化工厂自动化：效益、技术和实施

化工厂是现代化工生产的支柱。其错综复杂的工作流程及其带来的危险要求在流程中实现严格的准确性、安全性和流程自动化。自动化不再仅仅是提高生产率的手段，它还是工厂可靠运行和生态平衡的保证。对于包括化工制造商在内的任何化工企业而言，要保持市场竞争力，就必须了解化工行业自动化的基本原理、主要技术以及技术所产生的影响。

化工厂自动化的基本原理是什么？

化工厂等生产设施中使用的可辅助或完全替代人工干预的技术和系统被称为化工厂自动化。监测、控制和优化化工生产流程的目的是通过自动化来实现的。自动化包括所有活动；从基本的开/关控制到先进的流程优化和安全联锁系统。精确控制关键工艺参数（温度、压力、流量、液位等）是工艺目标之一。这样就能保证产品质量的一致性，提高生产效率，降低运营成本，并增强人员和设备的安全性。取代人工流程和减少人工干预是关键环节。自动化系统是工厂的 "神经系统 "和 "大脑"。它们实时监控系统内的变化，并发出指令以纠正生产水平。

化工厂自动化的主要优势

首先，自动化的主要优势之一是大大提高运行安全性。自动化提供的专业系统可以在危险情况下将工厂带入安全状态，从而防止安全事故的发生，降低事故风险。例如，通过 SIL 认证的自动化阀门可以在紧急情况下自动关闭或允许流体流动。它们在安全联锁系统中发挥着至关重要的作用。

其次，自动化提高了生产流程的有效性和效率，大大增强了统一性。自动化系统对变化的反应比人更频繁、更准确。人为因素引起的生产变化被降至最低，反应条件也得到启发式优化。这不仅提高了产量，也提高了总体收益。对化学反应和生产过程更精确的控制，可提高质量的一致性，降低废品率。

第三，生产成本问题直接受益于自动化系统。随着自动化程度的提高，机械取代了人工，从而减少了劳动力支出。此外，优化控制流程可以减少原材料和能源消耗，降低产品废品率。这有助于进一步节约成本和能源。有效的自动化还能最大限度地减少机器设备的过度磨损，延长其使用寿命，降低维护成本，从而提高运营效率。这提供了一个重要的竞争优势。

此外，自动化还能提高工厂的灵活性和反应能力。当市场需求发生变化时，自动化系统可以迅速调整生产计划和工艺参数。这样就可以小批量生产多种不同的产品。远程监控和诊断功能还有助于更快地解决问题，减少停机时间。

为自动化提供动力的基本技术

化工厂的自动化是一个复杂的结构。它依赖于多项核心技术的协同工作。这些技术构成了自动化系统的框架。它们能够监控、推理和出色地控制生产流程。了解如何集成和欣赏核心技术对于构建和改进自动化系统至关重要。关键技术包括 DCS 系统。以下是促进化工厂自动化的其他关键核心技术：

技术类型	缩略语	主要功能	在化工厂中的作用
分布式控制系统	DCS	分布式控制、集中管理、过程监控、警报处理	控制大型连续或批处理流程，提供全厂范围的协调控制
可编程逻辑控制器	PLC	逻辑控制、顺序控制、数据采集	控制单个设备或子系统，通常用于联锁和启动/关闭顺序
监控与数据采集	SCADA	远程监控、数据采集、数据存储、报告生成	监控分散的设备和系统，提供整体运行视图，支持远程操作和数据分析
安全仪表系统	SIS	与基本过程控制系统分开，检测危险情况并执行安全功能	在紧急情况下将工艺引入安全状态，降低风险，符合功能安全标准
现场总线和工业以太网	现场总线/工业以太网	将现场设备（传感器、执行器）与控制系统连接起来，进行数据传输和通信	简化布线，提高数据传输效率和可靠性，支持分布式控制
传感器和变送器	传感器和变送器	测量过程参数（温度、压力、流量、液位等），将模拟信号转换为数字信号以便传输	获取实时流程数据，是自动化系统的 "眼睛
致动器	致动器	接收控制信号，驱动最终控制元件（如阀门、电机）执行操作	将控制系统指令转化为物理动作，是自动化系统的 "手和脚"

一切都作为一个系统协同工作。它们通过软件和网络框架结合在一起。例如，传感器的数据通过现场总线或工业以太网传输到 DCS 或 PLC。控制器使用预定义的逻辑和算法处理接收到的信息。然后，它通过自动化装置（包括关键的自动化阀门）调整现场设备。操作员可通过 SCADA 系统了解工厂状态，并可进行调整，该系统可提供集中概览。设备安全由 SIS 系统与核心过程控制系统分开处理，该系统完全致力于确保最大程度的安全。

