摘要：化學(xué)自動(dòng)化控制是一門綜合性的技術(shù)學(xué)科，是綜合利用自動(dòng)控制器儀表學(xué)科，以及計(jì)算機(jī)學(xué)科的理論服務(wù)于化學(xué)工程。本文先介紹了化工自動(dòng)化控制的的概念和它產(chǎn)生的背景，重點(diǎn)就國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀做了對(duì)比分析，總結(jié)了當(dāng)前自動(dòng)化發(fā)展中存在的問題并提出了優(yōu)化對(duì)策，最后針對(duì)自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢從五個(gè)方面做了具體的分析和展望。

關(guān)鍵字：自動(dòng)化 化工 控制 儀表

前言：自動(dòng)化控制是整個(gè)化工行業(yè)發(fā)展中在技術(shù)應(yīng)用方面的非常重要的組成部分，加強(qiáng)化工自動(dòng)化建設(shè)，不斷提高化工行業(yè)的自動(dòng)化控制水平是我國化工行業(yè)適應(yīng)世界化工自動(dòng)化控制的發(fā)展趨勢，同世界化工行業(yè)技術(shù)與市場接軌的重要措施。實(shí)現(xiàn)化工自動(dòng)化控制，不但有利于提高我國化工企業(yè)的技術(shù)水平和經(jīng)營管理水平，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且有利于化工企業(yè)降低能耗及生產(chǎn)成本，提高化工產(chǎn)品的品質(zhì)，為化工企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。近幾年來，化學(xué)工業(yè)企業(yè)的發(fā)展規(guī)模越來越大，技術(shù)水平也越來越高，新材料、新工藝、新技術(shù)的采用范圍越來越廣，再加上自動(dòng)化控制技術(shù)的實(shí)踐及業(yè)界對(duì)自動(dòng)化控制技術(shù)重視程度的提高，化工行業(yè)的自動(dòng)化控制顯得越來越重要。

1.化工自動(dòng)化概述

1.1化工自動(dòng)化控制的概念

（1）化工自動(dòng)化控制是指在化工企業(yè)的整個(gè)生產(chǎn)管理過程中，以化工過程為控制對(duì)象，運(yùn)用自動(dòng)化控制技術(shù)，采用獨(dú)特的控制算法和控制方案，實(shí)現(xiàn)控制理論和工程技術(shù)時(shí)間的有機(jī)協(xié)調(diào)，從原料的加工到成品的產(chǎn)出整個(gè)化工過程納入自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)化工過程中對(duì)溫度、壓力、流量、液位等模擬量的自動(dòng)化控制。其特點(diǎn)是在無人直接參與的前提下，利用外部控制設(shè)備或裝置使被控對(duì)象或過程按照預(yù)定規(guī)律自動(dòng)運(yùn)行。

（2）實(shí)現(xiàn)化工自動(dòng)化控制不僅需有高質(zhì)量、高品質(zhì)的技術(shù)服務(wù)，而且要求含有成套的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)化工自動(dòng)化控制具體需做到以下幾點(diǎn)：一是采用先進(jìn)的自動(dòng)化空著設(shè)備及系統(tǒng)，能對(duì)溫度、壓力、流量與液位四大過程參數(shù)進(jìn)行有效控制，比如DCS分散控制系統(tǒng)、PLC可編程序控制器。二是制定出相應(yīng)科學(xué)、合理的實(shí)施方案，打造其控制平臺(tái)。三是擁有高素質(zhì)操作人員，可對(duì)其進(jìn)行科學(xué)管理與操作。

