厦门宇电AI-808在催化剂厂完善催化剂生产工艺改造中的应用
发布时间2013-03-07 浏览次数：1297
摘要：本文主要介绍AI-808和变频技术在催化剂厂完善催化剂生产工艺改造中的应用，并说明系统优控制及优控制参数的计算。系统运行情况较好，值得推广使用。
关键词：AI-808 变频调速 双闭环 绿色设计和制造 优控制
1、引言
齐鲁石化催化剂厂在完善催化剂生产工艺改造前的生产工艺过程是：先从输送管道向搅拌罐投入一定量的高岭土，再投入一定量的分散剂，经过2.2小时反应后，再依次加入其他7种物料，这样做存在以下问题：(1)由于反应时间较长，严重影响产品的生产效率。(2)由于计量设备落后，人为影响因素较重，投入分散剂量不能很好控制，投入过多，生产成本大大提高，造成浪费，投入过少，影响产品质量，产品不合格率提高，造成大量的废品。 (3)由于物料的特殊化学性质，腐蚀性及粉尘污染较严重，严重影响工人的身体健康。
近几年来，工业过程自动化程度越来越高及人们对环保意识的增强，变频调节技术以其优异的性能，在外得以广泛应用，特别是随着加入WTO以后，石化行业的竞争更加日趋激烈，并对产品的质量提出更高的要求。针对原生产工艺过程中存在的问题，经有关领导商量决定对催化剂生产工艺进行改造，保留其它7台储料罐不变，主要对高岭土、铝石及分散剂打浆进行改造，改造方案为：(1)高岭土打浆与储备2套；(2)铝石打浆与储备1套；(3)分散剂打浆与储备1套。文中重点介绍变频调速的双闭环控制及绿色设计的应用。
2、调速控制单元的组成及工作原理
变频调速控制单元主要由DCS、PLC、配料皮带秤、星型给料机、变频器、AI-808调节器、流量计、电气转换阀等组成。其工艺流程见图1所示：
2、2调速控制单元的工作原理
变频调速控制回路构成双闭环回路，见图2：路闭环回路主要由电子皮带秤、电脑积算器、变频器、AI-808调节器、星型给料机、皮带输送机等组成。变频器选用台达VFD0143B，它主要用于控制星型给料机给料，配料皮带秤检测流经输送机上的物料，并将信号传送给电脑积算器，由电脑积算器发4～20mA的模拟信号给调节器，调节器发出两路4～20mA的模拟信号，一路传送给DCS系统，将其乘以系数K，作为第二个闭环回路的目标值；另一路传送给变频器，通过调节器进行调节变频器的V/F值，来调节星型给料机的转速，从而保证流经皮带输送机的高岭土比较均匀，目的是产生较稳定和准确的流量；第二路闭环控制是根据路传送的量来调节分散剂的量，使分散剂的量跟随高岭土的量发生变化，一方面保证调节阀正常工作，另一方面又能保证高岭土和分散剂按一定比例混合，保证配比的准确性，从而保证混合料的质量，提高系统的可靠性。
2、3 AI-808调节器
AI-808调节器的特点： 国产较的仪表，内部采用了高性能的ASIC芯片和模块化硬件设计，在输入、输出信号上均采用了数字校正技术，以消除稳定性较差的可调电阻所带来的误差；通过自动调零技术的应用可长期使用而不会产生零点漂移，测量数字稳定；具有多种输入、输出规格和报警方式设置。不仅具备手动/自动无扰动切换操作功能，还具备手动自整定和显示输出值等，以及用作伺服放大器直接控制阀门位置的比例输出，电源可在85-264VAC（50-60HZ）宽范围内波动，在强干扰的环境下也能保证测量的精度和工作的稳定性。
目前外生产调节器的产家较多，我们通过比较，选用厦门宇电公司的AI-808调节器，主要是基于以下几点原因：（1）产品的高；（2）产品的可靠性高，稳定性好；（3）售后服务及时；（4）800。实践也已经证明了我们当初的选择是正确的。
