化工自动化控制及其应用

1、 本文由csulijian贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 2010 年 第 10 期 2010 年 10 月 Chemical Engineering & Equipment 化学工程与装备 137 化工自动化控制及其应用 刘 燕，杨光华，闫 昭 （鹤壁煤电煤化工筹建处，河南 鹤壁 458000） 摘 要： 自动化控制是一门综合性的技术学科,是综合利用自动控制器仪表学科,以及计算机学科的理论 服务于化学工程学科更是大家所研究的目标。本文主要阐述了化工自动化控制产生的背景、现状及发 展，结合我国化工自动化控制存在的问题，提出了相

2、应的对策及建议。 关键词：化工；自动化控制；发展；应用；对策 化工生产过程自动化,就是在化工设备上,配置一些自动 化装置,代替操作人员的部分直接劳动,使生产在不同程度上 自动地进行。 这种用自动化装置来管理化工生产过程的方式, 就称为化工生产过程的自动化,简称化工自动化。 1 化工自动化控制的概念 化工过程控制，是化工生产过程自动控制的简称。在 50 年代，曾采用化工自动化一词来概括化工生产过程的检 测和控制两方面的内容， 近年来倾向于将检测与控制分为两 个概念。 化工过程控制主要是研讨控制理论在化工生产过程 中的应用， 包括各种自动化系统的分析、 设计和现场的实施、 运行，而不包括纯理论的研

3、究和仪表的设计、制造。 2 自动化控制的产生及发展 自动化控制理论和其他技术科学一样， 它的产生与发展 主要由人类生产与发展的需求并由人类已有的技术和知识 水平所决定。控制中的一些概念，例如反馈、补偿等，早在 千多年前中国古代的计时装置铜壶滴漏中已有体现。 但 当时由于生产需求和技术水平的限制， 控制理论并没有在这 古 老 文 明 的 土 地 上 产 生 。 直 到 19 世 纪 中 ， 物 理 学 家 J.C.Maxwel1 才作出关于蒸汽机调速器稳定性分析的著名论 文。这是人类历史上第一篇控制理论的论文。然而，自动控 制理论作为一门独立的学科却是从 20 世纪 40 年代末， 二次 世界大

4、战后由 N.wiener 发表了他的著名著作“控制论”以后 产生并迅速发展起来的。 上世纪 30 年代以来，自动比技术首先在电子通讯工程 中获得了惊人的成就， 对自动控制理论产生了极大的推动作 用。 年代末产生以 Nyquist 的工作所开创的基于反馈回路 40 的经典控制理论，它是以传递函数为基础， 主要适用于单输 入单输出(SISO)线性定常系统的分析与综合问题。 从 40 年代至 60 年代、 经典控制理论为生产过程控制系 统的设计提供了强有力的理论支持， 并达到了相当完善的程 度,在这一时期工业自动化的技术工具是气动或电动模拟的 仪表或调节器。 本世纪 60 年代一种以设计和分析复杂控

5、制系统的新方 法现代控制理论便应运而生，它是以 Bel1man 的动态规 划理论、Kalman 等的最优滤波理论和 Pontryagin 等的极大 值原理为标志的建立在状态空间上的理论。 经过近一、二十 年的探索，工业过程自动化已从稳定单个工艺变量的 SISO 系统发展到着眼于稳定整个单元操作运行工况的 MIMO 系 统， 进而发展到生产装置的优化操作及着眼于以市场为导向 的集管理与控制为一体的工厂综合自动化。 随着控制规模的 扩大，自动化带来的经济效益也显著增长。 3 化工自动化控制与一般化工方法的区别 化工自动化控制与一般化工方法最大的区别是动态和 反馈。 3.1 动态 在过程控制中把各种

6、工艺衡算所依据的平衡状态称稳 态。当生产达到稳态时，一个干扰出现后，被控制的变量就 会偏离稳态， 然后在控制作用下又逐步回至稳态， 这个偏离 了稳态又回复到稳态的过程称动态过程。 在很多情况下，回 复过程是振荡式的， 可以回到原来起始的稳态， 也可以回到 另一个新的稳态。 很多工艺设备的设计也是按可能出现的最 大偏离的动态条件进行，而不能都按稳态计算进行。 3.2 反馈 自动控制的成功和发展关键在于信息的反馈。 在一个控 制系统中， 当控制器采取控制措施后， 如果能够把控制效果 的信息送回到控制器进行比较，以决定下一步如何进行校 正。 这种将控制效果信息送回到控制器的概念称反馈；这种 信息通路

