AI-808在催化劑廠(chǎng)完善新型催化劑生產(chǎn)工藝改造中的應用
摘要：本文主要介紹AI-808和變頻技術(shù)在催化劑廠(chǎng)完善新型催化劑生產(chǎn)工藝改造中的應用，并說(shuō)明系統優(yōu)化控制及優(yōu)化控制參數的計算。系統運行情況較好，值得推廣使用。
關(guān)鍵詞：AI-808 變頻調速 雙閉環(huán) 綠色設計和制造 優(yōu)化控制
1、引言
齊魯石化催化劑廠(chǎng)在完善新型催化劑生產(chǎn)工藝改造前的生產(chǎn)工藝過(guò)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(guò)2.2小時(shí)反應后，再依次加入其他7種物料，這樣做存在以下問(wèn)題：(1)由于反應時(shí)間較長(cháng)，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(guò)多，生產(chǎn)成本大大提高，造成浪費，投入過(guò)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(lái)，工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化程度越來(lái)越高及人們對環(huán)保意識的增強，變頻調節技術(shù)以其優(yōu)異的性能，在國內外得以廣泛應用，特別是隨著(zhù)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(guò)程中存在的問(wèn)題，經(jīng)有關(guān)領(lǐng)導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：(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(diǎn)介紹變頻調速的雙閉環(huán)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
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、AI-808調節器、流量計、電氣轉換閥等組成。其工藝流程見(jiàn)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(huán)回路，見(jiàn)圖2：第1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(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的模擬信號給調節器，調節器發(fā)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2個(gè)閉環(huán)回路的目標值；另一路傳送給變頻器，通過(guò)調節器進(jìn)行調節變頻器的V/F值，來(lái)調節星型給料機的轉速，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)生較穩定和準確的流量；第2路閉環(huán)控制是根據第1路傳送的量來(lái)調節分散劑的量，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(zhì)量，提高系統的可靠性。
2、3 AI-808調節器
AI-808調節器的特點(diǎn)： 國產(chǎn)較先進(jìn)的儀表，內部采用了高性能的ASIC芯片和模塊化硬件設計，在輸入、輸出信號上均采用了數字校正技術(shù)，以消除穩定性較差的可調電阻所帶來(lái)的誤差；通過(guò)自動(dòng)調零技術(shù)的應用可長(cháng)期使用而不會(huì )產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，測量數字精確穩定；具有多種輸入、輸出規格和報警方式設置。不僅具備手動(dòng)/自動(dòng)無(wú)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(mén)位置的比例輸出，電源可在85-264VAC（50-60HZ）寬范圍內波動(dòng)，在強干擾的環(huán)境下也能保證測量的精度和工作的穩定性。
目前國內外生產(chǎn)調節器的產(chǎn)家較多，我們通過(guò)比較，選用廈門(mén)宇電公司的AI-808調節器，主要是基于以下幾點(diǎn)原因：（1）產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比高；（2）產(chǎn)品的可靠性高，穩定性好；（3）售后服務(wù)及時(shí)；（4）800免費電話(huà)。實(shí)踐也已經(jīng)證明了我們當初的選擇是正確的。
2、4優(yōu)化控制及控制系數的計算與設置
生產(chǎn)過(guò)程是個(gè)復雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，生產(chǎn)過(guò)程中的某一時(shí)刻的某一環(huán)節似乎是不可控的，因而造成生產(chǎn)被動(dòng)或增加勞動(dòng)強度。優(yōu)化控制不僅要實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程相對靜態(tài)時(shí)的優(yōu)化，而且要求從一個(gè)工況轉變?yōu)榱硪还r時(shí)也要自動(dòng)起到優(yōu)化，即達到動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制。所謂動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制就是要找出起控制作用的參數的一個(gè)或一組參數，使要控制的目標參數的函數在滿(mǎn)足約束條件下優(yōu)化。
要想達到優(yōu)化控制，關(guān)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(jìn)行計算與設置呢？
在自動(dòng)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(lián)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(chǎn)工藝上流量比值K折算成DCS內部的比值系數K＇，才能進(jìn)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為高嶺土設置的流量上限；Q2max為分散劑設置的流量上限
I為標準電流信號（20mADC）
設：K＇= I1＇/I1 ⑶