2、4优控制及控制系数的计算与设置
生产过程是个复杂的动态过程，生产过程中的某一时刻的某一环节似乎是不可控的，因而造成生产被动或增加劳动强度。优控制不仅要实现生产过程相对静态时的优，而且要求从一个工况转变为另一工况时也要自动起到优，即达到动态优控制。所谓动态优控制就是要找出起控制作用的参数的一个或一组参数，使要控制的目标参数的函数在满足约束条件下优。
要想达到优控制，关键是要确定合适的控制系数，那么怎样对PID调节器的控制系数进行计算与设置呢？
在自动控制系统中，先应把流量大小转化成计量的统一标准信号，建立信号之间的联系，该系统中是将流量信号统一转化成标准电流信号，即4～20mA模拟电流，该电流的大小与流量大小成正比，这样，显然应先把生产工艺上流量比值K折算成DCS内部的比值系数K＇，才能进行比值设定，由图2可知：
I1=Q1/Q1max×I ⑴
I2=Q2/Q2max×I ⑵
式中：I1为高岭土流量对应的电流； I2为分散剂流量对应的电流
Q1为高岭土对应的流量； Q2为分散剂对应的流量
Q1max为高岭土设置的大流量；Q2max为分散剂设置的大流量
I为标准电流信号（20mADC）
设：K＇= I1＇/I1 ⑶
K＇为比值器的控制系数，要使系统达到优控制，即系统处于动态平衡状态，须使
I1＇=I2 ⑷
又设：K=Q2/Q1 ⑸
K为生产工艺要求的比值，由⑴～⑸式可得：
K＇=K×Q1max/Q2max ⑹
由⑹式可知：K＇与测量仪表的设置量程值有关，而与生产负荷Q1、Q2的大小无关。其次，根据生产过程中的情况进行计算来确定控制系数，例如该系统中高岭土的输送能力为6t/h，分散剂的输送量为1.2t/h。可得：K＇=K×1.2/6=K/5=0.2K。当K=0.2时，K＇=0.04；当K=0.5时，K＇=0.1；当K=1时， K＇=0.2，K＇值是根据生产工艺需要，通过上位机对DCS系统内部2#PID进行设置。
2、5控制趋势曲线
要达到系统工艺改造的目的，必须要求分散剂能够很好地跟随高岭土的变化而变化，同时要求高岭土的给料量能稳定在一定的范围内。尽管现场影响因素较多，但通过广大人员的密切配合，终将系统调试成功，系统控制趋势曲线见图3示：
3、绿色设计与制造 绿色设计与制造是人类可持续发展的必由之路，它将生态环境和经济社会联结成一个协调发展的有机整体，要求经济发展必须考虑自然生态环境的长期承载能力，满足人类长远生成的需要。
在系统的工艺改造中，从系统的方案设计到生成产品，包括生产过程中的周转物、回收物及废弃物等，都充分地利用绿色设计的新思想。例如系统方案设计选择时，将绿色设计新思想摆在位，在满足生产工艺、保证产品质量的前提下，尽可能多地采用绿色设计；当在满足生产工艺、保证产品质量和采用绿色设计产生冲突时，采取资金倾斜政策，以满足实际需要。在系统设计阶段，将影响环境因素及预防污染的措施纳入产品设计中，将环境性能作为产品设计的目标和出发点，使生产对环境的污染减少到小，从根本上防治了污染，节约了能源和资源。设计中，采用HONEYWELL公司的DCS集散控制系统和变频调速技术，真正体现人性化设计，实现生产过程自动化，大大减少劳动强度、提高生产效率、降低噪声污染、节约电能及减少对电网的冲击。在物流过程中，实现将物料进行全密封装置，从而杜了粉状及粉粒状物料（如铝石、高岭土等）对周围环境的污染，保护工人的身体健康。提高企业市场竞争能力和可持续发展能力。