7、称反馈回路。采用反馈是提高控制质量的关键措 施，改变反馈的大小、形式或规律，对控制质量有不同的影 138 刘 燕: 化工自动化控制及其应用 响， 甚至可以将不可控的非稳定系统改进为控制质量颇佳的 稳定系统。所以称反馈是控制系统的心脏。 4 如何提高自动化控制水平 （1）选取好质量控制的参数 首先当然是找好质量控制的属性和指标， 这些在试验生 产就应该确定的，比如说就是客户主要要求参数。 对化工产 品，参数往往不是整一规划的，常常有个分布。利用 Histogram 图，绝大多数情况下发现是符合或大体符合正态 分布， 这时候往往就可以利用正态分布原理来描述管理这个 指标。 如果参数本身很不符合正态

8、分布， 一般其平均值 （算术 平均，几何平均，重均，数均等等）能够符合正态分布。如 果还是效果不行，则应该换更本质的， 能够反映其性能的其 它参数。比如还是上面那种氧化物产品，最初是微米大小， 其粒度分布可由激光散射粒度仪准确测量， 用体积平均值做 指标来衡量就很好。 后来产品改进成纳米级， 粒度仪难以给 出准确的结果，用高分辨显微镜则时间太长， 不适合做为过 程质量控制手段。 （2）预防式质量控制管理 在主控室里，接受数据，绘入质量控制图，发现意外时 立即通报有关方面采取措施，是常见的质量保障控制 （QA/QC）的模式。要提前预见问题，及时发现问题使大 多数失控消灭在萌芽，才是更好的 QA/

9、QC。 比如， 在那个纳米氧化物的洗涤过程中装一个阳离子选 择电极，成本很低， 不需增加人力就可以方便地实时监控洗 涤效率，由洗涤效率曲线虽然看不出产品的比表面， 但可以 由曲线形状预知产品某方面的变化， 这样在技术上就提供了 另外一种预警。当然增加控制项目有可能引起操作/质检费 用增加，应该统筹考虑。 主动预防式更包括研究开发人员定期主动介入生产和 质保过程，及时从一些异常痕迹中发现问题解决问题。 许多 异常痕迹往往不是工厂或质保人员的知识体系可以意识到 的。此外，有时候问题并非真正在生产上，而是在质检人员 的操作程序误差上， 这些往往不是质检部门本身能够迅速发 现解决的。 质量控制管理的目

10、标是尽可能达到稳定的可靠的产品。 质量控制不好，产品不正常可能要返工甚至出废品， 于是生 产成本高。加强质量控制管理，可以立即提高生产效率，可 以使产品成本大大下降。 然后达到某种相对稳定的状况。 这 时进一步加强控制可能就没有多少效果了， 而且常常导致控 制管理成本急剧增加，使整体效益降低。 5 我国自动化控制存在的问题及建议 （1）集成能力差：各模型均为独立开发，在模型和模型 之间的数据交换、 模型和工业实时数据之间的数据交换上存 在着标准不统一的混乱局面。 使得各类模型虽然独立在技术 上具有先进水平， 但尚不具备多装置流程模拟、 先进控制和 过程优化的条件，在总体上不具有竞争力。 （2）

11、模型通用性差：所开发的模型往往是针对单独的 企业的特定装置而开发，而国内的石化企业工艺流程种类 多，导致所开发的模型通用性差，推广应用的适应性不强。 （3）产品化能力差：将已有过程模型和优化技术产品 化需要大量的资金和人力， 一般科研单位虽然具有很强的科 研实力， 但不具备产品化所需资金； 同时将高级的科研人员 用于产品化程序的开发工作， 是人力资源的巨大浪费；产品 化工作需要大量中级技术人员， 其工作量是核心技术开发的 数倍。 （4）今后我国在化工工业的发展过程中，将不断加强 应用基础研究和高新技术的探索性研究与应用， 以寻求新的 经济增长点。 同时， 还将加快信息技术在化工工业中的应用，

12、在此过程中， 流程模拟、 先进控制和过程优化技术及其产品 具有举足轻重的作用。 （5）目前，我国化工的大多数装置仍然采用常规的控 制系统，其中 90以上只是采用 PID 控制，装置的真正潜 力没有发挥出来。因此，开发和推广流程模拟、先进控制和 过程优化技术十分必要也非常迫切。 （6）经过多年的攻关和不断的技术开发研究，我国在 流程模拟、先进控制和过程优化技术方面已有了一定的开 发、 应用的理论和经验积累， 为今后进一步的发展打下了重 要的基础。 6 当前自动化控制研究及发展 当前工业过程自动化研究的另一个热点是以市场为导 向的集管理与控制于一体的计算机集成综合自动化系统。 由 于其给企业带来显

