回顧半個世紀(jì)以來我國的儀表與儀器自動控制技術(shù)的發(fā)展及在線分析技術(shù)

回顧半個世紀(jì)以來我國自動控制技術(shù)的發(fā)展，我們曾經(jīng)忙忙碌碌地從研制簡單的機械式指示儀表到氣動和電動單元組合儀表，從單機自動化到成套控制系統(tǒng)，取得了很大成功。但是在檢測參量上則比較偏重于溫度、壓力、液位、流量等熱工參數(shù)，直到20世紀(jì)50年代后期也只有很少的幾種工業(yè)用的熱導(dǎo)式CO和CO2氣體分析儀器可作為鍋爐燃燒效率的參考。1959年，北京分析儀器廠開始籌建(算是蘇聯(lián)援助的156項國家重點建設(shè)項目中最后的補充項目)，它的主導(dǎo)產(chǎn)品是用于原子能核材料分析用的同位素質(zhì)譜計和化學(xué)分析用的色譜儀以及核磁共振波譜儀等實驗室用分析儀器。值得一提的是在它的產(chǎn)品大綱中除上述產(chǎn)品外還有工業(yè)用紅外線氣體分析儀(即蘇聯(lián)型號OA，但并未投產(chǎn))、磁氧分析器以及標(biāo)準(zhǔn)氣體配氣站的概念設(shè)計等新內(nèi)容，而這些項目為我們進(jìn)入連續(xù)在線成分量檢測奠定了基礎(chǔ)。與此同時，通過質(zhì)譜儀和氣相色譜儀的研制，我們開始領(lǐng)悟到在成分量檢測技術(shù)中最令人煩心的事，即樣品的預(yù)處理以及如何排除共生物質(zhì)的干擾的定性定量的校正和數(shù)據(jù)處理。而恰在這時，通過對色譜和質(zhì)譜技術(shù)的探索，我們已意識到想要解決成分分析技術(shù)中的難點，可以將"分離與分析"解析為兩個技術(shù)系統(tǒng)來考慮。同樣，對自動化過程中有關(guān)成分量的分析，應(yīng)將"全譜"分析和計算技術(shù)相結(jié)合。于是我們又提出"為了滿足大型化工、石油工廠高度自動化的控制要求，把樣品進(jìn)行全面分離和分析，然后進(jìn)行綜合運算加工處理"的設(shè)想。

一 在線分析技術(shù)在先進(jìn)過程控制實時優(yōu)化中居不可或缺的地位

　　回想在1963年時，由于工作關(guān)系使我有較多機會學(xué)習(xí)并接觸到許多有關(guān)成分分析儀器的發(fā)展和可能應(yīng)用課題。那時我曾提出"分析技術(shù)儀表化與分析儀器自動化乃是解決科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化的重要手段"，并且，還提出"僅僅掌握了熱工參數(shù)并不可能探知隨著生產(chǎn)過程而出現(xiàn)的原料成分變化、觸媒性能衰減和雜質(zhì)積聚等現(xiàn)象。"我當(dāng)時的這些話，既有推理成分，也有鼓氣因素，不過今天看來似乎也還有些道理。

　　40年過去了，我們今天的流程控制技術(shù)總體規(guī)模越來越大，效率和效益指標(biāo)越來越高，并且隨著市場的激烈競爭，從原材料到品牌都要求能具有一定的柔性生產(chǎn)適應(yīng)性，節(jié)約能源和保護環(huán)境也引起社會極大的關(guān)注。所以，應(yīng)運而生的先進(jìn)控制技術(shù)(APC)、實時優(yōu)化(RT-OPT)用于提高裝置操作、控制、管理水平，來追求更大的經(jīng)濟效益，已成為當(dāng)今(特別是石化企業(yè))迫切需要解決的熱門手段?？墒窃谶@樣大的熱潮下，在線分析儀器卻成了一個難題。我想應(yīng)該再次呼吁從事分析儀器和自動化技術(shù)工作的同志們攜起手來，重視并積極參與在線分析儀器的開發(fā)和生產(chǎn)。

　　這些都是40年前通過工作實踐和理論結(jié)合想到的一些思路和可能走的途徑?？上?，由于歷史的原因，使我們浪費了許多年的時間。同樣可惜的是，改革開放后引進(jìn)大型成套工程所帶的流程分析儀器與國產(chǎn)儀器之間的差距越來越大;出現(xiàn)了工廠規(guī)?；麨榱恪⑼顿Y不足、技術(shù)骨干流失等現(xiàn)象。若再談?wù)衽d，真得從長計議。

