精細化工過程控制技術及其發展趨勢

丁敦敦

（廣東政和工程有限公司湖北分公司，湖北 武漢 430075）

0 引言

社會的進步帶動了化工行業的高速發展，精細化工過程控制在此期間受到了非常廣泛的關注。精細化工過程控制技術在發展期間會將市場需求作為發展核心，利用各類新興技術來加強過程控制，進而為化工生產賦予更多附加值，提高化工產品的市場優勢。因此，為了進一步提高化工生產質量，就必須加強對精細化工過程控制技術的研究。

1 精細化工過程控制技術綜述

精細化工過程控制的技術水平極高，通過將集成、自動化等技術相融合，以化工生產需求為核心，可以將精細化工過程控制技術的作用完全發揮出來。精細化工過程控制主要特征如下：第一，規模小、品種全。我國精細化工領域的產品構成相對較為復雜，因為其主要會應用在各種專業部門，所以會在經營發展中受到規模限制。而且由于產品更新速度過快，還會促使精細化工生產周期縮短。第二，間歇性。精細化工生產需要將市場需求作為導向，市場的不斷變化將會導致精細化工生產的工作連續性受到影響，所以為了滿足化工產品的實際生產需求，就需要在設置期間加入多個起步階段，利用非連續性生產來降低化工生產事故的發生概率。在此期間，化工生產中的技術參數也將呈現出動態性，此時的控制系統能夠在可調控的范圍內自由運轉。第三，流程多。精細化工所采用的間歇生產模式，將會促使其工藝步驟明顯增加，各個環節需要有多個部門來參與，所以應該適當加強對于自動化技術的應用，以此來達到降低工作難度的目的。第四，企業規模小。由于我國當前精細化工生產的整體規模較小，所以企業規模將會受到限制，當設備儀器更新過于緩慢時，就會導致難以形成產業鏈。因此為了實現精細化工過程控制的進一步發展，就應該針對產品質量、技術進行重點研究，通過集中產業園的發展模式來形成一套合理的產業鏈，進而提高生產規模，帶動行業發展的良性循環[1]。

2 精細化工過程控制技術分析

2.1 集成控制技術

精細化工過程多為小規模間歇生產，所以企業為了降低投資，往往會選擇利用模擬儀表、智能數字儀表等儀表設備來進行控制，這會導致手動操作增加。而在技術發展的作用下，基于PC的小型控制系統得到了較為廣泛的應用。通過將屏幕作為操作界面、PLC為控制器的控制系統用于精細化控制，能夠使精細化工過程控制變得更好。控制系統功能的不斷豐富不僅為集成控制技術提供了更加廣闊的發展機遇，還能夠促使整個生產流程的管控一體化。

2.2 自動批量生產

間歇性生產在使用期間一次投料對應著一次產出，因此能夠以批量的方式來實現周期性高效生產。當每一批次生產結束之后，需要針對原材料進行重新添加，循環重復性投料。在設備運行過程中，往往需要頻繁進行開/停車操作，并針對不同需求制定配方。而在發展過程中，則會繼續向著多品種的生產模式進行發展，所以需要增加生產柔性，在控制系統上要結合生產需求自動切換不同的生產配方，以此來達到自動批量生產的效果。為了保證經濟性，可以在DCS中利用順序控制功能圖（SFC）、結構化編程語言（SCL）等技術來自行開發批量控制配方，進而提高精細化工過程控制效果。

2.3 優化控制

精細化工生產時需要提前進行程序、參數設計，這樣能夠有效提高生產過程的可重復性，每一批次的生產過程都需要保證一致性。因為化工生產流程相對較為復雜，而且在自動化程度不足時還要利用人工操作的方式來加強控制，所以操作人員的經驗、技術將會對生產效果帶來一定影響。因為精細化工生產具有動態性，隨著物料狀態的轉變，將會使生產期間的一致性受到影響。所以在生產過程控制中，可以結合前一批次的結果來實現過程反饋，通過迭代學習控制的方式來優化間歇性控制過程。作為學習控制策略，能夠在具有重復性的操作中對出現的誤差進行修正。此時就可以令被控制系統的實際輸出軌跡盡可能達到期望。除此之外，利用迭代學習控制進行優化還能夠有效解決精細化工過程的參數問題，降低由人為操作所帶來的影響，通過與其他反饋控制策略進行融合還能夠進一步提高控制效果[2]。

2.4 綜合性統計過程控制

精細化工過程控制通常會在生產開始、中間、終點等有限點開展化驗分析，統計過程控制可以利用數理統計的方式實現生產監管。通過針對生產過程進行分析、評價，就可以通過反饋信息來掌握異常因素，通過采用相應措施就可以消除異常因素所帶來的影響，進而將整個過程保持在可控范圍內。在對自適應、多變量的SPC方法進行開發與應用時，應該保證操作過程中的穩定性，即確保均值、協方差不發生改變。但是在實際控制環節，過程變量將會隨著時間的推移而發生改變。這是因為設備磨損、老化所導致的問題。相較于過程故障而言，此類偏移大多比較緩慢，而且隨時間發生的改變還有可能導致誤診情況的出現。因此可以通過遞歸的方式將新測出的數據，按照權值的形式投入數據矩陣并開展主元分析，以此來提高對于均值、方差變化的適應性。

