1、引言
齊魯石化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(zhǎng)，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。(2)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。 (3)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(dòng)化程度越來越高及人們對(duì)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，變頻調(diào)節(jié)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(jìng)爭(zhēng)更加日趨激烈，并對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量提出更高的要求。針對(duì)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(duì)催化劑生產(chǎn)工藝進(jìn)行改造，保留其它7臺(tái)儲(chǔ)料罐不變，主要對(duì)高嶺土、鋁石及分散劑打漿進(jìn)行改造，改造方案為：(1)高嶺土打漿與儲(chǔ)備2套；(2)鋁石打漿與儲(chǔ)備1套；(3)分散劑打漿與儲(chǔ)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
變頻調(diào)速控制單元主要由DCS、PLC、配料皮帶秤、星型給料機(jī)、變頻器、AI-808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：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-808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(tái)達(dá)VFD015A43B，它主要用于控制星型給料機(jī)給料，配料皮帶秤檢測(cè)流經(jīng)輸送機(jī)上的物料，并將信號(hào)傳送給電腦積算器，由電腦積算器發(fā)4～20mA的模擬信號(hào)給調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器發(fā)出兩路4～20mA的模擬信號(hào)，一路傳送給DCS系統(tǒng)，將其乘以系數(shù)K，作為第二個(gè)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)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(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 AI-808調(diào)節(jié)器
AI-808調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)： 國產(chǎn)較先進(jìn)的儀表，內(nèi)部采用了高性能的ASIC芯片和模塊化硬件設(shè)計(jì)，在輸入、輸出信號(hào)上均采用了數(shù)字校正技術(shù)，以消除穩(wěn)定性較差的可調(diào)電阻所帶來的誤差；通過自動(dòng)調(diào)零技術(shù)的應(yīng)用可長(zhǎng)期使用而不會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，測(cè)量數(shù)字精確穩(wěn)定；具有多種輸入、輸出規(guī)格和報(bào)警方式設(shè)置。不僅具備手動(dòng)/自動(dòng)無擾動(dòng)切換操作功能，還具備手動(dòng)自整定和顯示輸出值等，以及用作伺服放大器直接控制閥門位置的比例輸出，電源可在85-264VAC（50-60HZ）寬范圍內(nèi)波動(dòng)，在強(qiáng)干擾的環(huán)境下也能保證測(cè)量的精度和工作的穩(wěn)定性。
目前國內(nèi)外生產(chǎn)調(diào)節(jié)器的產(chǎn)家較多，我們通過比較，選用廈門宇電公司的AI-808調(diào)節(jié)器，主要是基于以下幾點(diǎn)原因：（1）產(chǎn)品的性價(jià)比高；（2）產(chǎn)品的可靠性高，穩(wěn)定性好；（3）售后服務(wù)及時(shí)；（4）800免費(fèi)電話。實(shí)踐也已經(jīng)證明了我們當(dāng)初的選擇是正確的。
2、4最優(yōu)控制及控制系數(shù)的計(jì)算與設(shè)置
生產(chǎn)過程是個(gè)復(fù)雜的動(dòng)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(dòng)或增加勞動(dòng)強(qiáng)度。最優(yōu)控制不僅要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程相對(duì)靜態(tài)時(shí)的最優(yōu)，而且要求從一個(gè)工況轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪还r時(shí)也要自動(dòng)起到最優(yōu)，即達(dá)到動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制。所謂動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制就是要找出起控制作用的參數(shù)的一個(gè)或一組參數(shù)，使要控制的目標(biāo)參數(shù)的函數(shù)在滿足約束條件下最優(yōu)。
要想達(dá)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(duì)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(dòng)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(hào)，建立信號(hào)之間的聯(lián)系，該系統(tǒng)中是將流量信號(hào)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，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(duì)應(yīng)的電流； I2為分散劑流量對(duì)應(yīng)的電流
Q1為高嶺土對(duì)應(yīng)的流量； Q2為分散劑對(duì)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(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)（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)到最優(yōu)控制，即系統(tǒng)處于動(dòng)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(cè)量?jī)x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。可得：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(duì)DCS系統(tǒng)內(nèi)部2#PID進(jìn)行設(shè)置。
2、5控制趨勢(shì)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(chǎng)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(shì)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(huì)聯(lián)結(jié)成一個(gè)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(zhǎng)期承載能力，滿足人類長(zhǎng)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(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(duì)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(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(dòng)化，大大減少勞動(dòng)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(duì)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(duì)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(hào)，模擬電流存在自身的缺陷，特別是采集的4～20m流量信號(hào)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(hào)發(fā)現(xiàn)明顯失蹤。后來對(duì)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(duì)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(hào)，但是積算器的接口只有一個(gè)，后來對(duì)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(chǎng)振動(dòng)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(chǎng)情況逐個(gè)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(gè)料倉對(duì)輸送機(jī)（內(nèi)裝電子皮帶秤）進(jìn)行給料，從而需要2臺(tái)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(tái)變頻器進(jìn)行控制，但只提供一路4～20模擬信號(hào)，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(tái)或2臺(tái)全部工作。
5、當(dāng)前應(yīng)用效果 通過近4年時(shí)間的試運(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)，PLC、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(gè)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(duì)環(huán)保意識(shí)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)這一先進(jìn)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(dòng)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(duì)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)行最優(yōu)計(jì)算，輸入到DCS系統(tǒng)中的模擬電流信號(hào)（即第二路閉環(huán)控制的目標(biāo)值）基本上是個(gè)穩(wěn)定信號(hào)，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)能效果顯著
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(tái)，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 該系統(tǒng)自2002年7月在齊魯石化已經(jīng)成功運(yùn)行近4年時(shí)間，運(yùn)行可靠，操作方便，具有很強(qiáng)的抗干擾性，大大提高了企業(yè)生產(chǎn)效率，得到齊魯石化公司領(lǐng)導(dǎo)的好評(píng)，也成為我公司的樣板工程，一方面歸功于設(shè)計(jì)及器件選擇合理，用戶對(duì)設(shè)備的很好應(yīng)用，另一方面與AI-808調(diào)節(jié)器的可靠的質(zhì)量是分不開的。