自動化控制在化工安全生產中的應用及優(yōu)化

＊顧佳林 陳佳楠

（江蘇優(yōu)普生物化學科技股份有限公司 江蘇 226000）

自動化控制技術在化工生產中的應用對于提高安全性、穩(wěn)定性和效率具有重要意義。它可以實時監(jiān)測和控制化工過程中的關鍵參數(shù)，如溫度、壓力、流量和pH值，以確保反映條件在安全和有效的范圍內。然而，自動化控制在化工安全生產中面臨一些困境，其中包括PLC程序設計的復雜性、通信穩(wěn)定性和傳感器技術的可靠性。這些困境可能影響系統(tǒng)的故障診斷、實時數(shù)據(jù)傳輸和傳感器的準確性，從而對化工安全產生具有潛在威脅。本文將從PLC、通信和傳感器這三個角度來探討自動化控制在化工安全生產中的應用困境，并提出相應的解決措施，以優(yōu)化化工安全生產的效果。

1.自動化控制技術的概述及重要性分析

（1）PLC自動化控制技術概述。PLC可以實時監(jiān)測和控制化工生產過程中的各種參數(shù)，例如溫度、壓力、液位、流量等。通過與傳感器和執(zhí)行器的連接，PLC能夠獲取準確的實時數(shù)據(jù)，并根據(jù)預設的邏輯規(guī)則和算法自動調節(jié)設備操作，確保化工過程在安全、穩(wěn)定和在規(guī)定的范圍內運行。化工生產過程中存在著各種危險和風險，如高溫、高壓、有毒物質等。PLC可以實施安全邏輯控制，通過監(jiān)測和驗證不同設備之間的安全間隔，防止操作員在危險區(qū)域內工作。PLC還可以實現(xiàn)設備互鎖、安全啟停和緊急停止等功能，確保設備在安全條件下運行，保護人員和環(huán)境的安全。化工生產中的反應過程通常需要精確地控制和調節(jié)。PLC可以根據(jù)預設的控制算法，實時監(jiān)測反應過程中的溫度、壓力、濃度等參數(shù)，并自動調節(jié)反應條件，以保持反應的穩(wěn)定性和效率。

通過PLC的反應控制功能，可以提高產品質量、降低能耗，并實現(xiàn)更高的生產效率。在化工生產中，批處理是一種常見的生產方式，PLC可以實現(xiàn)批處理過程的自動化控制，包括配料、攪拌、加熱、冷卻等操作。PLC能夠實時采集和記錄化工生產過程中的各種參數(shù)和事件數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用于后續(xù)的分析和優(yōu)化，以改進工藝和提高生產效率。PLC系統(tǒng)還可以通過網絡連接實現(xiàn)遠程監(jiān)控和操作。通過遠程監(jiān)視和操作界面，操作人員可以實時查看化工生產過程的狀態(tài)和參數(shù)，并進行必要的調整和干預。這樣，即使不在現(xiàn)場，工程師和操作人員也能夠對化工生產進行監(jiān)控和控制，提高生產效率和響應能力[1]。

（2）自動化控制技術應用在化工安全生產中的重要性分析。自動化控制技術在化工企業(yè)安全生產中起著至關重要的作用。隨著科技的發(fā)展和進步，化工企業(yè)面臨著越來越復雜的生產過程和安全挑戰(zhàn)。自動化控制技術，尤其是PLC（可編程邏輯控制器）和總線通信技術，能夠提高生產過程的安全性、可靠性和效率，下面我將從幾個方面進行分析。

首先，自動化控制技術能夠減少人為錯誤。在化工企業(yè)中，許多生產過程需要對溫度、壓力、流量等參數(shù)進行精確控制。傳統(tǒng)的手動控制方式容易出現(xiàn)人為操作失誤，導致事故和安全隱患的發(fā)生。而通過PLC和總線通信技術，可以實現(xiàn)對生產過程的自動化控制，減少了人為錯誤的可能性，提高了生產過程的穩(wěn)定性和可靠性。

其次，自動化控制技術能夠提供實時監(jiān)測和報警功能。化工生產中存在著一些潛在的危險因素，如溫度過高、壓力異常、液位過低等。通過PLC和總線通信技術，可以對這些參數(shù)進行實時監(jiān)測，并在超出設定范圍時及時發(fā)出報警信號。這樣，操作人員可以及時采取措施，防止事故的發(fā)生或者最小化事故的損害。

