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1 引言
近幾年來，隨著工業(yè)過程自動(dòng)化程度越來越高及人們對(duì)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，變頻技術(shù)以其優(yōu)異的性能，在國內(nèi)外得以廣泛應(yīng)用，特別是隨著中國加入WTO以后，焦碳行業(yè)的競爭更加日趨激烈，并對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量提出更高的要求。針對(duì)原生產(chǎn)配料工藝過程中存在的問題，我們采用綠色設(shè)計(jì)和變頻技術(shù)應(yīng)用于山西某焦化廠燒結(jié)配料設(shè)計(jì)，制造了一條新的配料系統(tǒng)生產(chǎn)線。
山西某焦化廠老生產(chǎn)線的焦碳燒結(jié)配料主要依靠工人師傅的工作經(jīng)驗(yàn)，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)閘門的開度來調(diào)節(jié)流量的大小，這就造成：
（1）焦碳配料的質(zhì)量較差；
（2）配料現(xiàn)場安全性能較差；
（3）電機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)電網(wǎng)沖擊較大，浪費(fèi)大量的能源；
（4）現(xiàn)場環(huán)境較差，嚴(yán)重影響工人的身體鍵康；
（5）焦碳配比不合適，造成大量原材料的浪費(fèi)；
（6）工作效率較低。
2 焦碳配料系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝流程和結(jié)構(gòu)組成
2.1 系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝流程
焦碳配料系統(tǒng)主要對(duì)四種物料進(jìn)行配比（如石灰石、焦煤、鐵合金、燒結(jié)料等），其中前三種物料各有兩個(gè)料倉，料倉中物料分別通過各自的圓盤給料機(jī)、并由電子配料皮帶秤計(jì)量后輸入主輸送帶，再由主輸送帶將混合料送入料倉。
2.2 配料系統(tǒng)的主要參數(shù)
圓盤給料機(jī):電機(jī)型號(hào)為YSP160Mz-4,功率11kW,轉(zhuǎn)速1140rpm,AC380V,50Hz。
電子配料皮帶秤:皮帶寬度1000mm;速度0.5m/s;生產(chǎn)能力60t/h（5臺(tái)），30t/h(2臺(tái))。
2.3 稱重配料系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)組成
該自動(dòng)配料系統(tǒng)主要由1臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（PTⅢ450/256M內(nèi)存、80G硬盤/17寸彩顯/光驅(qū)、軟驅(qū)、接口板等）、1套組態(tài)軟件、1臺(tái)動(dòng)力控制柜（內(nèi)含PLC等）、1臺(tái)低壓開關(guān)柜、1臺(tái)儀表控制柜（內(nèi)含7臺(tái)控制儀表和7臺(tái)專家調(diào)節(jié)器）、2臺(tái)變頻器柜（內(nèi)含7臺(tái)變頻器）、7臺(tái)現(xiàn)場操作盤、7臺(tái)調(diào)速皮帶秤、7臺(tái)圓盤給料機(jī)等組成。
3 系統(tǒng)的過程控制實(shí)現(xiàn)
3.1 變頻技術(shù)應(yīng)用調(diào)速控制單元
電子調(diào)速配料系統(tǒng)通常有調(diào)節(jié)圓盤給料機(jī)給料和調(diào)節(jié)皮帶輸送機(jī)速度給料兩種調(diào)速方式。該系統(tǒng)采用調(diào)節(jié)圓盤給料機(jī)進(jìn)行給料。其控制單元主要由組態(tài)軟件、PLC、配料皮帶秤、圓盤給料機(jī)、變頻器、調(diào)節(jié)器等組成。
3.2 調(diào)速控制單元的工作原理
控制過程主要是通過電子配料皮帶秤對(duì)圓盤給料機(jī)輸送的物料進(jìn)行計(jì)量，由控制儀表接收稱重信號(hào)和速度信號(hào)，經(jīng)處理后轉(zhuǎn)化為累計(jì)值和瞬時(shí)流量，并將累計(jì)值、瞬時(shí)流量信號(hào)由RS-485口傳送給工業(yè)控制機(jī)（上位機(jī)）、以4～20mA模擬電流信號(hào)傳送給PID調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器將該信號(hào)與內(nèi)部設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)算后，4～20mA的模擬信號(hào)送給變頻器，再由變頻器去調(diào)節(jié)圓盤給料機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)流量增大時(shí)，降低圓盤給料機(jī)的轉(zhuǎn)速，反之提高圓盤給料機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使得幾種物料的流量和階段累計(jì)量均保持在設(shè)定的范圍內(nèi)，進(jìn)而得到可靠的產(chǎn)品質(zhì)量。
