變頻技術在催化劑廠完善新型催化劑生產工藝改造中的應用
2006/11/26 21:16:00
摘要
本文介紹變頻技術和綠色設計技術在催化劑廠完善新型催化劑生產工藝改造中的應用，并說明系統最優控制及最優控制參數的計算。系統運行情況較好，值得推廣使用。
關鍵詞
變頻調速、雙閉環、綠色設計和制造、最優控制
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工藝改造前的生產工藝過程是：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，嚴重影響產品的生產效率。(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，生產成本大大提高，造成浪費，投入過少，影響產品質量，產品不合格率提高，造成大量的廢品。 (3)由于物料的特殊化學性質，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，工業過程自動化程度越來越高及人們對環保意識的增強，變頻技術以其優異的性能，在國內外得以廣泛應用，特別是隨著中國加入WTO以后，石化行業的競爭更加日趨激烈，并對產品的質量提出更高的要求。針對原生產工藝過程中存在的問題，經有關領導商量決定對催化劑生產工藝進行改造，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速的雙閉環控制及綠色設計的應用。
2、調速控制單元的組成及工作原理
2、1調速控制單元的組成
變頻調速控制單元主要由DCS、PLC、配料皮帶秤、星型給料機、變頻器、調節器、流量計、電氣轉換閥等組成。其工藝流程見圖1所示：
2、2調速控制單元的工作原理
變頻調速控制回路構成雙閉環回路，見圖2：第一路閉環回路主要由電子皮帶秤、電腦積算器、變頻器、AI調節器、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4～20mA的模擬信號給調節器，調節器發出兩路4～20mA的模擬信號，一路傳送給DCS系統，將其乘以系數K，作為第二個閉環回路的目標值；另一路傳送給變頻器，通過調節器進行調節變頻器的V/F值，來調節星型給料機的轉速，從而保證流經皮帶輸送機的高嶺土比較均勻，目的是產生較穩定和準確的流量；第二路閉環控制是根據第一路傳送的量來調節分散劑的量，使分散劑的量跟隨高嶺土的量發生變化，一方面保證調節閥正常工作，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量，提高系統的可靠性。
2、3最優控制及控制系數的計算與設置
生產過程是個復雜的動態過程，生產過程中的某一時刻的某一環節似乎是不可控的，因而造成生產被動或增加勞動強度。最優控制不僅要實現生產過程相對靜態時的最優，而且要求從一個工況轉變為另一工況時也要自動起到最優，即達到動態最優控制。所謂動態最優控制就是要找出起控制作用的參數的一個或一組參數，使要控制的目標參數的函數在滿足約束條件下最優。
要想達到最優控制，關鍵是要確定合適的控制系數，那么怎樣對PID調節器的控制系數進行計算與設置呢？
在自動控制系統中，首先應把流量大小轉化成計量的統一標準信號，建立信號之間的聯系，該系統中是將流量信號統一轉化成標準電流信號，即4～20mA模擬電流，該電流的大小與流量大小成正比，這樣，顯然應先把生產工藝上流量比值K折算成DCS內部的比值系數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，要使系統達到最優控制，即系統處于動態平衡狀態，須使
I1＇=I2 ⑷
又設：K=Q2/Q1 ⑸
K為生產工藝要求的比值，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，而與生產負荷Q1、Q2的大小無關。其次，根據生產過程中的情況進行計算來確定控制系數，例如該系統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＇值是根據生產工藝需要，通過上位機對DCS系統內部2#PID進行設置。
2、4控制趨勢曲線
要達到系統工藝改造的目的，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定在一定的范圍內。盡管現場影響因素較多，但通過廣大人員的密切配合，最終將系統調試成功，系統控制趨勢曲線見圖3示：
3、綠色設計與制造
綠色設計與制造是人類可持續發展的必由之路，它將生態環境和經濟社會聯結成一個協調發展的有機整體，要求經濟發展必須考慮自然生態環境的長期承載能力，滿足人類長遠生成的需要。
