[關(guān)鍵詞]

1 、引言
　　某催化劑廠在完善新型催化劑生產(chǎn)工藝改造前的生產(chǎn)工藝過程是：先從輸送管道向攪拌罐投入一定量的高嶺土，再投入一定量的分散劑，經(jīng)過 2.2 小時(shí)反應(yīng)后，再依次加入其他 7 種物料，這樣做存在以下問題：
　　（1） 由于反應(yīng)時(shí)間較長，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。
　?。?） 由于計(jì)量設(shè)備落后，人為影響因素較重，投入分散劑量不能很好控制，投入過多，生產(chǎn)成本大大提高，造成浪費(fèi)，投入過少，影響產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)品不合格率提高，造成大量的廢品。
　?。?） 由于物料的特殊化學(xué)性質(zhì)，腐蝕性及粉塵污染較嚴(yán)重，嚴(yán)重影響工人的身體健康。
　　近幾年來，工業(yè)過程自動化程度越來越高及人們對環(huán)保意識的增強(qiáng)，變頻技術(shù)以其優(yōu)異的性能，在國內(nèi)外得以廣泛應(yīng)用，特別是隨著中國加入 WTO 以后，石化行業(yè)的競爭更加日趨激烈，并對產(chǎn)品的質(zhì)量提出更高的要求。針對原生產(chǎn)工藝過程中存在的問題，經(jīng)有關(guān)*商量決定對催化劑生產(chǎn)工藝進(jìn)行改造，保留其它 7 臺儲料罐不變，主要對高嶺土、鋁石及分散劑打漿進(jìn)行改造，改造方案為：
　?。?） 高嶺土打漿與儲備 2 套；
　?。?） 鋁石打漿與儲備 1 套；
　?。?） 分散劑打漿與儲備 1 套。
　　文中重點(diǎn)介紹變頻調(diào)速的雙閉環(huán)控制及綠色設(shè)計(jì)的應(yīng)用。

　　2 、調(diào)速控制單元的組成及工作原理
　　2 、 1 調(diào)速控制單元的組成
　　變頻調(diào)速控制單元主要由 DCS 、 變頻軟起 、配料皮帶秤、星型給料機(jī)、變頻器、調(diào)節(jié)器、流量計(jì)、電氣轉(zhuǎn)換閥等組成。其工藝流程見圖 1 所示：

　　2 、 2 調(diào)速控制單元的工作原理
　　變頻調(diào)速控制回路構(gòu)成雙閉環(huán)回路，見圖 2 ：*路閉環(huán)回路主要由電子皮帶秤、電腦積算器、變頻器、 AI 調(diào)節(jié)器、星型給料機(jī)、皮帶輸送機(jī)等組成。變頻器選用臺達(dá) VFD0143B ，它主要用于控制星型給料機(jī)給料，配料皮帶秤檢測流經(jīng)輸送機(jī)上的物料，并將信號傳送給電腦積算器，由電腦積算器發(fā) 4 ～ 20mA 的模擬信號給調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器發(fā)出兩路 4 ～ 20mA 的模擬信號，一路傳送給 DCS 系統(tǒng)，將其乘以系數(shù) K ，作為第二個閉環(huán)回路的目標(biāo)值；另一路傳送給變頻器，通過調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)變頻器的 V/F 值，來調(diào)節(jié)星型給料機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而保證流經(jīng)皮帶輸送機(jī)的高嶺土比較均勻，目的是產(chǎn)生較穩(wěn)定和準(zhǔn)確的流量；第二路閉環(huán)控制是根據(jù)*路傳送的量來調(diào)節(jié)分散劑的量，使分散劑的量跟隨高嶺土的量發(fā)生變化，一方面保證調(diào)節(jié)閥正常工作，另一方面又能保證高嶺土和分散劑按一定比例混合，保證配比的準(zhǔn)確性，從而保證混合料的質(zhì)量，提高系統(tǒng)的可靠性。

