摘要
本文介紹變頻技術(shù)和綠色設(shè)計技術(shù)在催化劑廠完善新型催化劑生產(chǎn)工藝改造中的應(yīng)用，并說明系統(tǒng)最優(yōu)控制及最優(yōu)控制參數(shù)的計算。系統(tǒng)運行情況較好，值得推廣使用。

關(guān)鍵詞
變頻調(diào)速、雙閉環(huán)、綠色設(shè)計和制造、最優(yōu)控制

Abstract：
The paper provides the application on the frequency inverters technique and green designing of perfecting the new type activator yield arts and crafts rebuild in activator factory, and explains the calculate of the best of all control and the best of all control parameter in the system. The system runs preferably and spreads used broadly.

Keyword：
Frequency inverters adjusting speed 、Double closed loop、Green designing and making 、the best of all control

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)時間較長，嚴重影響產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。(2)由于計量設(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，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。 (3)由于物料的特殊化學(xué)性質(zhì)，腐蝕性及粉塵污染較嚴重，嚴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，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)領(lǐng)導(dǎo)商量決定對催化劑生產(chǎn)工藝進行改造，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行改造，改造方案為：(1)高嶺土打漿與儲備2套；(2)鋁石打漿與儲備1套；(3)分散劑打漿與儲備1套。文中重點介紹變頻調(diào)速的雙閉環(huán)控制及綠色設(shè)計的應(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、PLC、配料皮帶秤、星型給料機、變頻器、調(diào)節(jié)器、流量計、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：第一路閉環(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、皮帶輸送機等組成。變頻器選用臺達VFD015A43B，它主要用于控制星型給料機給料，配料皮帶秤檢測流經(jīng)輸送機上的物料，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)回路的目標值；另一路傳送給變頻器，通過調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)變頻器的V/F值，來調(diào)節(jié)星型給料機的轉(zhuǎn)速，從而保證流經(jīng)皮帶輸送機的高嶺土比較均勻，目的是產(chǎn)生較穩(wěn)定和準確的流量；第二路閉環(huán)控制是根據(jù)第一路傳送的量來調(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，保證配比的準確性，從而保證混合料的質(zhì)量，提高系統(tǒng)的可靠性。


2、3最優(yōu)控制及控制系數(shù)的計算與設(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)被動或增加勞動強度。最優(yōu)控制不僅要實現(xiàn)生產(chǎn)過程相對靜態(tài)時的最優(yōu)，而且要求從一個工況轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪还r時也要自動起到最優(yōu)，即達到動態(tài)最優(yōu)控制。所謂動態(tài)最優(yōu)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)，使要控制的目標參數(shù)的函數(shù)在滿足約束條件下最優(yōu)。
　　要想達到最優(yōu)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)進行計算與設(shè)置呢？
　　在自動控制系統(tǒng)中，首先應(yīng)把流量大小轉(zhuǎn)化成計量的統(tǒng)一標準信號，建立信號之間的聯(lián)系，該系統(tǒng)中是將流量信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)化成標準電流信號，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)置的最大流量；Q2max為分散劑設(shè)置的最大流量
I為標準電流信號（20mADC）
設(shè)：K＇= I1＇/I1 ⑶
K＇為比值器的控制系數(shù)，要使系統(tǒng)達到最優(yōu)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)負荷Q1、Q2的大小無關(guān)。其次，根據(jù)生產(chǎn)過程中的情況進行計算來確定控制系數(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?？傻茫篕＇=K×1.2/6=K/5=0.2K。當K=0.2時，K＇=0.04；當K=0.5時，K＇=0.1；當K=1時， K＇=0.2，K＇值是根據(jù)生產(chǎn)工藝需要，通過上位機對DCS系統(tǒng)內(nèi)部2#PID進行設(shè)置。

2、4控制趨勢曲線
　　要達到系統(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，最終將系統(tǒng)調(diào)試成功，系統(tǒng)控制趨勢曲線見圖3示：



3、綠色設(shè)計與制造
　　綠色設(shè)計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)濟社會聯(lián)結(jié)成一個協(xié)調(diào)發(fā)展的有機整體，要求經(jīng)濟發(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)計的新思想。例如系統(tǒng)方案設(shè)計選擇時，將綠色設(shè)計新思想擺在首位，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；當在滿足生產(chǎn)工藝、保證產(chǎn)品質(zhì)量和采用綠色設(shè)計產(chǎn)生沖突時，采取資金傾斜政策，以滿足實際需要。在系統(tǒng)設(shè)計階段，將影響環(huán)境因素及預(yù)防污染的措施納入產(chǎn)品設(shè)計中，將環(huán)境性能作為產(chǎn)品設(shè)計的目標和出發(fā)點，使生產(chǎn)對環(huán)境的污染減少到最小，從根本上防治了污染，節(jié)約了能源和資源。設(shè)計中，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，全面實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，大大減少勞動強度、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，實現(xiàn)將物料進行全密封裝置，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)器進行變送后造成的誤差更大，同時由于調(diào)節(jié)器內(nèi)部采用2路4～20mA模塊，相互之間干擾較嚴重，傳送到DCS的信號發(fā)現(xiàn)明顯失蹤。后來對設(shè)計進行考慮，通過試驗發(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行改造，使其準確的將一路4～20mA模擬接口同時送給調(diào)節(jié)器和DCS，既保證調(diào)節(jié)器正常調(diào)節(jié)，又滿足DCS準確采集流過輸送機的物料。
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)嚴重的超調(diào)現(xiàn)象，系統(tǒng)振蕩較嚴重，星型給料機時停時轉(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現(xiàn)
　　由于接就原生產(chǎn)工藝，由兩個料倉對輸送機（內(nèi)裝電子皮帶秤）進行給料，從而需要2臺星型料機進行給料，經(jīng)過多方面論證及生產(chǎn)工藝需要，采用2臺變頻器進行控制，但只提供一路4～20模擬信號，同時采用變頻器轉(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、當前應(yīng)用效果。
　　經(jīng)過為期一年左右時間對原生產(chǎn)工藝進行改進設(shè)計改造，現(xiàn)已投入運行，通過幾個月試運行來看，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)時間約為2.2小時，反應(yīng)后的混合物與其它七種物料反應(yīng)時間為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)，PLC、變頻器、電氣轉(zhuǎn)換閥等均采用進口器件，并經(jīng)過嚴格篩選，系統(tǒng)工作幾個月時間內(nèi)一直運行穩(wěn)定。

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