焦碳配料系統(tǒng)的參數(shù)及運(yùn)行過程可通過工控機(jī)進(jìn)行設(shè)定和監(jiān)控，也可通過手動(dòng)修改PID調(diào)節(jié)器的值，操作方便，控制可靠，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化，形成7個(gè)既相對(duì)獨(dú)立又相互聯(lián)系的閉環(huán)控制系統(tǒng)。
3.3 最優(yōu)控制及控制系數(shù)的計(jì)算與設(shè)置
生產(chǎn)過程是個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程,生產(chǎn)過程中的某一時(shí)刻的某一環(huán)節(jié)似乎是不可控的，因而造成生產(chǎn)被動(dòng)或增加勞動(dòng)強(qiáng)度。最優(yōu)控制不僅要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程相對(duì)靜態(tài)時(shí)的最優(yōu),而且要求從一個(gè)工況轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪还r時(shí)也要自動(dòng)起到最優(yōu),即達(dá)到動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制。所謂動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制就是要找出起控制作用的參數(shù)的一個(gè)或一組參數(shù),使要控制的目標(biāo)參數(shù)的函數(shù)在滿足約束條件下最優(yōu)。
要想達(dá)到最優(yōu)控制，關(guān)鍵是要確定合適的控制系數(shù)，那么怎樣對(duì)PID調(diào)節(jié)器的控制系數(shù)進(jìn)行計(jì)算與設(shè)置呢？
在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，首先應(yīng)把流量大小轉(zhuǎn)化成計(jì)量的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，建立信號(hào)之間的聯(lián)系,該系統(tǒng)中是將流量信號(hào)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，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(yīng)先把生產(chǎn)工藝上流量比值K折算成內(nèi)部的比值系數(shù)K′,才能進(jìn)行比值設(shè)定，這里暫以鐵合金和焦煤兩種物料配比計(jì)算進(jìn)行說明,由圖2可知：
I1=Q1/Q1max×I（1）
I2=Q2/Q2max×I（2）
式中:I1—鐵合金流量對(duì)應(yīng)的電流；
I2—焦煤流量對(duì)應(yīng)的電流；
Q1—鐵合金對(duì)應(yīng)的流量；
Q2—焦煤對(duì)應(yīng)的流量；
Q1max—鐵合金設(shè)置的最大流量；
Q2max—焦煤設(shè)置的最大流量；
I—標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)（20mADC）。
設(shè)：K′= I1′/I1（3）
K′為比值器的控制系數(shù)，要使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)控制，即系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，須使:
I1′=I2（4）
又設(shè):K=Q2/Q1（5）
K為生產(chǎn)工藝要求的比值，由(1)～(5)式可得：
K′=K×Q1max/Q2max(6）
由(6)式可知:K′與測量儀表的設(shè)置量程值有關(guān),而與生產(chǎn)負(fù)荷Q1、Q2的大小無關(guān)。其次,根據(jù)生產(chǎn)過程中的情況進(jìn)行計(jì)算來確定控制系數(shù),例如該系統(tǒng)中鐵合金的輸送能力為60t/h,焦煤的輸送量為36t/h?？傻?K′=K×36/60=3K/5=0.6K。當(dāng)K=0.2時(shí),K′=0.12;當(dāng)K=0.5時(shí),K′=0.3;當(dāng)K=1時(shí),K′=0.6,K′值是根據(jù)生產(chǎn)工藝需要,通過上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部PID進(jìn)行設(shè)置。
3.4 控制趨勢(shì)曲線
要達(dá)到系統(tǒng)生產(chǎn)工藝的目的，必須要求物料的給料量能穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。
4 綠色設(shè)計(jì)與制造