　　2 、 3 *控制及控制系數(shù)的計(jì)算與設(shè)置
　　生產(chǎn)過程是個復(fù)雜的動態(tài)過程，生產(chǎn)過程中的某一時(shí)刻的某一環(huán)節(jié)似乎是不可控的，因而造成生產(chǎn)被動或增加勞動強(qiáng)度。*控制不僅要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程相對靜態(tài)時(shí)的*，而且要求從一個工況轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪还r時(shí)也要自動起到*，即達(dá)到動態(tài)*控制。所謂動態(tài)*控制就是要找出起控制作用的參數(shù)的一個或一組參數(shù)，使要控制的目標(biāo)參數(shù)的函數(shù)在滿足約束條件下*。
　　要想達(dá)到*控制，關(guān)鍵是要確定合適的控制系數(shù)，那么怎樣對 PID 調(diào)節(jié)器的控制系數(shù)進(jìn)行計(jì)算與設(shè)置呢？
　　在自動控制系統(tǒng)中，首先應(yīng)把流量大小轉(zhuǎn)化成計(jì)量的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，建立信號之間的，該系統(tǒng)中是將流量信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電流信號，即 4 ～ 20mA 模擬電流，該電流的大小與流量大小成正比，這樣，顯然應(yīng)先把生產(chǎn)工藝上流量比值 K 折算成 DCS 內(nèi)部的比值系數(shù) K '，才能進(jìn)行比值設(shè)定，由圖 2 可知：

　　I1=Q1/Q1max × I ⑴ I2=Q2/Q2max × I ⑵
　　式中： I1 為高嶺土流量對應(yīng)的電流； I2 為分散劑流量對應(yīng)的電流
　　Q1 為高嶺土對應(yīng)的流量； Q2 為分散劑對應(yīng)的流量
　　Q1max 為高嶺土設(shè)置的zui大流量； Q2max 為分散劑設(shè)置的zui大流量
　　I 為標(biāo)準(zhǔn)電流信號（ 20mADC ）
　　設(shè)： K ' = I1 ' /I1 ⑶
　　K '為比值器的控制系數(shù)，要使系統(tǒng)達(dá)到*控制，即系統(tǒng)處于動態(tài)平衡狀態(tài)，須使
　　I1 ' =I2 ⑷
　　又設(shè)： K=Q2/Q1 ⑸
　　K 為生產(chǎn)工藝要求的比值，由⑴～⑸式可得：
　　K ' =K × Q1max/Q2max ⑹
　　由⑹式可知： K '與測量儀表的設(shè)置量程值有關(guān)，而與生產(chǎn)負(fù)荷 Q1 、 Q2 的大小無關(guān)。其次，根據(jù)生產(chǎn)過程中的情況進(jìn)行計(jì)算來確定控制系數(shù)，例如該系統(tǒng)中高嶺土的輸送能力為 6t/h ，分散劑的輸送量為 1.2t/h ?？傻茫?K ' =K × 1.2/6=K/5=0.2K 。當(dāng) K=0.2 時(shí)， K ' =0.04 ；當(dāng) K=0.5 時(shí)， K ' =0.1 ；當(dāng) K=1 時(shí)， K ' =0.2 ， K '值是根據(jù)生產(chǎn)工藝需要，通過上位機(jī)對 DCS 系統(tǒng)內(nèi)部 2#PID 進(jìn)行設(shè)置。

　　2 、 4 控制趨勢曲線
　　要達(dá)到系統(tǒng)工藝改造的目的，必須要求分散劑能夠很好地跟隨高嶺土的變化而變化，同時(shí)要求高嶺土的給料量能穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。盡管現(xiàn)場影響因素較多，但通過廣大人員的密切配合，zui終將系統(tǒng)調(diào)試成功，系統(tǒng)控制趨勢曲線見圖 3 示：

