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小時反應后，再依次加入其他7種物料，這樣做存在以下問題：(1)由于反應時間較長，嚴重影響產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。(2)由于計量設備落后，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，變頻調(diào)節(jié)技術以其優(yōu)異的性能，在國內(nèi)外得以廣泛應用，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)有關領導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)控制及綠色設計的應用。

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、變頻器、AI-808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、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 AI-808調(diào)節(jié)器
      AI-808調(diào)節(jié)器的特點： 國產(chǎn)較先進的儀表，內(nèi)部采用了高性能的ASIC芯片和模塊化硬件設計，在輸入、輸出信號上均采用了數(shù)字校正技術，以消除穩(wěn)定性較差的可調(diào)電阻所帶來的誤差；通過自動調(diào)零技術的應用可長期使用而不會產(chǎn)生零點漂移，測量數(shù)字精確穩(wěn)定；具有多種輸入、輸出規(guī)格和報警方式設置。不僅具備手動/自動無擾動切換操作功能，還具備手動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，在強干擾的環(huán)境下也能保證測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原因：（1）產(chǎn)品的性價比高；（2）產(chǎn)品的可靠性高，穩(wěn)定性好；（3）售后服務及時；（4）800免費電話。實踐也已經(jīng)證明了我們當初的選擇是正確的。
2、4最優(yōu)控制及控制系數(shù)的計算與設置
      生產(chǎn)過程是個復雜的動態(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)進行計算與設置呢？
      在自動控制系統(tǒng)中，首先應把流量大小轉(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為高嶺土流量對應的電流； I2為分散劑流量對應的電流
Q1為高嶺土對應的流量； Q2為分散劑對應的流量
Q1max為高嶺土設置的最大流量；Q2max為分散劑設置的最大流量
I為標準電流信號（20mADC）
設：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：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＇與測量儀表的設置量程值有關，而與生產(chǎn)負荷Q1、Q2的大小無關。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。可得：K＇=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進行設置。
2、5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、綠色設計與制造         綠色設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計的新思想。例如系統(tǒng)方案設計選擇時，將綠色設計新思想擺在首位，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計；當在滿足生產(chǎn)工藝、保證產(chǎn)品質(zhì)量和采用綠色設計產(chǎn)生沖突時，采取資金傾斜政策，以滿足實際需要。在系統(tǒng)設計階段，將影響環(huán)境因素及預防污染的措施納入產(chǎn)品設計中，將環(huán)境性能作為產(chǎn)品設計的目標和出發(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。設計中，采用HONEYWELL公司的DCS集散控制系統(tǒng)和變頻調(diào)速技術，真正體現(xiàn)人性化設計，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，根據(jù)生產(chǎn)需要選用其中一臺或2臺全部工作。

    5、當前應用效果         通過近4年時間的試運行來看，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時間約為2.2小時，反應后的混合物與其它七種物料反應時間為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。
5、3綠色設計和人性化設計得到充分體現(xiàn)
      進入二十一世紀后，隨著生活水平的提高，人們對環(huán)保意識明顯增強，綠色設計技術作為一門新興課題正在各行各業(yè)快速應用。正是由于該系統(tǒng)充分利用綠色設計這一先進思想，使得系統(tǒng)投入運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
      應生產(chǎn)工藝需要，通過DCS系統(tǒng)設定好參數(shù)后，生產(chǎn)過程嚴格采用自動控制，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)實行最優(yōu)計算，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、鋁石等的電機共有6臺，功率均為1.5kw，全部工作時功率為9kw，實際工作中，功率只達到55～65%之間，節(jié)約大量的能源。

    6、結束語         該系統(tǒng)自2002年7月在齊魯石化已經(jīng)成功運行近4年時間，運行可靠，操作方便，具有很強的抗干擾性，大大提高了企業(yè)生產(chǎn)效率，得到齊魯石化公司領導的好評，也成為我公司的樣板工程，一方面歸功于設計及器件選擇合理，用戶對設備的很好應用，另一方面與AI-808調(diào)節(jié)器的可靠的質(zhì)量是分不開的。