綠色設(shè)計(jì)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(jì)社會(huì)聯(lián)結(jié)成一個(gè)協(xié)調(diào)發(fā)展的有機(jī)整體，要求經(jīng)濟(jì)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(yuǎn)生成的需要。
在配料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,從系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的新思想。例如系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)選擇時(shí),將綠色設(shè)計(jì)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(shè)計(jì);當(dāng)在滿足生產(chǎn)工藝、保證產(chǎn)品質(zhì)量和采用綠色設(shè)計(jì)產(chǎn)生沖突時(shí),采取資金傾斜政策,以滿足實(shí)際需要。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，將影響環(huán)境因素及預(yù)防污染的措施納入產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,將環(huán)境性能作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的目標(biāo)和出發(fā)點(diǎn)，使生產(chǎn)對(duì)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(shè)計(jì)中,應(yīng)用DCS集散控制系統(tǒng)和變頻調(diào)速技術(shù)，真正體現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)，全面實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化，大大減少勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率、降低噪聲污染、節(jié)約電能及減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。在物流過程中,實(shí)現(xiàn)將物料進(jìn)行全密封裝置，從而杜絕了粉狀及粉粒狀物料（如石灰石等）對(duì)周圍環(huán)境的污染，保護(hù)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。
5 當(dāng)前變頻技術(shù)應(yīng)用效果
新生產(chǎn)線通過幾年運(yùn)行來看，使用效果較好，和老生產(chǎn)線相比，優(yōu)勢(shì)較明顯，具體表現(xiàn)在以下幾方面：
（1）生產(chǎn)效率大大提高
直接通過上位機(jī)進(jìn)行操作，減少現(xiàn)場人為干預(yù)，通過統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)效率比以前提高近5倍，同時(shí)大大減少了現(xiàn)場的操作人員的數(shù)量。
（2）系統(tǒng)可靠性大大提高
由于焦碳燒結(jié)配料系統(tǒng)系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)，PLC、變頻器等均采用進(jìn)口器件，并經(jīng)過嚴(yán)格篩選，系統(tǒng)工作幾年來一直運(yùn)行穩(wěn)定，大大減少設(shè)備維護(hù)的費(fèi)用。
（3）綠色設(shè)計(jì)和人性化設(shè)計(jì)得到充分體現(xiàn)
進(jìn)入二十一世紀(jì)后，隨著生活水平的提高，人們對(duì)環(huán)保意識(shí)明顯增強(qiáng)，綠色設(shè)計(jì)技術(shù)作為一門新興課題正在各行各業(yè)快速應(yīng)用。正是由于該系統(tǒng)充分利用綠色設(shè)計(jì)這一先進(jìn)思想，使得系統(tǒng)投入運(yùn)行后取得許多事前人們意想不到的效果。
（4）產(chǎn)品質(zhì)量和合格率明顯提高
應(yīng)生產(chǎn)工藝需要，通過系統(tǒng)設(shè)定好參數(shù)后，生產(chǎn)過程嚴(yán)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）工藝控制平穩(wěn)、穩(wěn)定
焦碳配料系統(tǒng)系統(tǒng)中采用閉環(huán)控制,并對(duì)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)行最優(yōu)計(jì)算，系統(tǒng)控制配料精度在±1%范圍內(nèi),并能平穩(wěn)地工作。

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