　　3 、綠色設(shè)計(jì)與制造
　　綠色設(shè)計(jì)與制造是人類可持續(xù)發(fā)展的必由之路，它將生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會聯(lián)結(jié)成一個協(xié)調(diào)發(fā)展的有機(jī)整體，要求經(jīng)濟(jì)發(fā)展必須考慮自然生態(tài)環(huán)境的長期承載能力，滿足人類長遠(yuǎn)生成的需要。
　　在系統(tǒng)的工藝改造中，從系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)到生成產(chǎn)品，包括生產(chǎn)過程中的周轉(zhuǎn)物、回收物及廢棄物等，都充分地利用綠色設(shè)計(jì)的新思想。例如系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)選擇時(shí)，將綠色設(shè)計(jì)新思想擺在*，在滿足生產(chǎn)工藝、保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，盡可能多地采用綠色設(shè)計(jì)；當(dāng)在滿足生產(chǎn)工藝、保證產(chǎn)品質(zhì)量和采用綠色設(shè)計(jì)產(chǎn)生沖突時(shí)，采取資金傾斜政策，以滿足實(shí)際需要。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，將影響環(huán)境因素及預(yù)防污染的措施納入產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，將環(huán)境性能作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的目標(biāo)和出發(fā)點(diǎn)，使生產(chǎn)對環(huán)境的污染減少到zui小，從根本上防治了污染，節(jié)約了能源和資源。設(shè)計(jì)中，采用 HONEYWELL 公司的 DCS 集散控制系統(tǒng)和變頻調(diào)速技術(shù)，真正體現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)，全面實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，大大減少勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率、降低噪聲污染、節(jié)約電能及減少對電網(wǎng)的沖擊。在物流過程中，實(shí)現(xiàn)將物料進(jìn)行全密封裝置，從而杜絕了粉狀及粉粒狀物料（如鋁石、高嶺土等）對周圍環(huán)境的污染，保護(hù)工人的身體健康。提高企業(yè)市場競爭能力和可持續(xù)發(fā)展能力。

　　4 、工藝改造中存在問題及解決
　　4 、 1DCS 采集的數(shù)據(jù)存在問題及解決
　　由于 DCS 主要采集 4 ～ 20mA 模擬電流信號，模擬電流存在自身的缺陷，特別是采集的 4 ～ 20m 流量信號通過調(diào)節(jié)器進(jìn)行變送后造成的誤差更大，同時(shí)由于調(diào)節(jié)器內(nèi)部采用 2 路 4 ～ 20mA 模塊，相互之間干擾較嚴(yán)重，傳送到 DCS 的信號發(fā)現(xiàn)明顯失蹤。后來對設(shè)計(jì)進(jìn)行考慮，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有兩種方式可以解決：其一：更換 PID 內(nèi)部 4 ～ 20mA 模塊，采用光電隔離型模塊，并對系統(tǒng)的接地加以處理。其二：直接采集電腦積算器的模擬信號，但是積算器的接口只有一個，后來對積算器的模擬輸出進(jìn)行改造，使其準(zhǔn)確的將一路 4 ～ 20mA 模擬接口同時(shí)送給調(diào)節(jié)器和 DCS ，既保證調(diào)節(jié)器正常調(diào)節(jié)，又滿足 DCS 準(zhǔn)確采集流過輸送機(jī)的物料。

　　4 、 2 調(diào)節(jié)閥變化頻率過快
　　調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)過程中，系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重的超調(diào)現(xiàn)象，系統(tǒng)振蕩較嚴(yán)重，星型給料機(jī)時(shí)停時(shí)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)閥頻率變化過快，不能正常工作，容易損壞。其原因主要是：料倉不能均勻下料、現(xiàn)場振動現(xiàn)象較嚴(yán)重、積算器和調(diào)節(jié)器內(nèi)部參數(shù)設(shè)置不合適。根據(jù)現(xiàn)場情況逐個進(jìn)行排除，從而保證調(diào)節(jié)閥正常工作。