最后，自動化控制技術還可以提供大量的數(shù)據(jù)記錄和分析功能。PLC和總線通信技術可以將生產過程中的各種參數(shù)數(shù)據(jù)進行記錄和存儲，提供給管理人員進行分析和決策。通過對大量數(shù)據(jù)的分析，可以及時發(fā)現(xiàn)潛在的問題，預測設備的故障，并采取相應的措施進行預防和維修，從而進一步提高生產的安全性和可靠性。

綜上所述，自動化控制技術在化工企業(yè)安全生產中起到了不可忽視的作用。通過PLC和總線通信技術的應用，可以減少人為錯誤、提供實時監(jiān)測和報警功能、實現(xiàn)遠程監(jiān)控和操作，并提供大量的數(shù)據(jù)記錄和分析功能。這些技術的應用，不僅提高了化工企業(yè)生產過程的安全性和可靠性，也為管理人員提供了更多的信息和決策支持，有助于提升整體的生產效率和競爭力。

2.自動化控制技術在化工生產中的困境探究

（1）程序設計復雜。由于化工過程中涉及的參數(shù)和設備較多，當出現(xiàn)異常或故障時，PLC程序需要能夠準確地識別問題并快速做出響應。復雜的PLC程序設計可能導致故障診斷時間延長，從而延遲采取必要的措施來保護人員和設備。化工生產過程中，系統(tǒng)故障可能導致嚴重的安全事故。在PLC程序設計中，需要考慮各種故障情況，并確保系統(tǒng)具有良好的容錯能力。復雜的程序設計可能增加了錯誤和故障的風險，從而對化工安全產生潛在威脅。化工生產中涉及多個設備和系統(tǒng)之間的復雜交互。PLC程序設計需要綜合考慮各種設備的狀態(tài)和控制策略，以確保安全和穩(wěn)定地運行。由于交互效應的復雜性和難以預測性，PLC程序設計可能面臨困難，可能導致意外情況的發(fā)生。化工生產過程中的要求和環(huán)境條件可能會發(fā)生變化，需要對PLC程序進行更新和演進。復雜的程序設計可能使得程序的修改和改進變得困難，增加了更新的復雜性和風險。

（2）數(shù)據(jù)傳輸延遲和丟失。在化工生產過程中，PLC設備之間需要進行實時的數(shù)據(jù)傳輸和通信。由于環(huán)境干擾、設備故障或通信線路問題，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃钥赡軙艿接绊憽е聰?shù)據(jù)丟失、傳輸延遲或通信中斷，進而影響到對化工過程的實時監(jiān)控和控制，對安全產生潛在威脅。在化工生產中，涉及多種不同品牌和型號的PLC設備。不同設備使用的通信協(xié)議和接口可能存在差異，導致設備之間的通信困難。缺乏通信協(xié)議的兼容性可能導致數(shù)據(jù)傳輸錯誤、解析問題或無法實現(xiàn)設備之間的有效交互，從而影響到化工安全生產的可靠性。在系統(tǒng)集成過程中，設備之間的通信設置和故障排查可能變得復雜，特別是當涉及多個廠商的設備時。這可能增加了故障排查的困難，影響到化工生產系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

（3）維護和校準困難。傳感器受到環(huán)境影響、磨損、老化或故障等因素的影響，導致測量結果的不準確或不可靠。傳感器提供錯誤的數(shù)據(jù)，導致操作人員做出錯誤的決策或無法及時采取必要的措施，對化工安全產生潛在風險。化工過程的復雜性要求選擇適合的傳感器類型，并確保其能夠適應不同的工作條件和環(huán)境。不同參數(shù)的傳感器種類繁多，涉及溫度、壓力、流量、pH值等多個方面，選擇和配置合適的傳感器可能具有一定的挑戰(zhàn)性。選擇不當或配置不正確，導致傳感器無法滿足實際需求，影響化工過程的安全性和可靠性。化工生產環(huán)境常常具有惡劣的條件，如高溫、高壓、腐蝕性介質等，這對傳感器的穩(wěn)定性和壽命產生影響。維護和校準傳感器可能需要耗費大量時間和資源，并導致生產中斷或停工，對化工安全生產帶來潛在風險。在化工生產中，傳感器故障會影響到實時監(jiān)測和控制系統(tǒng)的正常運行[2]。故障檢測和故障排除會變得復雜，特別是當涉及大量的傳感器和復雜的生產過程時。傳感器故障未能及時檢測和處理，導致誤導性的測量數(shù)據(jù)、操作失誤或生產事故，對化工安全產生潛在威脅。

