1  引言
    某焦化廠老生產(chǎn)線的燒結(jié)配料主要依靠工人師傅的工作經(jīng)驗，通過手動調(diào)節(jié)閘門的開度來調(diào)節(jié)流量的大小，這就造成：
    （1）焦碳的質(zhì)量較差；
    （2）現(xiàn)場安全性能較差；
    （3）電機(jī)滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)，對電網(wǎng)沖擊較大，浪費大量的能源；
    （4）現(xiàn)場環(huán)境較差，嚴(yán)重影響工人的身體鍵康；
    （5）配比不合適，造成大量原材料的浪費；
    （6）工作效率較低。
    近幾年來，隨著工業(yè)過程自動化程度越來越高及人們對環(huán)保意識的增強(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，并對產(chǎn)品的質(zhì)量提出更高的要求。針對原生產(chǎn)工藝過程中存在的問題，我們采用變頻調(diào)節(jié)器和綠色設(shè)計技術(shù)為該焦化廠燒結(jié)配料設(shè)計制造了一條新生產(chǎn)線。

2  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
    系統(tǒng)主要對四種物料進(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量后輸入主輸送帶，再由主輸送帶將混合料送入料倉。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.2 系統(tǒng)的主要參數(shù)
    圓盤給料機(jī):電機(jī)型號為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），30t/h(2臺)。
2.3 系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)組成
    該系統(tǒng)主要由1臺工業(yè)控制計算機(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臺動力控制柜（內(nèi)含PLC等）、1臺低壓開關(guān)柜、1臺儀表控制柜（內(nèi)含7臺控制儀表和7臺專家調(diào)節(jié)器）、2臺變頻器柜（內(nèi)含7臺變頻器）、7臺現(xiàn)場操作盤、7臺調(diào)速皮帶秤、7臺圓盤給料機(jī)等組成。

3  系統(tǒng)的過程控制實現(xiàn)
3.1 變頻調(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圓盤給料機(jī)輸送的物料進(jìn)行計量，由控制儀表接收稱重信號和速度信號，經(jīng)處理后轉(zhuǎn)化為累計值和瞬時流量，并將累計值、瞬時流量信號由RS-485口傳送給工業(yè)控制機(jī)（上位機(jī)）、以4～20mA模擬電流信號傳送給PID調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器將該信號與內(nèi)部設(shè)定值進(jìn)行比較運算后，4～20mA的模擬信號送給變頻器，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，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。
    系統(tǒng)的參數(shù)及運行過程可通過工控機(jī)進(jìn)行設(shè)定和監(jiān)控，也可通過手動修改PID調(diào)節(jié)器的值，操作方便，控制可靠，整個系統(tǒng)實現(xiàn)了高度自動化，形成7個既相對獨立又相互聯(lián)系的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其配料控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
3.3 最優(yōu)控制及控制系數(shù)的計算與設(shè)置
    生產(chǎn)過程是個復(fù)雜的動態(tài)過程,生產(chǎn)過程中的某一時刻的某一環(huán)節(jié)似乎是不可控的，因而造成生產(chǎn)被動或增加勞動強(qiáng)度。最優(yōu)控制不僅要實現(xiàn)生產(chǎn)過程相對靜態(tài)時的最優(yōu),而且要求從一個工況轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪还r時也要自動起到最優(yōu),即達(dá)到動態(tài)最優(yōu)控制。所謂動態(tài)最優(yōu)控制就是要找出起控制作用的參數(shù)的一個或一組參數(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PID調(diào)節(jié)器的控制系數(shù)進(jìn)行計算與設(shè)置呢？

圖2  控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

    在自動控制系統(tǒng)中，首先應(yīng)把流量大小轉(zhuǎn)化成計量的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，建立信號之間的聯(lián)系,該系統(tǒng)中是將流量信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)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(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—鐵合金流量對應(yīng)的電流；
    I2—焦煤流量對應(yīng)的電流；
    Q1—鐵合金對應(yīng)的流量；
    Q2—焦煤對應(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（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′

[NextPage] =K×36/60=3K/5=0.6K。當(dāng)K=0.2時,K′=0.12;當(dāng)K=0.5時,K′=0.3;當(dāng)K=1時,K′=0.6,K′值是根據(jù)生產(chǎn)工藝需要,通過上位機(jī)對系統(tǒng)內(nèi)部PID進(jìn)行設(shè)置。
3.4 控制趨勢曲線
    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)，系統(tǒng)控制趨勢曲線見圖3示。

圖3  系統(tǒng)控制趨勢曲線

4  綠色設(shè)計與制造
    綠色設(shè)計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)社會聯(lián)結(jié)成一個協(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。
    在系統(tǒng)的設(shè)計中,從系統(tǒng)的方案設(shè)計到生成產(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)計的新思想。例如系統(tǒng)方案設(shè)計選擇時,將綠色設(shè)計新思想擺在首位，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;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)計產(chǎn)生沖突時,采取資金傾斜政策,以滿足實際需要。在系統(tǒng)設(shè)計階段，將影響環(huán)境因素及預(yù)防污染的措施納入產(chǎn)品設(shè)計中,將環(huán)境性能作為產(chǎn)品設(shè)計的目標(biāo)和出發(fā)點，使生產(chǎn)對環(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)計中,采用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，全面實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，大大減少勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率、降低噪聲污染、節(jié)約電能及減少對電網(wǎng)的沖擊。在物流過程中,實現(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)前應(yīng)用效果
    新生產(chǎn)線通過幾年運行來看，使用效果較好，和老生產(chǎn)線相比，優(yōu)勢較明顯，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，生產(chǎn)效率比以前提高近5倍，同時大大減少了現(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)工作幾年來一直運行穩(wěn)定，大大減少設(shè)備維護(hù)的費用。
    （3）綠色設(shè)計和人性化設(shè)計得到充分體現(xiàn)
    進(jìn)入二十一世紀(jì)后，隨著生活水平的提高，人們對環(huán)保意識明顯增強(qiáng)，綠色設(shè)計技術(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)計這一先進(jìn)思想，使得系統(tǒng)投入運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
    系統(tǒng)中采用閉環(huán)控制,并對系統(tǒng)參數(shù)實行最優(yōu)計算，從圖3中清楚地看到,系統(tǒng)控制精度在±1%范圍內(nèi),并能平穩(wěn)地工作。
    （6）節(jié)能效果顯著
    節(jié)能效果顯著，經(jīng)核算，系統(tǒng)中電機(jī)功率為11kW，實際工作中，采用變頻調(diào)速功率只達(dá)到55～60%之間，平均每臺可節(jié)省功率4.8kW，按300×24=7200h/年臺算，這樣該系統(tǒng)每年可節(jié)省7200×4.8×7×1=24.2萬元/年，同時還減少電機(jī)啟動對電網(wǎng)造成的沖擊。
    （7）投資見效快
    投資系統(tǒng)在80萬元左右,僅節(jié)約電費3年就能收回成本。

6  結(jié)束語
    通過用戶現(xiàn)場的使用情況來看：
    其一，系統(tǒng)的可靠性好，解決了以前用戶現(xiàn)場由于棚料導(dǎo)致物流不暢及由于卡料使給料機(jī)不能正常工作，導(dǎo)致堆料現(xiàn)象等；
    其二,系統(tǒng)的精度高,單機(jī)運行時,精度優(yōu)于±0.5%,控制精度優(yōu)于±1%；
    其三，節(jié)能效果顯著；
    其四，環(huán)境污染程度低?？傊撓到y(tǒng)自投產(chǎn)以來不但保證了產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，同時又克服了環(huán)境污染問題，為企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。