　　4 、 3 變頻器控制方案的實(shí)現(xiàn)
　　由于接就原生產(chǎn)工藝，由兩個料倉對輸送機(jī)（內(nèi)裝電子皮帶秤）進(jìn)行給料，從而需要 2 臺星型料機(jī)進(jìn)行給料，經(jīng)過多方面論證及生產(chǎn)工藝需要，采用 2 臺變頻器進(jìn)行控制，但只提供一路 4 ～ 20 模擬信號，同時(shí)采用變頻器轉(zhuǎn)換開關(guān)，根據(jù)生產(chǎn)需要選用其中一臺或 2 臺全部工作。

　　5 、當(dāng)前應(yīng)用效果。
　　經(jīng)過為期一年左右時(shí)間對原生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)改造，現(xiàn)已投入運(yùn)行，通過幾個月試運(yùn)行來看，使用效果較好，具體表現(xiàn)在以下幾方面：

　　5 、 1 生產(chǎn)效率大大提高
　　原生產(chǎn)工藝中高嶺土和分散劑反應(yīng)時(shí)間約為 2.2 小時(shí)，反應(yīng)后的混合物與其它七種物料反應(yīng)時(shí)間為 40 分鐘，可見改造后生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)效率比以前提高 4 倍。

　　5 、 2 系統(tǒng)可靠性大大提高
　　由于系統(tǒng)采用 DCS 集散控制系統(tǒng)， 變頻軟起 、變頻器、電氣轉(zhuǎn)換閥等均采用進(jìn)口器件，并經(jīng)過嚴(yán)格篩選，系統(tǒng)工作幾個月時(shí)間內(nèi)一直運(yùn)行穩(wěn)定。

　　5 、 3 綠色設(shè)計(jì)和人性化設(shè)計(jì)得到充分體現(xiàn)
　　進(jìn)入二十一世紀(jì)后，隨著生活水平的提高，人們對環(huán)保意識明顯增強(qiáng)，綠色設(shè)計(jì)技術(shù)作為一門新興課題正在各行各業(yè)快速應(yīng)用。正是由于該系統(tǒng)充分利用綠色設(shè)計(jì)這一*思想，使得系統(tǒng)投入運(yùn)行后取得許多事前人們意想不到的效果。

　　5 、 4 產(chǎn)品質(zhì)量和合格率明顯提高
　　應(yīng)生產(chǎn)工藝需要，通過 DCS 系統(tǒng)設(shè)定好參數(shù)后，生產(chǎn)過程嚴(yán)格采用自動控制，避免了人為因素的干擾，從而大大地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和合格率。

　　5 、 5 工藝控制平穩(wěn)、穩(wěn)定
　　系統(tǒng)中采用雙閉環(huán)控制，并對系統(tǒng)參數(shù)實(shí)行*計(jì)算，輸入到 DCS 系統(tǒng)中的模擬電流信號（即第二路閉環(huán)控制的目標(biāo)值）基本上是個穩(wěn)定信號，從圖 3 中清楚地看到，系統(tǒng)控制精度在± 1% 范圍內(nèi)，并能平穩(wěn)地工作。

　　5 、 6 節(jié)能*
　　系統(tǒng)中用于變頻調(diào)節(jié)高嶺土、鋁石等的電機(jī)共有 6 臺，功率均為 1.5kw ，全部工作時(shí)功率為 9kw ，實(shí)際工作中，功率只達(dá)到 55 ～ 65% 之間，節(jié)約大量的能源。

　　6 、結(jié)束語
　　變頻技術(shù)和綠色設(shè)計(jì)技術(shù)在該石化公司催化劑廠高嶺土鋁石打漿生產(chǎn)工藝改造中的應(yīng)用，標(biāo)志著催化劑廠催化劑的整體水平提高，實(shí)踐表明：系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，環(huán)境得到優(yōu)化。這是公司*和廣大工程技術(shù)人員辛勤勞動的結(jié)果，值得在相應(yīng)系統(tǒng)中推廣使用。