　　這幾年由于參與分析儀器學(xué)會的學(xué)術(shù)活動以及學(xué)習(xí)現(xiàn)場總線技術(shù)，不斷地與自動化學(xué)術(shù)界與工程設(shè)計的專家們交往，使我眼界大開。如在諾大的一個石化工程中，除了中央控制室里和現(xiàn)場若干成分量分析儀的專用柜外，還大量出現(xiàn)"分析系統(tǒng)集成小屋"。據(jù)我以前搜集到的信息，僅僅以廣東茂名的30萬噸乙烯工廠為例，便有10多個分析系統(tǒng)集成小屋，分布在各生產(chǎn)裝置現(xiàn)場，總設(shè)備投資約500萬美元。

　　他們所用的在線分析儀器已有150臺之多。

　　他們所用的在線分析儀器已有150臺之多。

　　二 案例分析

　　1.美好的設(shè)想

　　目前，由于經(jīng)濟全球化的影響，國內(nèi)外石化企業(yè)正在大規(guī)模地進(jìn)行生產(chǎn)裝置的提升改造和/或控制系統(tǒng)的更新，特別是通信網(wǎng)絡(luò)和計算機軟件技術(shù)發(fā)展神速，于是便產(chǎn)生了三大熱點問題：

　　(1)以多變量預(yù)估控制為代表的先進(jìn)控制技術(shù);

　　(2)以在線實時優(yōu)化為核心的過程優(yōu)化技術(shù);

　　(3)以信息管理和工業(yè)控制集成為中心的CIMS技術(shù)。

　　2.14萬噸/年聚丙烯裝置實例

　　14萬噸/年聚丙烯裝置由A、B兩條生產(chǎn)線組成，它使用高效催化劑，是液、氣兩相結(jié)合的本體法聚合工藝，可以生產(chǎn)均聚物、無規(guī)共聚物和嵌段共聚物等10多種牌號的產(chǎn)品。自1987年投產(chǎn)以來，裝置運行基本正常。由于聚合反應(yīng)機理復(fù)雜，對關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的熔融指數(shù)(Melt

　　Flow

　　Rate-MFR)、漿液濃度、反應(yīng)器產(chǎn)導(dǎo)等重要工藝參數(shù)(實質(zhì)上就是成分量參數(shù))不能進(jìn)行在線測量，在一定程度上影響了生產(chǎn)的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量的提高。具體說就是：

　　(1)因漿液濃度不好測控，影響聚合反應(yīng)器的穩(wěn)定性;

　　(2)因最直接的質(zhì)量指標(biāo)熔融指數(shù)難以嚴(yán)格測控，帶來一系列的質(zhì)量問題;

　　(3)由于市場需求不同，不可避免地在不同產(chǎn)品生產(chǎn)切換過程中會帶來損失(包括過渡時間長，單體和催化劑等用料多，優(yōu)級品率低，甚至產(chǎn)生因堵塞而造成的非計劃停車等)。

　　針對上述因素，該裝置的APC軟件系統(tǒng)分為3個部分，即：

　　(1)APC推理計算(APCInferentialCalculation)

　　從表面上看，推理計算過程也是建立反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型的過程，它的機理是要正確反應(yīng)過程的質(zhì)量平衡和能量平衡。其基本算式為：

　　MassIN=MassOUT(1)

　　各組分的總質(zhì)量平衡算式為

　　dM/dt=Mi-Mo+生成的M

　　式中M——反應(yīng)器中反應(yīng)物的質(zhì)量

　　Mi——注入質(zhì)量

　　Mo——流動質(zhì)量

　我個人思想上比較保守，總認(rèn)為硬件(指工藝和裝備檢測與控制)和軟件(科技與管理)在不同時期不同條件下都有一定的比例協(xié)調(diào)關(guān)系，弄不好就會失調(diào)以至失控。特別是目前社會上有部分人把推理計算和建模擺在唯一和必然的途徑，這往往就掩蓋了物化過程中產(chǎn)生的本質(zhì)問題。所以，我對APC在這次改造工程中的作用非常感興趣，因為它的確能取得良好的經(jīng)濟效益，但同時也表明如果我們能使用高性能的在線分析儀器，那么整個控制系統(tǒng)的效果便會好很多。

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