2.5 安全保護控制

精細化工過程其介質往往是具有毒性、腐蝕性的化學品，所以在開展過程控制時往往具有一定的危險性，因此必須重點關注安全保護控制。在傳統工藝中，安全控制系統往往會針對工藝參數異常進行警報。然后利用邏輯保護的方式來實現對于控制閥的管控，進而完成連鎖保護。但是因為邏輯保護系統具有運行穩定性不足的問題，所以很難在施工中保證足夠的安全性，而且事后報警無法提前對安全問題進行預判。因此可以對傳統安全保護系統進行優化，以此來實現安全事故預警，從而將事故隱患提前清除。

在安全保護系統中，防護層可以分為正常、非正常工況區以及災害發生區三層面。其中正常工況區可以歸結為過程控制區域，在相關系統的作用下，能夠促使整個生產流程的所有變量均處于合理范圍，而且在正常工況區還不需要操作員的介入。而在非正常工況區域中，在其防護層中存在操作員介入層，通過對過程控制系統進行操作，可以在必要時對超限問題進行處理，如果超限問題并未及時得到處理，就有可能從小事故發展成為較大的安全事故問題。當操作人員難以處理時，應該進入安全控制層進行自動停車，以此來避免安全問題的出現。災害發生區共存在三個防護層，積極防護層可以通過釋放閥、放空閥等設備來避免問題的出現。如果該防護層難以發揮出其應有的作用，就需要將消極防護層啟動，通過利用提前建成的圍堰系統來防止安全問題的發生。當消極防護層無法發揮出應有的作用時，則要啟動緊急響應層，通過開展緊急行動來降低安全問題[3]。

3 精細化工過程控制技術的發展方向研究

3.1 過程安全仿真

在化工生產領域中，動態模擬與實物仿真模擬能夠完成對信息的綜合分析，通過構建安全仿真綜合系統，能夠有效實現全流程動態模擬，通過制定安全操作規程以及監控方案，能夠讓相關人員安全技能、操作能力的培訓變得更加簡單。在硬件結構設計中，可以利用分布式設計的方式，以此來將計算機、服務器相連，進而形成安全體系。在化工生產軟件中，可以通過添加動態仿真系統以及事件觸發等軟件，當識別出生產安全問題時，就可以自動對其開展針對性處理。除此之外，系統運行期間還可以針對安全事故流程進行模擬，以此來達到提高突發事件處理能力的作用。

3.2 微化工技術

傳統化工生產技術屬于微化工技術的基礎，相較于傳統化工技術而言，微化工可以采用微通道系統中的微反應器來實現產品加工。微反應器作為技術核心，能夠在化工生產中發揮出極為關鍵的作用，反應器在制作期間必須明確換熱、分離等操作，在使用期間完成實現對催化劑的高效篩選，篩選次數、頻率的提高正是未來發展中的核心。作為精細化工過程控制中的重要一環，微化工技術將會帶動化工生產的持續創新。

3.3 綠色催化技術

綠色催化技術在使用期間需要將催化劑作為輔助材料，在滿足生態環保需求的同時降低各類廢棄物的排放。例如可以利用相轉移催化來降低能量消耗，在保證工作效率的同時壓縮生產成本。還可以利用酶來提高催化效果，作為生物類產品，經過調整酶能夠實現對生產的調整，進而滿足能源消耗的實際需求。除此之外，在精細化工過程控制的發展過程中，還具有一種不對稱催化，其主要特征就是能夠加速對于單一分子的獲取，進而保證精細化工過程控制質量。

3.4 智能控制技術

自動化控制技術的持續發展可以使化工生產過程控制變得更加細致，在發展階段通過融入智能操作技術不僅可以加速信息采集與監管，還能夠顯著降低相關工作人員的操作復雜性。在智能技術的使用發展中，需要將安全生產作為核心關鍵，以此來實現監管、生產一體化。在智能技術的作用下，精細化工過程控制將會逐漸變得更加具有綜合性，多種技術的綜合利用將會促使化工生產環節變得更加便捷。在面對諸如環境等外界影響因素時，也可以通過智能技術來實現合理管控，進而促使化工產品的生產品質得到保障[4]。

4 結語

總而言之，精細化工過程控制技術是保證化工生產的核心，不同于傳統控制技術，精細化工過程控制將會使生產流程得到優化，并提高化工產品的生產質量。相信隨著更多人了解到精細化工過程控制技術的重要性，精細化工過程控制技術的發展一定會變得更加順利。