1 引言
近几年来，随着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，焦碳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。针对原生产配料工艺过程中存在的问题，我们采用绿色设计和变频技术应用于山西某焦化厂烧结配料设计，制造了一条新的配料系统生产线。
山西某焦化厂老生产线的焦碳烧结配料主要依靠工人师傅的工作经验，通过手动调节闸门的开度来调节流量的大小，这就造成：
（1）焦碳配料的质量较差；
（2）配料现场安全性能较差；
（3）电机满负荷运转，对电网冲击较大，浪费大量的能源；
（4）现场环境较差，严重影响工人的身体键康；
（5）焦碳配比不合适，造成大量原材料的浪费；
（6）工作效率较低。
2 焦碳配料系统的生产工艺流程和结构组成
2.1 系统的生产工艺流程
焦碳配料系统主要对四种物料进行配比（如石灰石、焦煤、铁合金、烧结料等），其中前三种物料各有两个料仓，料仓中物料分别通过各自的圆盘给料机、并由电子配料皮带秤计量后输入主输送带，再由主输送带将混合料送入料仓。
2.2 配料系统的主要参数
圆盘给料机:电机型号为YSP160Mz-4,功率11kW,转速1140rpm,AC380V,50Hz。
电子配料皮带秤:皮带宽度1000mm;速度0.5m/s;生产能力60t/h（5台），30t/h(2台)。
2.3 称重配料系统的主要结构组成
该自动配料系统主要由1台工业控制计算机（PTⅢ450/256M内存、80G硬盘/17寸彩显/光驱、软驱、接口板等）、1套组态软件、1台动力控制柜（内含PLC等）、1台低压开关柜、1台仪表控制柜（内含7台控制仪表和7台专家调节器）、2台变频器柜（内含7台变频器）、7台现场操作盘、7台调速皮带秤、7台圆盘给料机等组成。
3 系统的过程控制实现
3.1 变频技术应用调速控制单元
电子调速配料系统通常有调节圆盘给料机给料和调节皮带输送机速度给料两种调速方式。该系统采用调节圆盘给料机进行给料。其控制单元主要由组态软件、PLC、配料皮带秤、圆盘给料机、变频器、调节器等组成。
3.2 调速控制单元的工作原理
控制过程主要是通过电子配料皮带秤对圆盘给料机输送的物料进行计量，由控制仪表接收称重信号和速度信号，经处理后转化为累计值和瞬时流量，并将累计值、瞬时流量信号由RS-485口传送给工业控制机（上位机）、以4～20mA模拟电流信号传送给PID调节器，PID调节器将该信号与内部设定值进行比较运算后，4～20mA的模拟信号送给变频器，再由变频器去调节圆盘给料机的转速，当流量增大时，降低圆盘给料机的转速，反之提高圆盘给料机的转速，从而使得几种物料的流量和阶段累计量均保持在设定的范围内，进而得到可靠的产品质量。
焦碳配料系统的参数及运行过程可通过工控机进行设定和监控，也可通过手动修改PID调节器的值，操作方便，控制可靠，整个系统实现了高度自动化，形成7个既相对独立又相互联系的闭环控制系统。
3.3 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折算成内部的比值系数K′,才能进行比值设定，这里暂以铁合金和焦煤两种物料配比计算进行说明,由图2可知：
I1=Q1/Q1max×I（1）
I2=Q2/Q2max×I（2）
式中:I1—铁合金流量对应的电流；
I2—焦煤流量对应的电流；
Q1—铁合金对应的流量；
Q2—焦煤对应的流量；
Q1max—铁合金设置的最大流量；
Q2max—焦煤设置的最大流量；
I—标准电流信号（20mADC）。
设：K′= I1′/I1（3）
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（4）
又设:K=Q2/Q1（5）
K为生产工艺要求的比值，由(1)～(5)式可得：
K′=K×Q1max/Q2max(6）
由(6)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,例如该系统中铁合金的输送能力为60t/h,焦煤的输送量为36t/h。可得:K′=K×36/60=3K/5=0.6K。当K=0.2时,K′=0.12;当K=0.5时,K′=0.3;当K=1时,K′=0.6,K′值是根据生产工艺需要,通过上位机对系统内部PID进行设置。
3.4 控制趋势曲线
要达到系统生产工艺的目的，必须要求物料的给料量能稳定在一定的范围内。
4 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。
在配料系统的设计中,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,应用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（如石灰石等）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。
5 当前变频技术应用效果
新生产线通过几年运行来看，使用效果较好，和老生产线相比，优势较明显，具体表现在以下几方面：
（1）生产效率大大提高
直接通过上位机进行操作，减少现场人为干预，通过统计，生产效率比以前提高近5倍，同时大大减少了现场的操作人员的数量。
（2）系统可靠性大大提高
由于焦碳烧结配料系统系统采用集散控制系统，PLC、变频器等均采用进口器件，并经过严格筛选，系统工作几年来一直运行稳定，大大减少设备维护的费用。
（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。
（4）产品质量和合格率明显提高
应生产工艺需要，通过系统设定好参数后，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）工艺控制平稳、稳定
焦碳配料系统系统中采用闭环控制,并对系统参数实行最优计算，系统控制配料精度在±1%范围内,并能平稳地工作。

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