（3）化工自動(dòng)化控制與一般控制的主要區(qū)別動(dòng)態(tài)與反饋。一方面，在過程控制中將各種工藝衡算所需要的平衡狀態(tài)看作是穩(wěn)態(tài)，當(dāng)生產(chǎn)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，若出現(xiàn)干擾，控制變量會(huì)偏離穩(wěn)態(tài)，但可以在控制作用下回到穩(wěn)態(tài)，這種將受到干擾后偏離穩(wěn)態(tài)又回到穩(wěn)態(tài)的過程稱為動(dòng)態(tài)過程。另一方面，化工自動(dòng)化控制的效果與發(fā)展與信息反饋有著密切聯(lián)系。在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，當(dāng)控制器采取控制措施后，如果能夠把預(yù)期的控制效果信息送回到控制器進(jìn)行信息數(shù)據(jù)比較，以決定下一步怎樣進(jìn)行校正。這種控制預(yù)期效果信息又重新傳送到控制器的過程稱為反饋。反饋是提高控制質(zhì)量的重要措施，通過改變反饋信息的大小、形式與規(guī)律，對(duì)控制質(zhì)量產(chǎn)生不同的影響。

1.2化工自動(dòng)化控制的產(chǎn)生

自動(dòng)化控制理論和其他技術(shù)科學(xué)一樣，它的產(chǎn)生與發(fā)展主要由人類生產(chǎn)與發(fā)展的需求并由人類已有的技術(shù)和知識(shí)水平所決定?？刂浦械囊恍└拍?，例如反饋、補(bǔ)償?shù)龋缭凇Ф嗄昵爸袊糯挠?jì)時(shí)裝置—銅壺滴漏中已有體現(xiàn)。但當(dāng)時(shí)由于生產(chǎn)需求和技術(shù)水平的限制，控制理論并沒有在這古老文明的土地上產(chǎn)生。直到19世紀(jì)中，物理學(xué)家J.C.Maxwel1才作出關(guān)于蒸汽機(jī)調(diào)速器穩(wěn)定性分析的著名論文。這是人類歷史上第一篇控制理論的論文。然而，自動(dòng)控制理論作為一門獨(dú)立的學(xué)科卻是從20世紀(jì)40年代末，二次世界大戰(zhàn)后由N.wiener發(fā)表了他的著名著作“控制論”以后產(chǎn)生并迅速發(fā)展起來的。上世紀(jì)30年代以來，自動(dòng)比技術(shù)首先在電子通訊工程中獲得了驚人的成就，對(duì)自動(dòng)控制理論產(chǎn)生了極大的推動(dòng)作用。40年代末產(chǎn)生以Nyquist的工作所開創(chuàng)的基于反饋回路的經(jīng)典控制理論，它是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要適用于單輸入單輸出(SISO)線性定常系統(tǒng)的分析與綜合問題。

從40年代至60年代、經(jīng)典控制理論為生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的理論支持，并達(dá)到了相當(dāng)完善的程度,在這一時(shí)期工業(yè)自動(dòng)化的技術(shù)工具是氣動(dòng)或電動(dòng)模擬的儀表或調(diào)節(jié)器。

本世紀(jì)60年代一種以設(shè)計(jì)和分析復(fù)雜控制系統(tǒng)的新方法—現(xiàn)代控制理論便應(yīng)運(yùn)而生，它是以Bel1man的動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論、Kalman等的最優(yōu)濾波理論和Pontryagin等的極大值原理為標(biāo)志的建立在狀態(tài)空間上的理論。經(jīng)過近一、二十年的探索，工業(yè)過程自動(dòng)化已從穩(wěn)定單個(gè)工藝變量的SISO系統(tǒng)發(fā)展到著眼于穩(wěn)定整個(gè)單元操作運(yùn)行工況的MIMO系統(tǒng)，進(jìn)而發(fā)展到生產(chǎn)裝置的優(yōu)化操作及著眼于以市場為導(dǎo)向的集管理與控制為一體的工廠綜合自動(dòng)化。隨著控制規(guī)模的擴(kuò)大，自動(dòng)化帶來的經(jīng)濟(jì)效益也顯著增長。

2.化工自動(dòng)化的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1國內(nèi)現(xiàn)狀