13、著的经济效益， 已引起企业界与学术界广 泛的兴趣。 从系统的角度来研究综合自动化系统 这使得控 制理论从系统的总体特征上遇到了前所未有的困难。 解决这 类问题的重要途径可以是将控制理论、 运筹学与智能控制三 者相结合。 而这些问题的解决可能意味着新一代控制理论或 复杂系统控制理沦的产生。 从应用的角度看， 仍然缺乏行之有效的控制方法与控制 技术去满足不断发展的工业生产提出来的各种要求。 我们需 要有一种清醒的认识， 即自动控制界所面临的这种严峻的现 实，以及造成这种现实的原因。一股来说，理论是从实践中 抽象而来而实践则是在理论指导下进行。 自动控制领域目前的现实则是理论研究与应用研究之间的 严

14、重脱节 （下转第 136 页） 136 3.3 发光材料 贾艳强: 凝胶燃烧法合成超细粉体的研究进展 4 结语 凝胶燃烧法因原子分子水平的均匀混合、工艺简单、 反应速度快、点火温度低(150200)，所得产品具有高 比表面的特点，在新型功能材料的合成领域受到广泛关 注。 但是目前该合成技术的研究主要集中于尝试合成各种 新材料， 处于实验室研究阶段， 合成材料影响规律和稳定 合成工艺尚未深入研究。 参考文献 1 丁子上，翁文剑溶胶-凝胶技术制备材料的进展 J 硅酸盐学报，1993；21(5)：443-449. 2 Z.A.Munir,J.B.Holt Eds.Combustion and pla

15、sma synthesis of high-temperature materialsC. New York: VCH Publishers ,1990:204-205. 3 王志伟，施雨湘，杨圣品自蔓延高温合成技术新进 展J 材料保护，2002；35(5)：1-3. 4 Jain S R, Adiga K C, Pai V R. A new approach to thermochemical fue1-oxidizer Flame,l981,40:7l-79. 5 Han Y., Li S., Wang X., Chen X. Synthesis and sintering of nano

16、crystalline hydroxyapatite powders by citric acid sol-gel combustion methodJ.Materials Research Bulletin, 2004,39(1): 25-32. 6 张乃庆，孙克宁，朴金花等凝胶燃烧制备中温固体 电解质 La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-J 人工晶体学报， 2004；33(5)：758-761 calculations of condensed and mixturesJ.Combustion 3+ 罗岚等32采用柠檬酸溶胶凝胶燃烧法在较低的温度 (900)下成功地合成单一晶相

17、GdAlO3:Eu 发光粉体， 紫 外激发荧光光谱分析表明粉体 615mn 和 593mn 荧光发射 源于 Eu 的 D0- F2 和 D0- F1 跃迁， 并研究了该方法中各 工艺条件(pH 值、柠檬酸/金属离子比、煅烧温度)对 GdAlO3:Eu 发光性能的影响。 翟永清等 3+ 33 3+ 5 7 5 7 采用凝胶-燃烧 法 合 成 了 系 列 稀 土 离 子 掺 杂 的 10 8 6 4 2 0 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 2008年维修次数 2009年维修次数 (Ln=La, Ce, Nd, Sm, Gd, 10月 11月 12月 Dy) 蓝 色 长 余 辉

18、 发 光 材 料 ， 合 成 的 2+ Sr0.94 MgSi 2 O6 :Eu 0.02 Ln 3+ 发光材料发射光谱均为一 0.04 宽带，峰值在 470nm 处，属于典型的 Eu 的跃迁引起的发 光；激发光谱也为一宽带，主激发峰位于 400nm，次激 发峰位于 415nm，太阳光、日光灯或紫外光均可作激发 光源，短时激发便可出现明亮的蓝光，且有长时间余辉。 魏琼等 34 用该法制备的 Sr1-xEuxMOO4 红色荧光粉的激发 范围在 330550nm，2 个主要激发峰分别在 395 和 464nm，该荧光粉能被紫外和可见蓝光有效激发，能与 UV LED 或蓝光 LED 芯片相匹配发射峰在 616 处，且为 较窄单峰，能提高色纯度。康明等 36 采用凝胶燃烧法， + + 以柠檬酸三铵为络合剂，利用非稀土金属元素 Li 代替稀 土元素制备光致发光材料， 合成了 ZnO: Li 的纳米级红色 光致发光材料， 并研究了合成条件对发光强度的影响及其 发光机理。 （上接第 138 页） 理论的研究成果无法用来指导实践中的应用研究。 这说明了 理论研究的不完善性， 造成这种不完善性的直接原因就在于 某些理论研究甚至在一开始就没有意识到应该为