K＇為比值器的控制系數，要使系統達到優(yōu)化控制，即系統處于動(dòng)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?jì)x表的設置量程值有關(guān)，而與生產(chǎn)負荷Q1、Q2的大小無(wú)關(guān)。其次，根據生產(chǎn)過(guò)程中的情況進(jìn)行計算來(lái)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(shí)，K＇=0.04；當K=0.5時(shí)，K＇=0.1；當K=1時(shí)， K＇=0.2，K＇值是根據生產(chǎn)工藝需要，通過(guò)上位機對DCS系統內部2#PID進(jìn)行設置。
2、5控制趨勢曲線(xiàn)
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(shí)要求高嶺土的給料量能穩定在一定的范圍內。盡管現場(chǎng)影響因素較多，但通過(guò)廣大人員的密切配合，將系統調試成功，系統控制趨勢曲線(xiàn)見(jiàn)圖3示：
3、綠色設計與制造 綠色設計與制造是人類(lèi)可持續發(fā)展的必由之路，它將生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟社會(huì )聯(lián)結成一個(gè)協(xié)調發(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(cháng)期承載能力，滿(mǎn)足人類(lèi)長(cháng)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(chǎn)品，包括生產(chǎn)過(guò)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(shí)，將綠色設計新思想擺在重要位置，在滿(mǎn)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(mǎn)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(shí)，采取資金傾斜政策，以滿(mǎn)足實(shí)際需要。在系統設計階段，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(diǎn)，使生產(chǎn)對環(huán)境的污染減少，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(shù)，真正體現人性化設計，全面實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，大大減少勞動(dòng)強度、提高生產(chǎn)效率、降低噪聲污染、節約電能及減少對電網(wǎng)的沖擊。在物流過(guò)程中，實(shí)現將物料進(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?chē)h(huán)境的污染，保護工人的身體健康。提高企業(yè)市場(chǎng)競爭能力和可持續發(fā)展能力。
4、工藝改造中存在問(wèn)題及解決 4、1DCS采集的數據存在問(wèn)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(guò)調節器進(jìn)行變送后造成的誤差更大，同時(shí)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(fā)現明顯失蹤。后來(lái)對設計進(jìn)行考慮，通過(guò)試驗發(fā)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(gè)，后來(lái)對積算器的模擬輸出進(jìn)行改造，使其準確的將一路4～20mA模擬接口同時(shí)送給調節器和DCS，既保證調節器正常調節，又滿(mǎn)足DCS準確采集流過(guò)輸送機的物料。
4、2調節閥變化頻率過(guò)快
調節器調節過(guò)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(shí)停時(shí)轉，調節閥頻率變化過(guò)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(chǎng)振動(dòng)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(chǎng)情況逐個(gè)進(jìn)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(shí)現
由于接就原生產(chǎn)工藝，由兩個(gè)料倉對輸送機（內裝電子皮帶秤）進(jìn)行給料，從而需要2臺星型料機進(jìn)行給料，經(jīng)過(guò)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)采用變頻器轉換開(kāi)關(guān)，根據生產(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(guò)近4年時(shí)間的試運行來(lái)看，使用效果較好，具體表現在以下幾方面：
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(shí)間約為2.2小時(shí)，反應后的混合物與其它七種物料反應時(shí)間為40分鐘，可見(jiàn)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(jìn)口器件，并經(jīng)過(guò)嚴格篩選，系統工作幾個(gè)月時(shí)間內一直運行穩定。
5、3綠色設計和人性化設計得到充分體現
進(jìn)入二十一世紀后，隨著(zhù)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(shù)作為一門(mén)新興課題正在各行各業(yè)快速應用。正是由于該系統充分利用綠色設計這一先進(jìn)思想，使得系統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(guò)DCS系統設定好參數后，生產(chǎn)過(guò)程嚴格采用自動(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、穩定
系統中采用雙閉環(huán)控制，并對系統參數實(shí)行優(yōu)化計算，輸入到DCS系統中的模擬電流信號（即第2路閉環(huán)控制的目標值）基本上是個(gè)穩定信號，從圖3中清楚地看到，系統控制精度在±1%范圍內，并能平穩地工作。
5、6節能效果顯著(zhù)
系統中用于變頻調節高嶺土、鋁石等的電機共有6臺，功率均為1.5kw，全部工作時(shí)功率為9kw，實(shí)際工作中，功率只達到55～65%之間，節約大量的能源。
6、結束語(yǔ) 該系統自2002年7月在齊魯石化已經(jīng)成功運行近4年時(shí)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(lǐng)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(hù)對設備的很好應用，另一方面與AI-808調節器的可靠的質(zhì)量是分不開(kāi)的。