淺談智能化儀表在化工過程控制中的應用

鄭梅 王曉鳳

山東省冶金設計院股份有限公司，山東濟南，250101

淺談智能化儀表在化工過程控制中的應用

鄭梅 王曉鳳

山東省冶金設計院股份有限公司，山東濟南，250101

隨著經濟的迅速發展與科技水平的快速提升，現代工業對于過程控制精度的要求也越來越高。在化學工業領域中，儀器儀表扮演著極重要的角色，因此設備的智能化、自動化顯得尤為重要。本文對于智能化儀表的發展、組成與應用進行了具體的闡述，并且對智能化儀表在化工過程控制中的優化與開發前景做出了分析。

智能化；儀器儀表；過程控制

基于儀器儀表在過程控制中的優秀表現，化工行業的過程控制系統得到了快速的發展與更新。同時由于化工行業生產規模的擴大，而對于生產技術的要求也逐步提高，對于過程控制的自動化水平提出了一定的要求。因此儀器儀表與化工行業的發展相輔相成，起著互相推動的重要作用。

1 智能化儀表的發展

隨著計算機技術的快速發展，儀器儀表也從模擬儀表過度到數字化儀表。繼而在微電子技術的推動下，逐步走向智能化。在結構上，智能化儀表放棄了單個逐一的開發研制，轉為接口母線與機架的標準化。

三十年代，出現了模擬儀表，并逐步應用到過程控制中。他經歷了基地式、單元組合式和組裝式等幾個發展階段。隨著工業的進步，控制精度的要求變得愈來愈嚴苛，傳統模擬儀表在操作過程和管理方面便暴露了他的不足之處。

五十年代，計算機的統一控制，在一定程度上解決了模擬儀表的困局。它可以將成千上百的控制回路以及控制變量集中顯示，便于使用者操作與管理。但是無法從根本上彌補其控制精度低的缺點。

六十年代，隨著半導體集成電路的發展，出現了大批的調節器、控制器與檢測元件，構成了多種多樣的自動化過程控制系統。

1983年，霍尼韋爾國際（HoneywellInternational）公司率先發布了一款精度高、遠距離校驗的壓力變送器，開啟了從模擬儀表向智能化儀表轉變的道路。在其后的十年間，國外眾多公司的智能壓力變送器也陸續出現，他們包括：羅斯蒙特（Rosemount）,日本橫河電機株式會社(YOKOGAWA)、西門子（Siemens）等儀器儀表行業的領導者。但由于培訓機制的薄弱與缺乏統一的通訊標準，最終市場認可度并不太高。

在近二十多年中，由于微電子技術的高速發展，大規模集成電路被廣泛應用于各行各業?；跀底旨夹g并且采用集成電路，儀器儀表將被測量的模擬信號進行模/數（A/D）轉換后變為數字信號，大大提高了儀器儀表的精確性。再將微處理器嵌入至儀器儀表中構成獨立式儀器。嵌入的微處理器可以是單片機也可以是數字信號處理（DSP）。由于采用微處理器，具有獨立運算能力，并且隨著新技術、新工藝和嵌入式系統的不斷發展，智能儀表成為了高端電子儀器的主體，把自動化技術推到了一個更高的水平。

2 智能化儀表的組成

智能化儀表由硬件與軟件系統構成。其中，硬件系統主要由微處理器、存儲器、過程信號輸入/輸出通道、門電路以及串行數據通信口等組成。微處理器對儀器采集到的數據進行程序分析，再將這些信息傳輸到存儲器中進行保存。過程信號輸入通道的作用是模擬信號與開關量的輸入與輸出。串行數據通信口是智能儀表與計算機溝通的重要橋梁，操作者通過數據通信口來傳輸計算機數據，進行對儀器儀表的控制。

軟件系統由初始化程序、檢測程序、中斷程序與各種功能模塊組成。其中初始化程序是在上電之后對各個模塊進行初始化，并且檢測其是否處于正常工作的狀態。若檢測到整個系統無異常，便提示使用者繼續使用操作該儀器。檢測程序是采集使用者需要的數據，并且執行傳輸和管理的任務。中斷程序有兩大功能：1、整個儀器儀表的使用過程中，若突發意外情況，使用者可以進行停止儀器的操作。2.在儀器的智能計算中，可以停止當前的任務，進而轉向其他的工作。各功能模塊則是主要用來實現數據的傳輸控制功能，配合微處理器與存儲器的工作。

在過程控制中的預處理電路，將輸入的信號進行運算放大、整形與補償，然后通過模數轉換器將模擬信號轉換為微處理器能夠識別的數字信號，再通過串口將數據寫入相應的寄存器，進而來保存相應的數據信息。再由CPU對這些參數進行加工和處理，分類存儲于RAM中。最后配置相應寄存器，在顯示器中獎數據顯示出來。

