AI-808在催化剂厂完善新型催化剂生产工艺改造中的应用

摘要：本文主要介绍AI-808和变频技术在催化剂厂完善新型催化剂生产工艺改造中的应用，并说明系统最优控制及最优控制参数的计算。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 最优控制

齐鲁石化催化剂厂在完善新型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，在国内外得以广泛应用，特别是随着中国加入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：第一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VFD015A43B，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第一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： 国产较先进的仪表，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，测量数字精确稳定；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。
目前国内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）产品的性价比高；（2）产品的可靠性高，稳定性好；（3）售后服务及时；（4）800免费电话。实践也已经证明了我们当初的选择是正确的。
2、4最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。最优控制不仅要实现生产过程相对静态时的最优，而且要求从一个工况转变为另一工况时也要自动起到最优，即达到动态最优控制。所谓动态最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最优。
要想达到最优控制，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，首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为高岭土设置的最大流量；Q2max为分散剂设置的最大流量
I为标准电流信号（20mADC）
设：K＇= I1＇/I1 ⑶
K＇为比值器的控制系数，要使系统达到最优控制，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，最终将系统调试成功，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首位，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最小，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，全面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，从而杜绝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、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。

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先进思想，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，并对系统参数实行最优计算，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。

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 高级工程师，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。