目前我國化工自動(dòng)化控制技術(shù)涉及很多現(xiàn)代技術(shù)，比如控制理論技術(shù)、儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等，利于化工生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)檢測、控制、管理等，從而增加化工產(chǎn)量、減少消耗、生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品的技術(shù)?；ぷ詣?dòng)化控制技術(shù)主要有三大系統(tǒng)組成，即化工自動(dòng)化軟件、硬件、應(yīng)用系統(tǒng)。當(dāng)前的化工自動(dòng)化控制技術(shù)需以社會(huì)與市場為導(dǎo)向，借助科研力量，在實(shí)踐過程中有效進(jìn)行。它主要由化工自動(dòng)化軟件、硬件、應(yīng)用系統(tǒng)三大系統(tǒng)組成，并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫m應(yīng)現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展要求，集管理與控制于一體的計(jì)算機(jī)集成綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。伴隨著過程控制體系經(jīng)歷的PCS、ACS、CCS、DCS、FCS五次變革，我國化工企業(yè)自動(dòng)化控制由單體向總體發(fā)展，由獨(dú)立子系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)多元化系統(tǒng)發(fā)展，化工自動(dòng)化控制技術(shù)水平越來越高，使化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益得以大大提高。

最近幾年，我們國家的儀表產(chǎn)品的進(jìn)出口數(shù)量出現(xiàn)了持續(xù)增長的情況，07年國家儀表總產(chǎn)值高達(dá)3078億元，銷售額數(shù)高達(dá)3005億元；同時(shí)，出口額高達(dá)678.76億美元。這就使得我們國家的儀表進(jìn)出口總數(shù)額屬于裝備制造工業(yè)里面最高的行業(yè)之一。與此同時(shí)，對(duì)于測壓型儀表、顯示型儀表以及簡易調(diào)節(jié)儀等某些比較常用的儀表來說，我們國家已經(jīng)掌握了它們的核心技術(shù)，并且能夠進(jìn)行自主研發(fā)和創(chuàng)新。

2.2國際形勢

現(xiàn)如今,在智能化、網(wǎng)絡(luò)化以及數(shù)字化等技術(shù)的支持下,自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)的發(fā)展變得越來越快,并呈現(xiàn)出多功能、高可靠以及高適用等性能。對(duì)于現(xiàn)場儀表來說,隨著新型硅傳感器、復(fù)合傳感器、光纖傳感器以及MEMS傳感器等的研發(fā)與使用，其精度有了較高層次的改變，例如對(duì)于壓力變送器和差壓變送器來說，其級(jí)別已從傳統(tǒng)的0.2級(jí)提升到了現(xiàn)在的0.075級(jí)與0.04級(jí)。

由于現(xiàn)代工業(yè)大多朝著高參數(shù)化、大型化、復(fù)雜化的趨勢發(fā)展,因此,國外自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)的發(fā)展方向主要是高可靠性。他們主要是通過對(duì)儀表的設(shè)計(jì)原理以及設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新,再加上較為成熟的技術(shù)以及加工工藝,使得現(xiàn)場儀表不僅耐用、操作簡單,而且便于維修。國外許多企業(yè)都保證所屬的儀表的保修期能夠高達(dá)10年,并給出“終身保修”以及“本質(zhì)無損”的承諾。與此同時(shí),在儀表的生產(chǎn)以及銷售的過程中,隨著現(xiàn)場總線技術(shù)以及智能化技術(shù)的不斷推廣,不僅能夠確保發(fā)現(xiàn)單個(gè)產(chǎn)品所具有的,故障,還可以監(jiān)控整個(gè)工程中所具有的全部自動(dòng)化的控制設(shè)備,在一定程度上提升了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

目前,國際社會(huì)中通過現(xiàn)場總線技術(shù)、智能化技術(shù),可以使得儀表在不斷的發(fā)展過程中迅速判斷出產(chǎn)品的故障具有前瞻性的修護(hù)。同時(shí),在現(xiàn)場儀表田生產(chǎn)過程中,由于新技術(shù)、新原理以及新原料的使用,不僅提高了儀表對(duì)于不同環(huán)境的適應(yīng)能力,還提高了儀表耐高溫、耐高壓的能力。