自动化在化工工艺中的应用

自动化在化学工程领域的作用几乎涵盖了化工厂的整个生产范围：

• 过程控制： 自动化系统可为反应器、蒸馏塔、热交换器或任何重要设备的工作流程维持流量、温度和压力。自动化系统可持续监测和控制流程。
• 批量控制： 在精细化工和制药领域，自动化系统可用于材料添加、反应间隔计时和温度曲线调整。这种严格的控制保证了批次间的可重复性。
• 安全联锁和紧急关闭 (ESD)： SIS 系统可检测到异常情况。为缓解不断恶化的情况，系统会自动执行泵送和阀门关闭以及其他预定义的安全操作。
• 资产管理和预测性维护： 自动化系统收集设备利用率的测量数据。通过评估这些信息，可以预测设备故障，从而有计划地进行维修。自动化可最大限度地减少被动闲置时间。
• 能源管理： 公用事业控制系统具有多任务处理能力。除了监控更重要的流程外，它们还能监控不那么关键的流程，如：冷却水、电力和蒸汽。这样可以优化降低运行成本。
• 警报管理： 操作员通过自动化系统对异常情况发出警报。警报通过智能系统过滤，帮助操作员迅速应对关键问题。自动化系统有助于有效管理生产计划，并在正确的时间安全处理危险材料。

阀门在自动化系统中的重要作用

在任何化工自动化系统中，阀门都是流体流量控制的关键部件。它们是流体流量的决定因素，因此会影响整个流程的准确性和安全性。即使是简单的开关动作，也需要精确的阀门机械结构。

自动化阀门配有气动、电动或液压执行器。控制系统命令它们改变流体的方向、流速或压力。控制阀非常重要，因为它们可以根据发送给它们的控制信号的变化对流体速度进行平衡调整。它们对于闭环控制至关重要。从安全角度来看，安全阀或溢流阀至关重要，因为它们可以作为第一道防线，在超过预设的自动阈值时排出多余的压力，从而保护设备和管道的安全。

阀门在任何自动化系统中都至关重要。无论控制系统多么先进，过于粗心、缓慢或不准确的阀门都会导致控制失效。有时，这些系统还会带来安全风险。因此，要使化工厂的自动化系统顺利运行，就需要考虑到介质、温度、压力和工艺要求的精确自动化阀门。

克服自动化实施过程中的挑战

化工厂自动化项目的实施并非一帆风顺，面临着许多挑战：

技术集成与兼容性

由于不同供应商的设备和自动化系统具有不同的通信接口，因此对其进行集成极具挑战性。系统组件之间无缝的信息交换需要熟练的系统集成技术。

网络安全风险

自动化系统与公司网络的距离越近，网络安全威胁就越大。针对控制系统的控制病毒、恶意软件和网络攻击需要强大的防御和应急计划。

人员培训和技能提高

自动化集成改变了操作员和维护人员的工作流程。工作人员现在需要接受全面培训，以便操作、监控和维护系统。此外，还应组织多学科培训。

成本控制和投资回报

自动化项目的前期投资通常很高。在控制成本和准确评估投资回报的同时，确保系统的性能和可靠性对决策者影响极大。

维护和备件管理

与其他系统一样，自动化系统也需要在技能和工具方面进行有效管理。实施维护策略和保存关键备件库存，可在规定的时间内轻松检索和更换无法运行的系统中的部件。反过来，这也有助于促进整个自动化系统的持续稳定运行，减少甚至消除系统故障。

化工厂自动化的未来趋势

化工厂自动化正朝着更智能、更互联、更独立的方向发展：

• 工业物联网 (IIoT) 和大数据分析： 更多的传感器和智能设备将用于收集大量生产数据。大数据分析将从这些数据中发现有价值的见解。这些数据将用于优化流程、预测故障和帮助决策。
• 人工智能（AI）和机器学习： 算法的使用将改善控制优化、设备性能预测、异常和事件检测、智能警报管理以及整体系统性能。这将增强系统的学习和适应行为。
• 数字孪生 虚拟构建工厂模型。这种模型可以利用实时数据模拟工厂的运行，从而优化流程，协助培训操作人员和进行风险评估，进而进行预测和优化。数字化转型正在推动这些技术的应用。
• 云计算和边缘计算： 云计算可提供强大的数据处理和存储功能，而边缘计算则可在车间附近对设备进行处理和控制。这在提高数据安全性的同时，也延长了响应时间。
• 增强现实（AR）/虚拟现实（VR）： AR/VR 技术将用于现场维护、指导操作和培训员工，从而提高效率和安全性。

选择正确的自动化解决方案

选择正确的自动化解决方案对于化工厂来说至关重要。拥有一个真正能提供价值的可靠合作伙伴至关重要。在过去的十年中，作为一家技术公司，VINCER 一直专注于自动化阀门领域，现已跻身该领域的领导者行列。通过一站式自动化阀门服务，VINCER 可提供优质服务和巨大价值。

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结论

为了提高企业的盈利能力，必须实现化工厂的自动化。竞争力不仅包括生产和成本，还包括安全、可持续性和工厂的未来。对基本自动化技术的控制将使未来的化工厂更安全、更高效。克服实施方面的挑战、利用自动化的基本原理并选择合适的合作伙伴，这一切都将造就智能化工厂。自动化技术的进步将加强自动化在化工行业的应用，从而促进该行业的发展。