3.自動化控制技術在化工生產中優(yōu)化分析

(1)簡化程序邏輯

①控溫系統(tǒng)流程概述。具體化工生產過程中可以通過流程簡化解決程序設計復雜的問題，針對溫度檢測的問題，可以通過測量溫度→轉換成電信號→在PLC內與設定溫度比較→控制加熱的流程，從而實現(xiàn)恒溫控制。這個任務的關鍵在于當前溫度值如何獲取，具體方案中使用0～100℃對應0～10V的溫度變送器，PLC選擇自帶模擬量輸入/輸出的CPU224XP。通過PLC的模擬量輸入處理從而通過相關數(shù)據(jù)處理即可讀取[3]。

②變量與PLC的地址分配。根據(jù)任務分析，PLC需要2個輸入點：加熱開關I0.1、報警確認鍵I0.2；需要3個輸出點：加熱輸出Q0.1、報警燈Q0.2、報警喇叭Q0.3。其PLC的I/O地址分配見表1。

表1 I/O地址分配表

③PLC優(yōu)化編程。梳理邏輯控制流程，合理分配I/O口資源之后，通過流程圖實現(xiàn)最終控制程序的編寫（如圖1所示）。

圖1 PLC程序圖

(2)優(yōu)化通訊協(xié)議

選擇廣泛使用和支持的通信協(xié)議，如MODBUS、Profibus、Foundation Fieldbus等。這些標準化協(xié)議能夠確保不同品牌和型號的PLC設備之間的互操作性，簡化通信設置和集成。

引入現(xiàn)場總線技術，如Profibus DP、Foundation Fieldbus、Ethernet/IP等，可以實現(xiàn)多個PLC設備之間的實時數(shù)據(jù)傳輸和通信。現(xiàn)場總線技術提供了高速、可靠的通信通道，能夠滿足化工生產過程對實時性和可靠性的要求。在PLC設備之間的通信鏈路中引入冗余和容錯機制，如備份通信線路、冗余控制器等。這樣可以提高通信的可靠性，當一個通信路徑出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)能夠自動切換到備用路徑，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性和穩(wěn)定性。確保PLC設備之間的通信網絡具有適當?shù)陌踩Ｗo措施。使用防火墻、虛擬專用網絡（VPN）等技術來保護通信網絡的安全性，限制未經授權的訪問和數(shù)據(jù)泄露的風險。通過系統(tǒng)集成和配置工作，確保PLC設備之間的通信設置正確，并建立監(jiān)控機制來實時監(jiān)測通信狀態(tài)。定期進行故障排查和維護工作，及時解決通信故障，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性[4]。

(3)實時監(jiān)測及故障診斷

在實時監(jiān)測和故障診斷中，PLC技術在數(shù)據(jù)采集和處理方面起著關鍵作用，如圖2所示。自動控制系統(tǒng)通過傳感器采集化工生產中的各項主要數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被傳輸?shù)絇LC控制器中進行處理和分析。PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能允許對采集到的數(shù)據(jù)進行預處理、濾波、校正等操作，以消除噪聲和干擾，提取出有用的信息。通過應用數(shù)據(jù)處理算法和模型，PLC系統(tǒng)可以進行數(shù)據(jù)分析和判斷，判別當前狀態(tài)是否正常，并進一步診斷潛在故障。實時監(jiān)測和故障診斷算法可以基于設定的規(guī)則和故障模式，監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化和偏離，以檢測異常和故障事件。一旦異常或故障被檢測到，PLC系統(tǒng)可以觸發(fā)相應的報警和通知，使操作人員能夠及時采取措施來解決問題。此外，PLC系統(tǒng)還可以記錄和存儲歷史數(shù)據(jù)，以便后續(xù)的故障分析和優(yōu)化。在故障診斷方面，PLC系統(tǒng)可以利用故障數(shù)據(jù)庫、專家經驗和機器學習等技術來進行故障診斷。通過分析故障發(fā)生時的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，PLC系統(tǒng)可以比對已知的故障模式和規(guī)則，以確定具體的故障原因，并提供相應的解決方案[5]。

圖2 化工過程監(jiān)測結構圖

4.結論

自動化控制技術在化工安全生產中扮演著重要的角色，通過PLC、通信和傳感器的應用，實現(xiàn)了對溫度、壓力、流量等參數(shù)的實時監(jiān)測和精確控制。在科技的應用下，化工企業(yè)通過自動化控制技術的深度應用，能夠不斷提高生產力，保障生產安全性，實現(xiàn)行業(yè)經濟與企業(yè)效益的同步發(fā)展。