3.我國自動(dòng)化控制存在的問題及建議

3.1存在問題

3.1.1自動(dòng)化業(yè)務(wù)流程有待規(guī)范

在我國的自動(dòng)化控制應(yīng)用中多為獨(dú)立開發(fā)模型，因?yàn)樵谧詣?dòng)化控制模型與獨(dú)立開發(fā)模型之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行了互換，而且在模型與工業(yè)數(shù)據(jù)之間也進(jìn)行著交換，因此仍然存在著流程不規(guī)范的混亂情況，各類模型雖然獨(dú)立在自動(dòng)化控制技術(shù)上具有先進(jìn)水平，但是在總體上卻不具備競爭力多數(shù)缺乏多裝置流程模擬和過程優(yōu)化的一些工藝條件。

3.1.2自動(dòng)化控制產(chǎn)業(yè)化規(guī)模有待提高

隨著國內(nèi)化工工藝流程日益繁多，一般科研單位雖然具有很強(qiáng)的科研實(shí)力，但不具備產(chǎn)品化所需資金，導(dǎo)致所開發(fā)的模型通用性差，產(chǎn)業(yè)化規(guī)模較低，因此將已有過程模型和優(yōu)化技術(shù)產(chǎn)品化需要大量的資金和人力，同時(shí)將高級(jí)的科研人員用于產(chǎn)品化程序的開發(fā)工作，因此花費(fèi)了大量的人力物力以及大量技術(shù)人員。

3.1.3自動(dòng)化控制質(zhì)量控制參數(shù)有待規(guī)范

在自動(dòng)化控制的質(zhì)量控制中要先確定屬性和指標(biāo)，這些在試驗(yàn)生產(chǎn)就應(yīng)該確定的，比如說就是客戶主要要求參數(shù)，對(duì)化工產(chǎn)品參數(shù)不是整一規(guī)劃的并不利于自動(dòng)化控制對(duì)于化工產(chǎn)品質(zhì)量和工藝水平的提高。

3.1.4自動(dòng)化控制系統(tǒng)集成管理程度有待提高

各模型均為獨(dú)立開發(fā)，在模型和模型之間的數(shù)據(jù)交換、模型和工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)交換上存在著標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的混亂局面。使得各類模型雖然獨(dú)立在技術(shù)上具有先進(jìn)水平，但尚不具備多裝置流程模擬、先進(jìn)控制和過程優(yōu)化的條件，在總體上不具有競爭力。

3.1.5模型通用性較差

所開發(fā)的模型往往是針對(duì)單獨(dú)的企業(yè)的特定裝置而開發(fā)，而國內(nèi)的石化企業(yè)工藝流程種類多，導(dǎo)致所開發(fā)的模型通用性差，推廣應(yīng)用的適應(yīng)性不強(qiáng)。

3.1.6產(chǎn)品化能力較差

將已有過程模型和優(yōu)化技術(shù)產(chǎn)品化需要大量的資金和人力，一般科研單位雖然具有很強(qiáng)的科研實(shí)力，但不具備產(chǎn)品化所需資金；同時(shí)將高級(jí)的科研人員用于產(chǎn)品化程序的開發(fā)工作，是人力資源的巨大浪費(fèi)；產(chǎn)品化工作需要大量中級(jí)技術(shù)人員，其工作量是核心技術(shù)開發(fā)的數(shù)倍。

3.2改進(jìn)措施

今后我國在化工工業(yè)的發(fā)展過程中，將不斷加強(qiáng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)的探索性研究與應(yīng)用，以尋求新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。同時(shí)，還將加快信息技術(shù)在化工工業(yè)中的應(yīng)用，在此過程中，流程模擬、先進(jìn)控制和過程優(yōu)化技術(shù)及其產(chǎn)品具有舉足輕重的作用。

