基于PLC 的化工自动化控制系统优化研究

一、引言

化工行业作为国民经济的重要支柱产业，具有生产过程复杂、危险性高、连续性强等特点。随着科技的不断发展，化工生产对自动化控制的要求越来越高。可编程逻辑控制器（PLC）因其可靠性高、编程灵活、抗干扰能力强等优点，在化工自动化控制系统中得到了广泛应用。然而，现有的基于 PLC 的化工自动化控制系统在实际运行中仍存在一些问题，如控制精度不够、系统稳定性不足、通信效率低下等，这些问题制约了化工生产的进一步发展。因此，对基于PLC 的化工自动化控制系统进行优化研究具有重要的现实意义。

二、基于PLC 的化工自动化控制系统概述

（一）化工自动化控制系统的基本概念

化工自动化控制系统是指利用自动化技术对化工生产过程中的各种参数（如温度、压力、流量、液位等）进行实时监测、控制和调节，以实现化工生产的自动化、稳定化和优化运行。该系统通常由传感器、控制器、执行器和被控对象等部分组成，通过信号的传输和反馈实现对生产过程的精确控制。

（二）PLC 在化工自动化控制系统中的应用

PLC 是一种专门为工业环境应用而设计的数字运算操作电子系统，它采用可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。在化工自动化控制系统中，PLC 主要应用于过程控制、顺序控制和逻辑控制等方面。它可以实现对化工生产过程中的各种参数的实时采集和处理，根据预设的控制策略输出控制信号，驱动执行器完成相应的动作，从而实现对生产过程的自动化控制。

（三）现有系统存在的问题

当前基于 PLC 的化工自动化控制系统在实际应用中仍面临多方面的挑战。首先，控制精度存在不足，由于化工生产过程具有高度复杂性和不确定性，系统易受多种干扰因素影响，导致控制参数发生波动；加之部分 PLC 设备所采用的控制算法相对简单，难以满足高精度控制的需求。其次，系统稳定性较差，化工现场常处于高温、高压、强腐蚀等恶劣环境，对 PLC 硬件和软件的可靠性构成严峻考验，在实际运行中可能出现硬件故障或软件错误，引发控制中断甚至失控，危及生产的连续性与安全性。此外，系统通信效率不高，化工自动化控制系统通常由多个子系统构成，彼此需进行频繁数据交换，然而现有通信网络在带宽、传输速率及可靠性方面存在局限，容易导致数据传输延迟或丢失，影响系统整体运行的实时性与协调性。

三、基于PLC 的化工自动化控制系统优化策略

（一）硬件选型优化

为提升化工自动化控制系统的整体性能，硬件选型需科学优化。首先应选用高性能 PLC，依据控制规模与工艺要求，选择处理速度快、存储容量充足且I/O接口丰富的型号，并重点考虑其在高温、高压、强腐蚀等恶劣环境下的可靠性与抗干扰能力，保障系统持久稳定运行。其次，需合理配置传感器与执行器，这些设备直接影响控制精度与系统响应性能。应选用精度高、可靠性强、响应迅捷的传感器与执行器，并结合实际控制需求进行科学选型与布局，确保数据采集准确、信号执行可靠，从底层硬件层面为系统控制效果奠定坚实基础。

（二）控制算法改进

控制算法的优化是提升系统精度的关键。传统 PID 控制虽应用广泛，但在面对化工过程中常见的非线性、时变性等复杂特性时表现有限。可引入模糊控制、神经网络或自适应控制等先进算法，与PID 结合形成复合控制策略，增强系统在多变工况下的适应能力和控制精度。同时，应注重控制参数的优化，借助实验与仿真手段，并引入遗传算法、粒子群算法等智能优化方法，实现参数自动整定，提升系统在不同生产状态下的控制效果，兼顾响应速度与稳定性。

（三）通信网络优化

通信网络的性能直接影响系统协调与实时控制能力。在通信协议选择方面，应结合系统实际需求，选用如工业以太网、Profibus、Modbus 等通用且可靠的协议，保证良好的实时性、兼容性与传输稳定性。另一方面，需构建高速稳定的物理通信网络，采用冗余网络拓扑结构，避免单点故障，并在发生链路中断时自动切换备用路径，保障通信连续性。通过网络结构优化，减少数据传输延迟与冲突，显著提升系统通信效率与整体协作能力。

（四）软件设计优化

软件设计优化有助于提升系统的可维护性与操作效率。推荐采用模块化程序设计方法，将控制功能划分为独立模块，明确接口规范，便于开发调试与后期扩展，同时增强程序可读性和可复用性。在人机界面方面，应设计直观、友好的监控界面，整合实时数据展示、历史查询、报警管理及远程操作等功能，注重界面简洁与操作便捷，帮助操作人员迅速掌握生产状态并进行高效干预，提升整体系统的人机协作水平。

（五）故障诊断与容错优化

为提高系统可靠性，需健全故障诊断与容错机制。通过布设传感器实时采集运行数据，构建基于专家系统、神经网络或模糊推理的故障诊断模型，实现早期异常检测与故障定位，提升系统预维护能力。同时，应设计完善的容错控制策略，结合硬件冗余、软件冗余、故障隔离与动态重构等方法，在局部发生故障时仍能维持系统基本运行或实现安全停机，最大限度保障生产连续性和操作安全。

四、优化效果评估

（一）评估指标体系建立

建立一套科学合理的优化效果评估指标体系，包括控制精度、系统稳定性、通信效率、生产效率、产品质量、安全性能等方面的指标。通过对这些指标的定量分析和评价，全面评估优化策略的实施效果。

（二）评估方法选择

采用对比分析法、实验验证法等方法对优化效果进行评估。对比分析法是将优化前后的系统性能指标进行对比分析，直观地展示优化效果。实验验证法是通过在实际化工生产环境中进行实验，收集相关数据，对优化策略的有效性和可靠性进行验证。

（三）评估结果分析

根据评估指标体系和评估方法，对优化后的基于 PLC 的化工自动化控制系统进行全面评估。分析评估结果，总结优化策略的优点和不足之处，为进一步优化系统提供参考依据。

五、结论与展望

本研究围绕基于PLC 的化工自动化控制系统优化展开，通过硬件选型、算法改进、网络优化等多维度策略，有效提升了系统控制精度、稳定性与通信效率，为化工生产带来积极影响。然而，化工自动化领域发展迅速，未来仍有诸多方向值得探索。一方面，可深入研究更前沿的控制算法与通信技术，持续提高系统性能；另一方面，强化系统安全保障，利用大数据与人工智能实现智能运维。随着技术不断进步，优化后的系统将在化工行业发挥更大作用，推动行业迈向更高水平的自动化与智能化。

参考文献

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[2] 赵红丽 , 吕艳华 . 现代化工仪表及化工自动化的过程控制分析 [J]. 山东化工 , 2024, 53 (20): 190-191+195 .

作者简介：齐婷婷（1984 年4 月） 女 汉族 人本科 研究方向：电子工程及自动化控制专业