4、工艺改造中存在问题及解决 4、1DCS采集的数据存在问题及解决
由于DCS主要采集4～20mA模拟电流信号，模拟电流存在自身的缺陷，特别是采集的4～20m流量信号通过调节器进行变送后造成的误差更大，同时由于调节器内部采用2路4～20mA模块，相互之间干扰较严重，传送到DCS的信号发现明显失踪。后来对设计进行考虑，通过试验发现有两种方式可以解决：其一：更换PID内部4～20mA模块，采用光电隔离型模块，并对系统的接地加以处理。其二：直接采集电脑积算器的模拟信号，但是积算器的接口只有一个，后来对积算器的模拟输出进行改造，使其准确的将一路4～20mA模拟接口同时送给调节器和DCS，既保证调节器正常调节，又满足DCS准确采集流过输送机的物料。
4、2调节阀变化频率过快
调节器调节过程中，系统出现严重的超调现象，系统振荡较严重，星型给料机时停时转，调节阀频率变化过快，不能正常工作，容易损坏。其原因主要是：料仓不能均匀下料、现场振动现象较严重、积算器和调节器内部参数设置不合适。根据现场情况逐个进行排除，从而保证调节阀正常工作。
4、3变频器控制方案的实现
由于接就原生产工艺，由两个料仓对输送机（内装电子皮带秤）进行给料，从而需要2台星型料机进行给料，经过多方面论证及生产工艺需要，采用2台变频器进行控制，但只提供一路4～20模拟信号，同时采用变频器转换开关，根据生产需要选用其中一台或2台全部工作。
5、当前应用效果 通过近4年时间的试运行来看，使用效果较好，具体表现在以下几方面：
5、1生产效率大大提高
原生产工艺中高岭土和分散剂反应时间约为2.2小时，反应后的混合物与其它七种物料反应时间为40分钟，可见改造后生产工艺的生产效率比以前提高4倍。
5、2系统可靠性大大提高
由于系统采用DCS集散控制系统，PLC、变频器、电气转换阀等均采用进口器件，并经过严格筛选，系统工作几个月时间内一直运行稳定。
5、3绿色设计和人性化设计得到充分体现
进入二十一世纪后，随着生活水平的提高，人们对环保意识明显增强，绿色设计技术作为一门新兴课题正在各行各业快速应用。正是由于该系统充分利用绿色设计这一思想，使得系统投入运行后取得许多事前人们意想不到的效果。
5、4产品质量和合格率明显提高
应生产工艺需要，通过DCS系统设定好参数后，生产过程严格采用自动控制，避免了人为因素的干扰，从而大大地提高了产品的质量和合格率。
5、5工艺控制平稳、稳定
系统中采用双闭环控制，并对系统参数实行优计算，输入到DCS系统中的模拟电流信号（即第二路闭环控制的目标值）基本上是个稳定信号，从图3中清楚地看到，系统控制精度在±1%范围内，并能平稳地工作。
5、6节能效果显著
系统中用于变频调节高岭土、铝石等的电机共有6台，功率均为1.5kw，全部工作时功率为9kw，实际工作中，功率只达到55～65%之间，节约大量的能源。
6、结束语 该系统自2002年7月在齐鲁石化已经成功运行近4年时间，运行可靠，操作方便，具有很强的抗干扰性，大大提高了企业生产效率，得到齐鲁石化公司领导的好评，也成为我公司的样板工程，一方面归功于设计及器件选择合理，用户对设备的很好应用，另一方面与AI-808调节器的可靠的质量是分不开的。
图一：工艺流程图
作者简介：张兄华 工程师，主要从事自动化控制和过程控制，现在省部级以上杂志发表科技论文30余篇。本人先后在合钢、新钢等焦化厂，催化剂厂等化工行业及其它行业多次使用过AI-808调节器，现场使用效果良好。