目前，我國化工的大多數(shù)裝置仍然采用常規(guī)的控制系統(tǒng)，其中90%以上只是采用PID控制，裝置的真正潛力沒有發(fā)揮出來。因此，開發(fā)和推廣流程模擬、先進(jìn)控制和過程優(yōu)化技術(shù)十分必要也非常迫切。

經(jīng)過多年的攻關(guān)和不斷的技術(shù)開發(fā)研究，我國在流程模擬、先進(jìn)控制和過程優(yōu)化技術(shù)方面已有了一定的開發(fā)、應(yīng)用的理論和經(jīng)驗(yàn)積累，為今后進(jìn)一步的發(fā)展打下了重要的基礎(chǔ)。

4.自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

4.1智能化

從未來自動(dòng)化儀表所具有的發(fā)展趨勢來看，智能化將會(huì)成為其發(fā)展的核心，而所謂的智能化則主要表現(xiàn)為儀表具有許多種新型的功能。例如從儀表的工控方面來看，傳統(tǒng)的控制算法僅僅是通過調(diào)節(jié)器或者DCS對(duì)儀表進(jìn)行控制，而現(xiàn)如今對(duì)于那些具有智能化特點(diǎn)的執(zhí)行器或者變送器來說，我們只要在其中植入一種名為PID的模塊，就能夠與現(xiàn)場儀表一起實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象的自主調(diào)節(jié)功能，進(jìn)而完成控制的分散工作，降低DCS主機(jī)所需要承擔(dān)的負(fù)擔(dān)，確保調(diào)節(jié)功能的及時(shí)性，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

4.2高精度化

隨著工業(yè)生產(chǎn)在產(chǎn)品質(zhì)量方面的要求的不斷提高，我們國家的相關(guān)政策、文件開始對(duì)工業(yè)的節(jié)能減排工作進(jìn)行了具體的規(guī)定與要求，所以，提高自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)所具有的精度需要引起儀表設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)人員的高度重視。

4.3總線化

對(duì)于現(xiàn)場儀表來說，我們通常將其稱為在自動(dòng)化的過程控制系統(tǒng)中所具有的現(xiàn)場設(shè)備。隨著我們國家開始廣泛地使用現(xiàn)場總線技術(shù)，組建的集中以及測試系統(tǒng)的分布式也變得越來越容易。然而，集中式的測控已經(jīng)越來越無法滿足現(xiàn)如今的測控任務(wù)的要求了，因此，我們需要組建一種網(wǎng)絡(luò)，使其能夠滿足各個(gè)現(xiàn)場儀表共享數(shù)據(jù)，此時(shí)，就形成了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)屬于一種能夠在各種類型的現(xiàn)場智能化儀表和中央控制間進(jìn)行通信的系統(tǒng)，其具有開放性、數(shù)字化、雙向性以及多站性等特征。

4.4網(wǎng)絡(luò)化

采用了網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化通信技術(shù)的現(xiàn)場總線技術(shù)，使得現(xiàn)場設(shè)備和自動(dòng)化控制系統(tǒng)都融入進(jìn)了工廠信息網(wǎng)絡(luò)中，并成為了信息網(wǎng)絡(luò)的底層，充分發(fā)揮了智能化儀表所具有的作用。隨著我們國家信息計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系作為其基本特征的自動(dòng)化儀表，是新一代的控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。

4.5開放性

未來，自動(dòng)化儀表與計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)系將會(huì)更加的緊密，一些公司曾經(jīng)指出，儀表的設(shè)備需要具有計(jì)算機(jī)接口，例如打印機(jī)接口、接通局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接口以及USB接口等，同時(shí)，需要進(jìn)行測量的數(shù)據(jù)應(yīng)該利用USB接口在一些可以進(jìn)行移動(dòng)的存儲(chǔ)設(shè)備中進(jìn)行存儲(chǔ)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)儀表的開放性。

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