在系統的工藝改造中，從系統的方案設計到生成產品，包括生產過程中的周轉物、回收物及廢棄物等，都充分地利用綠色設計的新思想。例如系統方案設計選擇時，將綠色設計新思想擺在首位，在滿足生產工藝、保證產品質量的前提下，盡可能多地采用綠色設計；當在滿足生產工藝、保證產品質量和采用綠色設計產生沖突時，采取資金傾斜政策，以滿足實際需要。在系統設計階段，將影響環境因素及預防污染的措施納入產品設計中，將環境性能作為產品設計的目標和出發點，使生產對環境的污染減少到最小，從根本上防治了污染，節約了能源和資源。設計中，采用HONEYWELL公司的DCS集散控制系統和變頻調速技術，真正體現人性化設計，全面實現生產過程自動化，大大減少勞動強度、提高生產效率、降低噪聲污染、節約電能及減少對電網的沖擊。在物流過程中，實現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）對周圍環境的污染，保護工人的身體健康。提高企業市場競爭能力和可持續發展能力。
4、工藝改造中存在問題及解決
4、1DCS采集的數據存在問題及解決
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流量信號通過調節器進行變送后造成的誤差更大，同時由于調節器內部采用2路4～20mA模塊，相互之間干擾較嚴重，傳送到DCS的信號發現明顯失蹤。后來對設計進行考慮，通過試驗發現有兩種方式可以解決：其一：更換PID內部4～20mA模塊，采用光電隔離型模塊，并對系統的接地加以處理。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節器和DCS，既保證調節器正常調節，又滿足DCS準確采集流過輸送機的物料。
4、2調節閥變化頻率過快
調節器調節過程中，系統出現嚴重的超調現象，系統振蕩較嚴重，星型給料機時停時轉，調節閥頻率變化過快，不能正常工作，容易損壞。其原因主要是：料倉不能均勻下料、現場振動現象較嚴重、積算器和調節器內部參數設置不合適。根據現場情況逐個進行排除，從而保證調節閥正常工作。
4、3變頻器控制方案的實現
由于接就原生產工藝，由兩個料倉對輸送機（內裝電子皮帶秤）進行給料，從而需要2臺星型料機進行給料，經過多方面論證及生產工藝需要，采用2臺變頻器進行控制，但只提供一路4～20模擬信號，同時采用變頻器轉換開關，根據生產需要選用其中一臺或2臺全部工作。
5、當前應用效果。
經過為期一年左右時間對原生產工藝進行改進設計改造，現已投入運行，通過幾個月試運行來看，使用效果較好，具體表現在以下幾方面：
5、1生產效率大大提高
原生產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，可見改造后生產工藝的生產效率比以前提高4倍。
5、2系統可靠性大大提高
由于系統采用DCS集散控制系統，PLC、變頻器、電氣轉換閥等均采用進口器件，并經過嚴格篩選，系統工作幾個月時間內一直運行穩定。
本文介紹變頻技術和綠色設計技術在催化劑廠完善新型催化劑生產工藝改造中的應用，并說明系統最優控制及最優控制參數的計算。系統運行情況較好，值得推廣使用。
關鍵詞
變頻調速、雙閉環、綠色設計和制造、最優控制
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工藝改造前的生產工藝過程是：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，嚴重影響產品的生產效率。(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，生產成本大大提高，造成浪費，投入過少，影響產品質量，產品不合格率提高，造成大量的廢品。 (3)由于物料的特殊化學性質，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，工業過程自動化程度越來越高及人們對環保意識的增強，變頻技術以其優異的性能，在國內外得以廣泛應用，特別是隨著中國加入WTO以后，石化行業的競爭更加日趨激烈，并對產品的質量提出更高的要求。針對原生產工藝過程中存在的問題，經有關領導商量決定對催化劑生產工藝進行改造，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速的雙閉環控制及綠色設計的應用。
2、調速控制單元的組成及工作原理
2、1調速控制單元的組成
變頻調速控制單元主要由DCS、PLC、配料皮帶秤、星型給料機、變頻器、調節器、流量計、電氣轉換閥等組成。其工藝流程見圖1所示：
2、2調速控制單元的工作原理
變頻調速控制回路構成雙閉環回路，見圖2：第一路閉環回路主要由電子皮帶秤、電腦積算器、變頻器、AI調節器、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4～20mA的模擬信號給調節器，調節器發出兩路4～20mA的模擬信號，一路傳送給DCS系統，將其乘以系數K，作為第二個閉環回路的目標值；另一路傳送給變頻器，通過調節器進行調節變頻器的V/F值，來調節星型給料機的轉速，從而保證流經皮帶輸送機的高嶺土比較均勻，目的是產生較穩定和準確的流量；第二路閉環控制是根據第一路傳送的量來調節分散劑的量，使分散劑的量跟隨高嶺土的量發生變化，一方面保證調節閥正常工作，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量，提高系統的可靠性。
2、3最優控制及控制系數的計算與設置
