1 引言
某焦化廠老生產線的燒結配料主要依靠工人師傅的工作經驗，通過手動調節閘門的開度來調節流量的大小，這就造成：
（1）焦碳的質量較差；
（2）現場安全性能較差；
（3）電機滿負荷運轉，對電網沖擊較大，浪費大量的能源；
（4）現場環境較差，嚴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，隨著工業過程自動化程度越來越高及人們對環保意識的增強，變頻技術以其優異的性能，在國內外得以廣泛應用，特別是隨著中國加入WTO以后，焦碳行業的競爭更加日趨激烈，并對產品的質量提出更高的要求。針對原生產工藝過程中存在的問題，我們采用變頻調節器和綠色設計技術為該焦化廠燒結配料設計制造了一條新生產線。
2 系統的生產工藝流程和結構組成
2.1 系統的生產工藝流程
系統主要對四種物料進行配比（如石灰石、焦煤、鐵合金、燒結料等），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、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。系統框圖如圖1所示。
圖1 系統框圖
2.2 系統的主要參數
圓盤給料機:電機型號為YSP160Mz-4,功率11kW,轉速1140rpm,AC380V,50Hz。
電子配料皮帶秤:皮帶寬度1000mm;速度0.5m/s;生產能力60t/h（5臺），30t/h(2臺)。
2.3 系統的主要結構組成
該系統主要由1臺工業控制計算機（PTⅢ450/256M內存、80G硬盤/17寸彩顯/光驅、軟驅、接口板等）、1套組態軟件、1臺動力控制柜（內含PLC等）、1臺低壓開關柜、1臺儀表控制柜（內含7臺控制儀表和7臺專家調節器）、2臺變頻器柜（內含7臺變頻器）、7臺現場操作盤、7臺調速皮帶秤、7臺圓盤給料機等組成。
3 系統的過程控制實現
3.1 變頻調速控制單元
電子調速配料系統通常有調節圓盤給料機給料和調節皮帶輸送機速度給料兩種調速方式。該系統采用調節圓盤給料機進行給料。其控制單元主要由組態軟件、PLC、配料皮帶秤、圓盤給料機、變頻器、調節器等組成。
3.2 調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輸送的物料進行計量，由控制儀表接收稱重信號和速度信號，經處理后轉化為累計值和瞬時流量，并將累計值、瞬時流量信號由RS-485口傳送給工業控制機（上位機）、以4～20mA模擬電流信號傳送給PID調節器，PID調節器將該信號與內部設定值進行比較運算后，4～20mA的模擬信號送給變頻器，再由變頻器去調節圓盤給料機的轉速，當流量增大時，降低圓盤給料機的轉速，反之提高圓盤給料機的轉速，從而使得幾種物料的流量和階段累計量均保持在設定的范圍內，進而得到可靠的產品質量。
系統的參數及運行過程可通過工控機進行設定和監控，也可通過手動修改PID調節器的值，操作方便，控制可靠，整個系統實現了高度自動化，形成7個既相對獨立又相互聯系的閉環控制系統，其配料控制系統結構框圖如圖2所示。
3.3 最優控制及控制系數的計算與設置
生產過程是個復雜的動態過程,生產過程中的某一時刻的某一環節似乎是不可控的，因而造成生產被動或增加勞動強度。最優控制不僅要實現生產過程相對靜態時的最優,而且要求從一個工況轉變為另一工況時也要自動起到最優,即達到動態最優控制。所謂動態最優控制就是要找出起控制作用的參數的一個或一組參數,使要控制的目標參數的函數在滿足約束條件下最優。
要想達到最優控制，關鍵是要確定合適的控制系數，那么怎樣對PID調節器的控制系數進行計算與設置呢？
圖2 控制系統結構框圖
在自動控制系統中，首先應把流量大小轉化成計量的統一標準信號，建立信號之間的聯系,該系統中是將流量信號統一轉化成標準電流信號，即4～20mA模擬電流，該電流的大小與流量大小成正比，這樣，顯然應先把生產工藝上流量比值K折算成內部的比值系數K′,才能進行比值設定，這里暫以鐵合金和焦煤兩種物料配比計算進行說明,由圖2可知：
I1=Q1/Q1max×I （1）
I2=Q2/Q2max×I （2）
式中:
I1—鐵合金流量對應的電流；
I2—焦煤流量對應的電流；
Q1—鐵合金對應的流量；
Q2—焦煤對應的流量；
Q1max—鐵合金設置的最大流量；
