★ 陜西龍華集團煤業科技發展有限公司 喬鵬

關鍵詞：智能傳感技術；化工儀表；自動化監測；數據處理算法；系統設計

化工行業生產規模不斷增大，工藝流程也變得更為冗雜，傳統靠著人工巡檢與單一儀表監測的方式，已經難以適應現代化生產對安全管控及穩定運行的高標準要求。在化工實際生產中，溫度、壓力、流量及有害氣體濃度等核心參數變化頻繁且相互關聯 [1] ，若監測不及時或數據存在偏差，極易造成設備運行異常，嚴重時還會引發安全事故。所以，提高監測手段的自動化以及智能化水平，是化工行業發展的一個重要方向。

最近幾年，智能傳感技術發展很快，各種傳感器已在工業場所大規模應用。通過數據處理方法與自動控制手段，不僅可以實現更精準、高效的數據采集，還可以及時識別異常情況并提前預警[2] ，有效減少了人工操作，提升了系統響應速度。自動化監測系統正朝著網絡化和集成化的方向發展，為遠程監控以及統一管理提供了技術基礎。

依據上述背景，本文提出了一種基于智能傳感技術的化工儀表自動化監測系統設計方案。該系統通過采集并監測化工生產中的重要參數，為化工生產過程的安全性提供了保障。

1   化工儀表自動化監測系統總體架構設計

化工儀表自動化監測系統采用分層架構的設計，整體劃分為數據采集層、傳輸層、處理與控制層以及監控與管理層。各層級職責清晰、協同配合，實現了化工生產全流程的實時監控。系統整體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構圖

數據采集層包含溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器以及液位傳感器等多種傳感器。各類傳感器可以實時獲取生產過程中的各項核心參數，再通過數據采集模塊傳送到數據傳輸層。

數據傳輸層的主要功能是利用工業以太網或無線網絡傳送所收集到的數據，以保證數據平穩、迅速地到達處理層。

數據處理與控制層負責對收集到的信息進行處理與分析，通過智能算法來判斷工況是否正常，并根據判斷的結果采取相應的控制措施，以保證生產過程的穩定性。

監控與管理層為用戶提供了一個操作平臺。該平臺可以顯示實時數據、歷史記錄及系統預警信息，方便操作人員隨時監測儀表狀況并進行及時調整。

2   系統硬件設計

2.1   數據采集與處理電路設計

數據采集與處理電路主要對溫度、壓力、氣體濃度等傳感器輸出的模擬信號進行調理、轉換及處理，實現了現場參數的實時采集和可靠傳輸。該電路主要包含傳感器模塊、信號調整電路、模數（A/D）轉換模塊、微控制器以及通信模塊。數據采集與處理電路示意圖如圖2所示。

圖2 數據采集與處理電路示意圖

圖2中，溫度、壓力與氣體傳感器采集現場工況信號，并將其輸入到信號調理電路中，經過處理后，送入A/D轉換器進行數字化[3]。隨后，微控制器對數字化數據進行計算與分析，再經由I2C或SPI接口將數據傳送至通信模塊，最后上傳至上位機監控系統，實現設備工況的實時監測與遠程管理。

2.2   傳感器監測模塊

傳感器監測模塊主要用于采集生產現場的關鍵參數，包括溫度、壓力、流量以及有害氣體濃度等，為系統的穩定運行提供了可靠的數據支持。該模塊采用多個智能傳感器協同工作，通過合理布施傳感節點，實現了對化工生產過程多參數的持續監測，提高了系統運行的安全性和穩定性。

在詳細設計中，溫度傳感器用于監測反應釜以及管道周邊的環境溫度變化，壓力傳感器用于檢測設備運行時的壓力情況，流量傳感器用于采集介質輸送的相關信息，氣體濃度傳感器用于監測有害氣體含量，防范泄漏事故發生。各類傳感器通過統一接口接入傳感器管理單元，由其對采集到的信號進行集中處理，并穩定地向外輸出數據。

系統通過數據融合與狀態檢測模塊，對多源采集數據進行綜合分析。隨后，系統利用異常判斷模塊來識別溫度過高、壓力異常或有害氣體濃度超標等故障工況。當監測到的數據超出安全閾值時，系統通過預警輸出接口向數據采集與處理電路發送信號，實現自動報警和控制。傳感器監測模塊的結構如圖3所示。

圖3 傳感器監測模塊結構圖

3   系統軟件設計

3.1   數據采集與處理算法

系統運行時，傳感器采集的數據易受環境干擾和設備波動影響，導致測量數據不準確。因此，需采用加權濾波算法對原始數據進行平滑降噪處理。

為降低隨機誤差，系統引入加權滑動平均算法對實時采集的數據進行預處理[4] ，其計算模型如式（1）所示：       

原始數據經平滑處理后，再通過殘差判斷算法進行異常數據提取[5]，具體計算方法如式（2）所示：

其中，et為當前數據殘差，xt   為上一時刻數據。若殘差超過預設閾值，系統即可判定工況存在異常波動，并自動觸發預警機制。

為提升系統對不同工況的適應能力，監測閾值可依據系統歷史運行狀態進行自適應調整，其更新模型為式（3）：

其中，Tnew為更新后的閾值， Told為原閾值， k為調節系數，eavg為歷史平均殘差。

系統采用特定的數據采集與處理算法，有效減少了噪聲干擾，穩定處理了多傳感器數據并實現了閾值動態調整，從而顯著提升了監測數據的準確度和可靠性。處理后的監測數據將作為自動化監測程序的輸入參數，為設備狀態判斷和控制決策提供依據，實現數據處理和程序控制的協同工作，從而為化工儀表自動化監測系統提供可靠的數據支撐。