生產過程是個復雜的動態過程，生產過程中的某一時刻的某一環節似乎是不可控的，因而造成生產被動或增加勞動強度。最優控制不僅要實現生產過程相對靜態時的最優，而且要求從一個工況轉變為另一工況時也要自動起到最優，即達到動態最優控制。所謂動態最優控制就是要找出起控制作用的參數的一個或一組參數，使要控制的目標參數的函數在滿足約束條件下最優。
要想達到最優控制，關鍵是要確定合適的控制系數，那么怎樣對PID調節器的控制系數進行計算與設置呢？
在自動控制系統中，首先應把流量大小轉化成計量的統一標準信號，建立信號之間的聯系，該系統中是將流量信號統一轉化成標準電流信號，即4～20mA模擬電流，該電流的大小與流量大小成正比，這樣，顯然應先把生產工藝上流量比值K折算成DCS內部的比值系數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，要使系統達到最優控制，即系統處于動態平衡狀態，須使
I1＇=I2 ⑷
又設：K=Q2/Q1 ⑸
K為生產工藝要求的比值，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，而與生產負荷Q1、Q2的大小無關。其次，根據生產過程中的情況進行計算來確定控制系數，例如該系統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＇值是根據生產工藝需要，通過上位機對DCS系統內部2#PID進行設置。
2、4控制趨勢曲線
要達到系統工藝改造的目的，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定在一定的范圍內。盡管現場影響因素較多，但通過廣大人員的密切配合，最終將系統調試成功，系統控制趨勢曲線見圖3示：
3、綠色設計與制造
綠色設計與制造是人類可持續發展的必由之路，它將生態環境和經濟社會聯結成一個協調發展的有機整體，要求經濟發展必須考慮自然生態環境的長期承載能力，滿足人類長遠生成的需要。
在系統的工藝改造中，從系統的方案設計到生成產品，包括生產過程中的周轉物、回收物及廢棄物等，都充分地利用綠色設計的新思想。例如系統方案設計選擇時，將綠色設計新思想擺在首位，在滿足生產工藝、保證產品質量的前提下，盡可能多地采用綠色設計；當在滿足生產工藝、保證產品質量和采用綠色設計產生沖突時，采取資金傾斜政策，以滿足實際需要。在系統設計階段，將影響環境因素及預防污染的措施納入產品設計中，將環境性能作為產品設計的目標和出發點，使生產對環境的污染減少到最小，從根本上防治了污染，節約了能源和資源。設計中，采用HONEYWELL公司的DCS集散控制系統和變頻調速技術，真正體現人性化設計，全面實現生產過程自動化，大大減少勞動強度、提高生產效率、降低噪聲污染、節約電能及減少對電網的沖擊。在物流過程中，實現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）對周圍環境的污染，保護工人的身體健康。提高企業市場競爭能力和可持續發展能力。
4、工藝改造中存在問題及解決
4、1DCS采集的數據存在問題及解決
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流量信號通過調節器進行變送后造成的誤差更大，同時由于調節器內部采用2路4～20mA模塊，相互之間干擾較嚴重，傳送到DCS的信號發現明顯失蹤。后來對設計進行考慮，通過試驗發現有兩種方式可以解決：其一：更換PID內部4～20mA模塊，采用光電隔離型模塊，并對系統的接地加以處理。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節器和DCS，既保證調節器正常調節，又滿足DCS準確采集流過輸送機的物料。
4、2調節閥變化頻率過快
調節器調節過程中，系統出現嚴重的超調現象，系統振蕩較嚴重，星型給料機時停時轉，調節閥頻率變化過快，不能正常工作，容易損壞。其原因主要是：料倉不能均勻下料、現場振動現象較嚴重、積算器和調節器內部參數設置不合適。根據現場情況逐個進行排除，從而保證調節閥正常工作。
4、3變頻器控制方案的實現
由于接就原生產工藝，由兩個料倉對輸送機（內裝電子皮帶秤）進行給料，從而需要2臺星型料機進行給料，經過多方面論證及生產工藝需要，采用2臺變頻器進行控制，但只提供一路4～20模擬信號，同時采用變頻器轉換開關，根據生產需要選用其中一臺或2臺全部工作。
5、當前應用效果。
經過為期一年左右時間對原生產工藝進行改進設計改造，現已投入運行，通過幾個月試運行來看，使用效果較好，具體表現在以下幾方面：
5、1生產效率大大提高
原生產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，可見改造后生產工藝的生產效率比以前提高4倍。
5、2系統可靠性大大提高
由于系統采用DCS集散控制系統，PLC、變頻器、電氣轉換閥等均采用進口器件，并經過嚴格篩選，系統工作幾個月時間內一直運行穩定。
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