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某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
2 、 1 调速控制单元的组成
变频调速控制单元主要由 DCS 、 变频软起 、配料皮带秤、星型给料机、变频器、调节器、流量计、电气转换阀等组成。其工艺流程见图 1 所示：
[img]20066218345820892.gif[/img]
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 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 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：
[img]20066218352974538.gif[/img]
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 、 4 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 、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。
经过为期一年左右时间对原生产工艺进行改进设计改造，现已投入运行，通过几个月试运行来看，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， 变频软起 、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。
[img]2006621836856279.gif[/img]
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
变频技术和绿色设计技术在该石化公司催化剂厂高岭土铝石打浆生产工艺改造中的应用，标志着催化剂厂催化剂的整体水平提高，实践表明：系统运行效果良好，环境得到优化。这是公司领导和广大工程技术人员辛勤劳动的结果，值得在相应系统中推广使用。