3.2   化工儀表自動化監測程序設計

化工儀表自動化監測程序主要對處理后的監測數據進行邏輯分析，完成自動控制，并在必要時進行報警管理，以確保化工生產過程的安全穩定。

程序運行時，系統首先依據設定的目標參數計算當前運行的偏差值，再根據這個偏差值來判斷設備的實際工作狀態，其計算模型如式（4）所示：

其中， t為當前控制偏差， yet為系統設定的目標運行值，yt為處理后的實時監測數據。

若偏差變大，表明系統運行狀態偏離了設定的目標值，此時程序將自動開啟調節。

系統根據偏差變化對執行機構進行動態控制，其控制輸出模型為式（5）：

其中，vt為控制輸出量，K為比例調節系數，K2為變化調節系數，為上一時刻偏差。

在控制輸出模式下，系統可依據實時數據自動調節閥門開度、泵的轉速或冷卻設備的功率，使設備逐步回到安全運行區間[6]。當監測參數超出安全閾值時，程序將立即觸發報警模塊，并執行緊急控制措施，進一步提升了系統運行的穩定性和安全性。化工儀表自動化監測程序流程如圖4所示。

圖4 化工儀表自動化監測程序流程

4   系統測試分析

4.1   測試環境與測試方案

為驗證基于智能傳感技術的化工儀表自動化監測系統的實際運行效果，我們對其進行了性能測試。測試環境模仿實際的化工生產流程設置，以溫度、壓力以及流量為核心監測指標，構建包含智能傳感器、數據采集模塊、自動控制程序與報警裝置的測試平臺。實驗期間系統連續運行48小時，每4小時采集并記錄一組溫度監測數據。

實驗過程中，傳感器持續采集設備運行參數，并通過特定方法對采集信號進行濾波及修正誤差處理。隨后，自動化監測系統根據計算得出的偏差值下發相應指令， 一旦識別異常狀況，立即發出警報。本次測試內容包括數據的穩定性、控制的響應速度以及報警的準確性，以此綜合評估該系統在化工儀表自動化監測中的實際應用效果。

4.2   系統運行測試分析

系統在持續運行過程中，可實時記錄溫度變化數據，并自動繪制系統運行趨勢曲線，如圖5所示。

圖5 化工儀表自動化監測系統運行趨勢圖

由圖5可知，原始傳感器采集的數據變化趨勢較大，易受外界環境影響，穩定性較差。傳統系統雖能夠對數據進行處理，但當設備運行趨勢較大時，會出現反應遲緩的情況。而本文所提出系統的運行曲線更加平穩，數據波動明顯降低，可以更好地反映設備的實際運行狀態。

當溫度發生突變時，本文系統可以快速完成控制調節，使系統在短時間內恢復穩定。相比之下，傳統系統完成調整需要花費更長的時間。這說明，將智能傳感技術和自動化監測程序相結合，能夠有效提升系統的響應速度及運行的穩定性。

4.3   系統性能對比分析

為進一步評估系統性能，本文統計分析了不同監測系統的運行結果，如表1所示。

表1  自動化監測系統性能對比

由表1數據可知，本文設計的系統在數據采集方面表現優異，溫度、壓力以及流量的采集誤差均未超過1.5%， 說明該系統采集的數據精度較高。在控制響應上， 該系統可以在0.8秒內完成自動調節， 說明其響應速度較快；在報警功能上，該系統報警準確率可達97%，能夠及時識別異常并發出預警。另外，該系統可以連續穩定運行48小時以上，顯示出較好的可靠性與穩定性。

5   結束語

本文針對化工儀表自動化監測的實際應用需求，提出了一種基于智能傳感技術的自動化監測系統。該系統采用多個傳感器協同工作，結合數據處理算法，可以穩定地采集并實時地控制化工生產中的溫度、壓力與流量等重要參數。測試結果表明，該系統在數據精度、響應速度和報警準確率上表現良好，可有效提高化工生產的安全性與穩定性。后續研究可考慮在現有系統基礎上融入物聯網及遠程監控技術，以實現多設備協同管理和智能化操作，為化工儀表自動化監測系統的推廣應用提供技術支持。

作者簡介：

喬    鵬（1992-），男，陜西神木人，助理工程師，學士，現就職于陜西龍華集團煤業科技發展有限公司，主要研究方向為儀表自動化。

參考文獻：

[1] 程鵬飛. 基于單片機技術的化工儀表自動化控制系統[J]. 微型電腦應用, 2024, 40 (10) : 6 - 9.

[2] 鐘成軒. 基于模糊算法的化工企業自動化儀表系統設計[J]. 電子產品世界, 2025, 32 (2) : 46 - 49.

[3] 陸啟武. 基于多傳感器的化工有害氣體自動預警系統研究[J]. 自動化儀表, 2024, 45 (1) : 8 - 12.

[4] 劉閣, 陳俊森, 張永昌, 等. 基于LabVIEW的反應釜監測系統設計[J]. 工業儀表與自動化裝置, 2024, (5) : 24 - 30.

[5] 林萬洲, 潘向東, 胡吉, 等. 天然氣凈化廠在役切斷閥防卡澀氣路控制系統設計優化[J]. 化工設備與管道, 2026, 63 (1) : 96 - 101.

[6] 衛昭新. 基于網絡化控制的化工工業自動化系統安全研究[J]. 自動化與儀器儀表, 2024, (8) : 159 - 162.

摘自《自動化博覽》2026年5月刊