1 引言
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以後，焦碳行業的競爭更加日趨激烈，並對產品的質量提出更高的要求。針對原生產配料工藝過程中存在的問題，我們采用綠色設計和變頻技術應用於山西某焦化廠燒結配料設計，製造了一條新的配料係統生產線。
山西某焦化廠老生產線的焦碳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K8凯发登录入口的大小，這就造成：
（1）焦碳配料的質量較差；
（2）配料現場安全性能較差；
（3）電機滿負荷運轉，對電網衝擊較大，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）焦碳配比不合適，造成大量原材料的浪費；
（6）工作效率較低。
2 焦碳配料係統的生產工藝流程和結構組成
2.1 係統的生產工藝流程
焦碳配料係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、並由電子配料皮帶秤計量後輸入主輸送帶，再由主輸送帶將混合料送入料倉。
2.2 配料係統的主要參數
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台），30t/h(2台)。
2.3 稱重配料係統的主要結構組成
該自動配料係統主要由1台工業控製計算機（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台動力控製櫃（內含PLC等）、1台低壓開關櫃、1台儀表控製櫃（內含7台控製儀表和7台專家調節器）、2台變頻器櫃（內含7台變頻器）、7台現場操作盤、7台調速皮帶秤、7台圓盤給料機等組成。
3 係統的過程控製實現
3.1 變頻技術應用調速控製單元
電子調速配料係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。該係統采用調節圓盤給料機進行給料。其控製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 調速控製單元的工作原理
控製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，由控製儀表接收稱重信號和速度信號，經處理後轉化為累計值和瞬時K8凯发登录入口，並將累計值、瞬時K8凯发登录入口信號由RS-485口傳送給工業控製機（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後，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K8凯发登录入口增大時，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K8凯发登录入口和階段累計量均保持在設定的範圍內，進而得到可靠的產品質量。
焦碳配料係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，控製可靠，整個係統實現了高度自動化，形成7個既相對獨立又相互聯係的閉環控製係統。
3.3 最優控製及控製係數的計算與設置
生產過程是個複雜的動態過程,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。最優控製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,即達到動態最優控製。所謂動態最優控製就是要找出起控製作用的參數的一個或一組參數,使要控製的目標參數的函數在滿足約束條件下最優。
要想達到最優控製，關鍵是要確定合適的控製係數，那麽怎樣對PID調節器的控製係數進行計算與設置呢？
在自動控製係統中，首先應把K8凯发登录入口大小轉化成計量的統一標準信號，建立信號之間的聯係,該係統中是將K8凯发登录入口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K8凯发登录入口大小成正比，這樣，顯然應先把生產工藝上K8凯发登录入口比值K折算成內部的比值係數K′,才能進行比值設定，這裏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K8凯发登录入口對應的電流；
I2—焦煤K8凯发登录入口對應的電流；
Q1—鐵合金對應的K8凯发登录入口；
Q2—焦煤對應的K8凯发登录入口；
Q1max—鐵合金設置的最大K8凯发登录入口；
Q2max—焦煤設置的最大K8凯发登录入口；
I—標準電流信號（20mADC）。
設：K′= I1′/I1（3）
K′為比值器的控製係數，要使係統達到最優控製，即係統處於動態平衡狀態，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製係數,例如該係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′=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,通過上位機對係統內部PID進行設置。
3.4 控製趨勢曲線
要達到係統生產工藝的目的，必須要求物料的給料量能穩定在一定的範圍內。
4 綠色設計與製造
綠色設計與製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。
在配料係統的設計中,從係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。例如係統方案設計選擇時,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衝突時,采取資金傾斜政策,以滿足實際需要。在係統設計階段，將影響環境因素及預防汙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，使生產對環境的汙染減少到最小,從根本上防治了汙染，節約了能源和資源。設計中,應用DCS集散控製係統和變頻調速技術，真正體現人性化設計，全麵實現生產過程自動化，大大減少勞動強度、提高生產效率、降低噪聲汙染、節約電能及減少對電網的衝擊。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）對周圍環境的汙染，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 當前變頻技術應用效果
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麵：
（1）生產效率大大提高
直接通過上位機進行操作，減少現場人為幹預，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）係統可靠性大大提高
由於焦碳燒結配料係統係統采用集散控製係統，PLC、變頻器等均采用進口器件，並經過嚴格篩選，係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
進入二十一世紀後，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。正是由於該係統充分利用綠色設計這一先進思想，使得係統投入運行後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，通過係統設定好參數後，生產過程嚴格采用自動控製，避免了人為因素的幹擾，從而大大地提高了產品的質量和合格率。
（5）工藝控製平穩、穩定
焦碳配料係統係統中采用閉環控製,並對係統參數實行最優計算，係統控製配料精度在±1%範圍內,並能平穩地工作。

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