精細化工儀表選型及自動控制系統應用研究

張明

（重慶長風化學工業有限公司，重慶 401252）

0 引言

近年來，我國工業領域在科技的支持下取得顯著成就，并面向自動化、數字化、智能化方向邁進。生產過程參數新檢測技術和新材料的應用，大大提高測量的準確性和適用性。自動控制系統由多個電子元件構成，具有控制溫度、壓力、流量以及物位等功能，其中應用比較廣泛的當屬DCS 技術，在精細化工生產中發揮重要作用，因此，針對精細化工儀表選型和工業自動控制系統的研究很有必要。

1 精細化工儀表選型研究

1.1 精細化工儀表應用情況

精細化工工藝及生產過程多以間歇和半間歇操作為主，涉及易燃易爆、有毒有害、腐蝕性強危險介質，加上生產流程一般較長，工藝復雜多變，介質相變情況較為常見，這些因素對生產過程工藝參數的檢測帶來了很大挑戰，對儀器儀表的使用和維護造成了不小的困難。

隨著國家大力鼓勵和培育“專、精、特、新”小巨人企業，同時國家加強對涉及“兩重點一重大”企業的安全監管和專家指導服務，對于精細化工企業來說，要發展就得從思想上轉變意識，通過加強對工藝參數的檢測，還需要利用信息化智能化平臺，提升生產裝置本質安全水平和安全管理水平，所有這些先進管理技術都必須基于基礎數據的準確收集和傳送，所以現場工藝參數的檢測，也就是檢測儀表的選型和使用就非常重要，如有選型不當，小則影響生產，大則造成嚴重事故，甚至造成人員傷亡和財產損失的嚴重后果。

1.2 精細化工儀表的選型與應用

光氣及光氣化工藝是典型的精細化工工藝，是首批重點監管危險工藝目錄中的第一個危險工藝。光氣通過一氧化碳和氯氣反應制成，反應介質具有燃爆危險性，反應副產物氯化氫具有腐蝕性，易造成設備和管線泄漏使人員發生中毒事故，光氣為劇毒氣體，在儲運、使用過程中發生泄漏后，易造成大面積污染、中毒事故。

光氣化工藝是把光氣作為原料，與芳香烴、醇等反應生成光氣衍生品。某些光氣即產即用技術需要把合成的氣態光氣冷凝后，液態滴加到反應釜進行光化反應，液態光氣的滴加采用常壓重力自流方式進行，穩定的滴加就需要建立穩定的光氣液位，也就是說對光氣液位的穩定檢測是滴加工藝的關鍵，現就舉例光氣液位計改造對儀表選型的應用進行分析。

改造前安裝示意如圖1 所示，主要采用U 型連通原理在冷凝后的液位光氣垂直滴加管（DN50）引出聯通管（DN125，長2000mm），再在連通管上安裝量程為1800mm的磁浮球液位計，儀表過程連接法蘭、導桿、磁浮子材質為316L。此儀表選型存在的以下問題：①液態光氣處于零下溫導致磁浮子導桿內容易凝出可見水，導致儀表故障，運行不穩定，檢修頻繁。②光氣中含有少量氯離子，儀表接液材質均為316L，均不耐受氯離子，且磁浮子存在穿漏進入液態光氣問題，給檢修帶來很大風險。③為了保證磁浮球液位計正常工作，必須采用擴大口徑管道連通器，導致了在線液態光氣存量很大，存在很大安全環保風險。

圖1 改造前

針對上述運行分析，結合現場實際工況，大膽提出了取消連通器，改用隔膜密封式差壓變送器直接在DN50 垂直滴加管上測量光氣液位的改造方案如圖2所示，差壓變送器選用EJA118E 系列，接液材質選用TAN，已經過3 年多的安全穩定運行，對比改造前，主要優化或改進的地方如下：①檢測精度大大提高，運行穩定性更好，幾乎零維護、零檢修。②接液材質完全耐受氯離子，幾乎不存在穿漏風險，安全性和可靠性大大提高。③取消連通器，每套液位計直接減少液態光氣在線量約40kg，大幅減少劇毒介質在線量，大大降低了安全環保風險。

圖2 改造方案

2 工業自動控制系統的應用研究

2.1 新一代DCS 系統

工業生產過程存在一定危險性，對細節部分精準度要求較高，通過自動控制系統進行管理是最適當的控制辦法，隨著工業生產類型的拓展，自控系統功能也向多樣化、智能化方向發展。現階段，新一代DCS 是相對先進的系統，國內系統主要有浙江中控和北京和利時，系統具有一定集成性，其中包括儀表層和多個控制裝置單元層，能夠為工業生產活動提供具體的數據，并將其分類貫穿于每個工序中實現全覆蓋式控制。這類信息經過大數據的系統處理，實現實時檢測和存儲，精準度很高。該系統能夠根據工業生產的實際需求進行指標和功能調整，例如在進行光氣合成生產質量控制時能夠顯示具體的參數壓力、流量、溫度、在線分析、比值調節等，并做到集中控制，生產效率于產品質量均得到保障，同時降低人力勞動成本，提升效益。