3 智能化儀表的特點

3.1 智能化儀表具有數據存儲功能

在智能化儀表中配置了微處理器后，只需要對儀表進行通電操作，便能自動恢復至斷電時的數據狀態。以往的儀表，采用組合邏輯電路與時序電路來實現數據采集的功能。但是這類儀表在斷電后，儀表只從初始狀態重新計算運用，大量的消耗了人力與物力。而智能化儀表具有記憶功能，可以存儲多條數據參數。

3.2 智能儀表具有計算功能

在傳統的儀器使用中，操作者可以獲得基本參數。然后需要使用模擬算法電路進行簡單的運算，使用這種方法僅能分析處理簡單的數據。若要處理復雜的，或者大量的數據則需要消耗操作者很多的時間，并且計算的精度也比較低。而智能化儀表是采用數字電路控制的，它可以進行準確而快速的數學運算。

3.3 智能儀表具有可編程特性

我們通過編輯需要實現的功能于程序之后，植入系統便可以替代大量的硬件結構去實現儀器儀表的功能。原先的大量邏輯電路，被計算機軟件的程序所替代，這叫硬件的軟件化。特別在一些接口芯片的復雜控制中，如果用程序編寫的話極為簡單，但是若要用硬件來實現的話，則需要大量的控制與定時電路，會使得整個系統變的復雜。

3.4 智能儀表的誤差修正

微處理器通過相應的軟件可以自主的計算、分析在檢測中遇到的線性化問題與抗干擾問題，在一定程度上減輕了硬件的負擔。計算機具有存儲容量大的優點，因此，可以通過遠程控制的方法引入計算系統，直接得出儀表的檢測結果并且做出相應的處理反應。微處理器還可以減小誤差，自動進行誤差的補償。在智能儀器中常用的有溫度補償、傳感器動態補償、盲區補償等。

3.5 智能儀表的網絡化

網絡化的智能檢測儀表網可以通過網絡將各種不同人物的傳感器與計算機聯系起來，進行統一的管理，完成各種不同的任務要求。并且在多網絡、多操作人員的情況下，也可以共同監控、處理及分享數據，使得各部門工程技術人員及質量安全人員可以在相距遙遠的地方對數據進行分析。智能儀表中的儀表與單片機融于一體，它可以改變檢測的方法，創造出新的測量儀器來，而不像以前的模擬化儀表只能進行設計好的運算方式。

4 智能化儀表的過程控制優化

在我們的實際生產過程中，由于各種限制條件的改變，最優設定值可能在每一個時刻都是不同的。這就需要我們的智能化儀表根據控制量的變化來修改控制過程中的參數。隨著微電子技術和優化技術的發展，實時優化（Real Time Optimization）技術可以在微機控制過程中實現，進而對整個生產過程進行優化。

實時優化的概念是十分復雜的，但是我們可以簡單的將其分為兩類：動態優化控制和穩態設定值優化。

4.1 動態優化控制

動態優化控制：是指調節變量趨近于設定的目標值，其目標值是隨時間的變化而變化的，并不是一個定值。這就需要系統優化反饋控制和模型預測控制方法。意味著要改變為最佳的控制算法與控制參數，使得整個系統能夠達到使用者預期的要求。

4.2 穩態設定值優化控制

穩態設定值優化：是指操作者設定一個代數方程而非微分方程，系統根據設定的目標要求，考慮當前的約束條件，計算最優的控制參數與算法求最優解穩態設定值。

5 智能化儀表的發展新趨勢

在化工行業的自動化控制技術發展中，儀器儀表設備向無線化、高精度化、智能化方向發展是其必然的趨勢與方向。隨著科學的快速發展，數字化、智能化的化工儀表已經被應用到了各個企業，幫助他們對生產過程的統一管理與分散控制。同時企業通過對員工的信息技術培訓，來加快企業的自動化控制建設。因此在化工業儀表自動化控制的過程中，需要企業將自動化儀表與自身的信息技術所結合，強化對于智能化儀表在化工行業過程的管理與控制，通過兩者的協同進步，同時完成了信息采集，分析和應用工作，又實現了儀表自動化控制的全面性和準確性。

6 結語

隨著儀器儀表在化工行業中地位的不斷提高，不少問題也隨之衍生。在我們日常的工作生活中不斷的發現問題，并且去解決它才能促進智能化儀表的自動化更好的發展 ，才能促進我國的儀器儀表產業的發展水平邁向更高的階段。

[1]黃江源.智能儀器儀表技術進展及前瞻[J].科技資訊.2008(14):41.

[2]呂秋霞.儀器儀表中的自動化控制及其應用研究[J].電子技術與軟件工程.2015(10):164-165.

[3]程曉芳.微電子技術的現狀及其發展趨勢[J].山西電子技術.2012(04):93-94.

[4]胡翔宇.淺析智能儀表技術的應用討論[J].知識經濟.2013(10):79.

鄭梅/1989年生/女/山東泰安人/本科/研究方向為儀器儀表