什么是过程自动化?
2022-07-05

在工业生产中,有不少行业或领域的应用是以气体、液体、粉体...等流程性物料为主要对象,并将改变其温度、压力、浓度...等状态和性质作为主要目标的,如:石油、天然气、炼油、化工、生物、化学、制药、食品、冶金、环保、能源、电力...等,我们将这些行业称为「过程工业」。

过程工业往往会涉及到一些物理、化学过程,如:传质、传热、流动、反应、机械、热力学...等等。正是这些物理、化学过程,构成了过程工业的整个生产过程。

过程工业中的这些物理和化学过程,是需要借助一系列能完成诸如:混合、搅拌、发酵...等特定功能的单元设备实现的,而将这些功能设备连接在一起,就构成了我们所说的过程装备。

过程装备中的机器和设备主要包括:

化工机器
指的是主要作用部件需要连续运动的机械设备,如:各种过滤机,破碎机,离心分离机、旋转窑、搅拌机、旋转干燥机以及流体输送机械...等;

化工设备
指主要作用部件是静止的或者只有很少运动的机械装置,如:各种容器(槽、罐、釜等)、普通窑、塔器、反应器、换热器、普通干燥器、蒸发器,反应炉、电解槽、结晶设备、传质设备、吸附设备、流态化设备、普通分离设备以及离子交换设备...等。

⚠️ 值得注意的是,化工机械的划分是不严格的,一些流体输送机械(如泵、风机和压缩机...等)也包含在化工设备的范畴之内。

过程工业的生产,需要对物料和设备的相关性能值和输出质量进行监控,如:温度、压力、流量...等,并通过装备系统中相关功能参数的设置,如:阀门开闭、泵/风机/压缩机的转速、加热器启停...等,调节和控制物料的状态和性征,以确保其达到生产工艺的要求。这非常类似于我们通过水龙头开关调节水温的过程,需要基于体感适当的旋转阀门,控制冷热水的出水量和比例。

不过,由于工业过程领域有着极为复杂的应用场景,一方面需要监测和控制的对象环节非常之多,动辄几十上百点,有时甚至几千上万个检测控制回路,另一方面,各个控制对象变量之间还经常会有着相互影响/干涉的关联关系,因此,通过人工操作找到过程参数最佳设置的方法,基本上是完全无法满足生产效率要求的,有时甚至是不安全的。

例如:
精馏塔的塔顶或塔釜温度,一般在操作压力不变情况下必须保持一定,才能得到合格的产品;
加热炉出口温度的波动不能超出允许范围,否则将影响后一工段的性能和效果;
化学反应器的反应温度必须保持平稳,才能让生产效率达标;
使用蒸汽加热反应器或再沸器时,蒸汽压力必须稳定,一旦波动,会影响反应釜的温度控制;
锅炉汽包控制和压力容器的压力控制;
...

这就要求过程设备能够在没有人直接参与的情况下,借助自动化系统的控制自动完成其生产运行过程,使表征其工作状态的物理参数(如:状态变量)尽可能接近人们的期望/设定值。这就是过程自动化,或称过程控制。

过程自动化控制系统,会通过设备现场的传感器和仪器仪表,收集有关温度、压力、流量...等等方面的过程数据信息,并基于特定的工艺需求和相应的控制理论,在控制器上进行存储和分析,然后采用模拟或数字控制方式对能够影响生产过程中某一或某些物理参数的设备输出变量(如:转速、阀门开度...等)进行调节,从而使得物料状态和性征达到生产的要求,确保生产过程的安全平稳并达到预期的产量和质量,同时尽可能地减少原材料和能源损耗,把生产对环境的危害降到最低程度。

不难看出,与其他自动化控制系统一样,过程控制系统也是由感知元器件、控制器、应用程序、执行机构、以及将它们联接在一起的输入/输出模块和电气通讯线路构建组成的。

然而,由于过程类应用本身在目标对象上的特殊性,其自动控制所面临的应用难点,与一般的机器设备(尤其是传动和运动控制类设备)却有着显著的差别,例如:
对象的多样性:过程复杂,规模不同,互相影响导致对象特性辨识困难;
对象大多滞后:设备庞大,流程距离长,传递阻力很大;
对象的非线性:对象特性随着负荷变化而变化;
控制系统比较复杂:积分环节、惯性环节、非振荡环节;
...

因此,在应用实施过程中,目前设计的各类过程控制系统,包括:简单的液位控制系统、单回路或/和多回路控制系统,及前馈控制、计算机控制系统...等等,都需要经过必要的理论计算,并采用现场调整的方法,才能达到预设的过程控制目标。

有关过程控制应用中的更多细节,我们会在以后的内容中和大家进一步深入探讨。

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