2.2 自動控制系統編程應用研究

自動控制系統能夠正常應用的關鍵部分在于可編程控制系統，能夠根據工業生產情況進行控制，從客觀角度來看相當于初級迷你計算機，整個結構中有足夠的存儲裝置確保能夠編寫語言。在應用過程中只需結合工程實況，將所需要的參數寫入系統，便能實現對自控制，同時對歷史數據進行記錄和管理，確保工業生產的安全性和自動性，具有開放性強、維護方便的優勢。以光氣合成比值自動調節控制為例，應用自動控制能夠有效節省勞動生產力，但根據調查研究發現，仍存在一些問題需要高度重視，一是自動控制不等于無人控制，自動控制只是降低了勞動強度，還不能實現無人值守，仍然需要操作人員實時監控，防止出現異常情況觸發報警或聯鎖；二是部分流程或是單元實現了自動控制，不等于全流程全系統自動控制，需要關注單元與單元之間的銜接和控制。

光氣合成工藝流程示意圖如圖3 所示，采用一氧化碳與氯氣在催化劑的作用下合成光氣，根據重點監控工藝參數要求，應實現反應物料的自動配比。根據工藝控制要求，提出控制邏輯方案，利用最新DCS 程序編制軟件進行編程如圖4 所示，通過控制回路調試和PID參數整定，從而實現了反應物料比值自動調節和跟蹤的功能，把自動控制系統的優勢充分體現出來。

圖3 光氣合成流程

圖4 比值調節邏輯控制程序

3 自動控制系統的干擾問題及應用優化

3.1 電導耦合干擾問題

儀表自動控制系統中一旦存在電信號減弱趨勢或設備絕緣性降低，其導電性能則會被提升，而儀表系統作為總的控制中心，電流異常輸入必然會導致其受到干擾。例如出現交流電，形成高頻干擾導致控制系統不靈敏，主要表現為干擾頻帶擴大，可以歸咎為電網大負載切換的直接影響。一些負荷電或可控硅切換會生成電壓，不良反應為壓波變形，在整個控制過程中需要尋找根本原因，通過分析可以發現“地回路”（即電導耦合）是其中的一種，能夠將地面變為回路中的重要構，導致原信號干擾問題嚴重，甚至出現明顯電位差，這是造成工業生產活動事故的多發性原因。

針對自動控制安全儀表系統這一干擾問題，最常見的方式是接地保護措施，確保儀表正常運作的同時給予操作人員一定安全保障。該方式不僅能夠降低對其他相關聯設備的影響，確保其正常運作以免造成電機宕機或其他情況，同時還能降低操作人員的安全風險，提供基礎保障。接地措施還能有效削弱信號干擾情況，避免抑制差模或共模事件的發生，保護儀表內部結構。

3.2 外部溫濕度干擾

自動控制儀表系統從功能和電子機械裝置上來看屬于高精密設備，對外部環境的敏感特性極強，在應用過程中需要保持現場環境空氣干燥，連接儀器的導線性能要求較高。但在工業生產過程中難免存在溫度、濕度不適宜儀表器工作的情況，導致結構內部環境變化頻繁[1]。在這種情況下，操作的精密性必然受到干擾，造成內部結構生銹、電阻增大、電容器和電流表受損，進而影響最終示數結果，甚至徹底無法正常運行。

基于此，需要結合工業生產的具體情況安置自動控制儀表系統，盡可能布設在通風口處，遠離氣體出氣口和濕潤環境，同時做好防護工作。例如在鋪設信號線與動力線的過程中，需要詳細劃分二者的領域范圍，確保空出一段距離，避免相互影響，做到“不交叉、不緊貼”，在穿管操作中需要采用分開穿管布線的方式，降低影響率。應嚴格金屬架鋪設時需要根據信號幅值來進行分離排序，由低至高布線。此外，還可以應用絕緣護套做好系統隔離，還能有效抑制電容性噪聲耦合。

3.3 電磁干擾

電磁干擾主要來源于系統的外部環境，近年來工業生產環境逐漸向機械化、自動化、智能化邁進，很多電氣設備的負荷電流會發出一定電磁，無疑增加了控制系統的干擾路徑。在應用時一旦干擾量大于抗性，則會導致儀表屏幕閃爍麻點，控制效果和靈敏度均有所降低[2]。例如針對高壓電力設備或高頻設備進行自動控制時，配電設備信號輸出對穩定性的需求較高，但當儀器受到電磁干擾后必然會產生控制指標不穩的現象，一旦這類設備斷電，則會瞬間進行放電行為，會對儀表系統造成嚴重影響。

信號與電氣設備對儀表系統的影響在工業生產過程中是無法避免的一大問題，只能根據情況盡量消除影響降低干擾程度。因此，可以應用屏蔽器實現對設備信號的屏蔽，其原理在于分離干擾信號和有用信號，并降低二者之間的影響情況，保證自動控制儀表系統接收有用信號的頻次。在隔離過程中，干擾信號和有用信號的耦合具有差異，能夠輕松屏蔽干擾信號。

4 結語

在精細化工生產的過程中，儀表檢測和自動控制系統是保證相關工序指標正常的決定性因素，能夠有效提升工作質量和效率，同時確保安全和環境風險可控。隨著科技的不斷發展，工業領域信息化、數字化、智能化程度逐漸提升，對精細化工企業安全生產的要求也會更高，需要在設備和技術方面投入更多資金和精力，集中力量做好技術升級和改造，重點關注電導耦合、電磁等方面的干擾，科學制定優化方案確保儀表檢測和自控控制系統運行的穩定性和持續性。