连续反馈，然后控制器调节执行器以维持所需的压力。压力可以通过调节回流比、改变再沸器热量输入或控制塔顶冷凝器冷却速率来控制，在真空蒸馏过程中，压力保持在大气压以下，真空泵和控制阀是系统的组成部分。

3.3泵和阀门的流量控制

流量控制是化工工程自动化控制的一个重要方面，可确保流体在系统中准确有效的移动，泵和阀门是用于调节管道和工艺设备流量的主要装置。泵中的流量控制通常涉及变速驱动器或变频驱动器，它们可调节泵的速度以控制流量，这种方法提供了灵活性和高效率，因为泵以符合工艺需求的速度运行，从而减少了能耗和磨损。例如，在连续反应过程中，可以精确控制反应物的流速，以保持最佳反应速率并最大化产率。阀门，如控制阀、蝶阀或球阀，通过调节其开度来调节流量，阀门的位置由执行器根据控制系统发出的信号进行控制，该系统通常涉及流量计和控制器，控制器不断调整阀门位置以维持所需的流量。

3.4储罐和容器中的液位监测

储罐和容器中的液位监测是化工工程自动化控制的具体应用，有效的液位控制对于防止溢出或设备干转至关重要。液位监测系统通常由液位传感器、控制器和执行器组成，常见的液位传感技术包括浮动开关、超声波液位传感器、雷达液位计和电容液位传感器，这些传感器提供连续或点液位测量，将数据反馈到控制系统。然后，控制系统使用这些数据来调整执行器以维持所需的水平。例如，在需要特定液位的储罐中，控制器可能会打开或关闭阀门以允许更多液体进入或排出多余的液体，或者可能会调整进料泵的速度。

4.结语

综上所述，自动化控制系统在化工工程装备运行的过程中扮演着至关重要的角色。通过对自动化控制系统的合理设计，不仅提升了化工生产效率和产品质量，还能减少人力资源成本，从而实现经济效益的最大化。随着技术的不断发展，自动化技术将成为化工工程建设的重要驱动力，因此相关企业必须要加大对自动化技术的自主研发，以便为促进自身的长远发展提供可靠的技术支持。

参考文献

[1]陈静云.基于DCS控制系统的化工自动化控制[J].中国石油和化工标准与质量，2023,14(06):157-158.

[2]刘远会.基于PLC的化工污水处理自动化控制系统设计[J].中国石油和化工标准与质量，2023,14(06):42-43.

[3]王伟，安争邦.化工自动化控制系统的应用与发展[J].化工管理，2022,15(07):116-117.