Q2max—焦煤設置的最大流量；
I—標準電流信號（20mADC）。
設：K′= I1′/I1 （3）
K′為比值器的控制系數，要使系統達到最優控制，即系統處于動態平衡狀態，須使:
I1′=I2 （4）
又設:K=Q2/Q1 （5）
K為生產工藝要求的比值，由(1)～(5)式可得：
K′=K×Q1max/Q2max (6）
由(6)式可知:K′與測量儀表的設置量程值有關,而與生產負荷Q1、Q2的大小無關。其次,根據生產過程中的情況進行計算來確定控制系數,例如該系統中鐵合金的輸送能力為60t/h,焦煤的輸送量為36t/h。可得:K′
[NextPage] =K×36/60=3K/5=0.6K。當K=0.2時,K′=0.12;當K=0.5時,K′=0.3;當K=1時,K′=0.6,K′值是根據生產工藝需要,通過上位機對系統內部PID進行設置。
3.4 控制趨勢曲線
要達到系統生產工藝的目的，必須要求物料的給料量能穩定在一定的范圍內，系統控制趨勢曲線見圖3示。
圖3 系統控制趨勢曲線
4 綠色設計與制造
綠色設計與制造是人類可持續發展的必由之路，它將生態環境和經濟社會聯結成一個協調發展的有機整體，要求經濟發展必須考慮自然生態環境的長期承載能力，滿足人類長遠生成的需要。
在系統的設計中,從系統的方案設計到生成產品,包括生產過程中的周轉物、回收物及廢棄物等,都充分地利用綠色設計的新思想。例如系統方案設計選擇時,將綠色設計新思想擺在首位，在滿足生產工藝、保證產品質量的前提下，盡可能多地采用綠色設計;當在滿足生產工藝、保證產品質量和采用綠色設計產生沖突時,采取資金傾斜政策,以滿足實際需要。在系統設計階段，將影響環境因素及預防污染的措施納入產品設計中,將環境性能作為產品設計的目標和出發點，使生產對環境的污染減少到最小,從根本上防治了污染，節約了能源和資源。設計中,采用DCS集散控制系統和變頻調速技術，真正體現人性化設計，全面實現生產過程自動化，大大減少勞動強度、提高生產效率、降低噪聲污染、節約電能及減少對電網的沖擊。在物流過程中,實現將物料進行全密封裝置，從而杜絕了粉狀及粉粒狀物料（如石灰石等）對周圍環境的污染，保護工人的身體健康。提高企業市場競爭能力和可持續發展能力。
5 當前應用效果
新生產線通過幾年運行來看，使用效果較好，和老生產線相比，優勢較明顯，具體表現在以下幾方面：
（1）生產效率大大提高
直接通過上位機進行操作，減少現場人為干預，通過統計，生產效率比以前提高近5倍，同時大大減少了現場的操作人員的數量。
（2）系統可靠性大大提高
由于系統采用集散控制系統，PLC、變頻器等均采用進口器件，并經過嚴格篩選，系統工作幾年來一直運行穩定，大大減少設備維護的費用。
（3）綠色設計和人性化設計得到充分體現
進入二十一世紀后，隨著生活水平的提高，人們對環保意識明顯增強，綠色設計技術作為一門新興課題正在各行各業快速應用。正是由于該系統充分利用綠色設計這一先進思想，使得系統投入運行后取得許多事前人們意想不到的效果。
（4）產品質量和合格率明顯提高
應生產工藝需要，通過系統設定好參數后，生產過程嚴格采用自動控制，避免了人為因素的干擾，從而大大地提高了產品的質量和合格率。
（5）工藝控制平穩、穩定
系統中采用閉環控制,并對系統參數實行最優計算，從圖3中清楚地看到,系統控制精度在±1%范圍內,并能平穩地工作。
（6）節能效果顯著
節能效果顯著，經核算，系統中電機功率為11kW，實際工作中，采用變頻調速功率只達到55～60%之間，平均每臺可節省功率4.8kW，按300×24=7200h/年臺算，這樣該系統每年可節省7200×4.8×7×1=24.2萬元/年，同時還減少電機啟動對電網造成的沖擊。
（7）投資見效快
投資系統在80萬元左右,僅節約電費3年就能收回成本。
6 結束語
通過用戶現場的使用情況來看：
其一，系統的可靠性好，解決了以前用戶現場由于棚料導致物流不暢及由于卡料使給料機不能正常工作，導致堆料現象等；
其二,系統的精度高,單機運行時,精度優于±0.5%,控制精度優于±1%；
其三，節能效果顯著；
其四，環境污染程度低。總之，該系統自投產以來不但保證了產品的質量和產量，同時又克服了環境污染問題，為企業創造良好的經濟效益。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
