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至：干粉處理及加工部

提交時(shí)間：2006 年 12 月
                     
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日期： 2006 年 11 月 27 日

代表： 馬爾文儀器有限公司
                                          
標(biāo)題：關(guān)于自動(dòng)過程控制中使用在線粒度分析技術(shù)的問題 

案號(hào)：MAL/JOB/1248

作者：Oliver Schmitt
過程系統(tǒng)部，業(yè)務(wù)線經(jīng)理
&
Marco Hartmann
過程系統(tǒng)部，項(xiàng)目經(jīng)理
馬爾文儀器有限公司
Enigma Business Park
Grovewood Road 
 Malvern 
 Worcestershire 
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字?jǐn)?shù)：1200


圖和表： X6（文檔末附有帶題注的縮略圖，僅供參考。也有單獨(dú)文件提供。）

圖 1：水泥研磨流程示意圖 
圖 2：恒速給料試驗(yàn)趨勢圖分選機(jī)速度 70 rpm。人工篩選分析細(xì)度（殘?jiān)?nbsp;      90 微米篩）
圖 3：Heyd 分選機(jī)工作曲線 
圖 4：自動(dòng)控制下研磨機(jī)啟動(dòng)的數(shù)據(jù)圖 
圖 5：鋁粉生產(chǎn)示意圖
圖片：馬爾文 Insitec

在自動(dòng)過程控制中使用在線粒度分析技術(shù)

對(duì)所有欲立于不敗之地的生產(chǎn)商來說，要應(yīng)對(duì)日益挑剔的客戶、日益嚴(yán)峻的環(huán)境壓力和法規(guī)控制，不斷地改進(jìn)產(chǎn)品生產(chǎn)是他們?nèi)粘＿\(yùn)營中必不可少的一部分。工廠管理人員的目標(biāo)是，用最有效的方式生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)最佳收益。 
正是在這一目標(biāo)的指引下，伴隨著科技的進(jìn)步，在眾多工業(yè)部門中出現(xiàn)了大規(guī)模的人工到自動(dòng)過程控制的轉(zhuǎn)變，而這也是一個(gè)長期的趨勢。
有效的自動(dòng)控制策略可以減少浪費(fèi)，最大化產(chǎn)出，降低人工要求的同時(shí)提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而提高生產(chǎn)過程的效率。

本文講述的是，自動(dòng)化過程控制策略在使用在粒度檢測技術(shù)后在研磨工藝中的應(yīng)用。對(duì)固體處理器來說，粒度通常是一個(gè)關(guān)鍵變量，對(duì)工廠和生產(chǎn)任務(wù)有著直接的影響。所以，通過手工方法檢測粒度的控制策略是很常見的。但是，對(duì)全自動(dòng)控制來說，串聯(lián)或在線分析更有優(yōu)勢。本文提供兩個(gè)行業(yè)案例研究，用來說明文中闡述策略的應(yīng)用廣泛性及有效性。它們均使用激光衍射在線粒度分析儀（馬爾文 Insitec 系統(tǒng)），通過其產(chǎn)生的連續(xù)數(shù)據(jù)流帶動(dòng)整個(gè)控制回路的工作。



<<框內(nèi)文字>>
激光衍射
激光衍射是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的檢測粒度的有效方法，應(yīng)用于現(xiàn)代儀器上，符合安全、可靠及低維護(hù)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵是檢測速度快，在檢測和控制過程中占用的響應(yīng)時(shí)間極少。馬爾文 Insitec 是一套全自動(dòng)系統(tǒng)，集串聯(lián)、在線和內(nèi)嵌式解決方案于一身，適用于干濕兩種工藝。它還集行業(yè)中相關(guān)儀器的激光衍射技術(shù)的全部功能于一身。    
<<請(qǐng)見圖像>>

水泥研磨中新的粒度控制策略的開發(fā)
圖 1 是商業(yè)部門中水泥研磨的工藝流程圖。安裝自動(dòng)控制系統(tǒng)以前，工藝中產(chǎn)品的粒度是由人工控制的。例如，根據(jù)人工分析的數(shù)據(jù)來控制分選機(jī)速度變量等。這是一個(gè)很基本的案例，不同的操作人員對(duì)選擇最佳策略的看法也不同；結(jié)果，他們也就選擇了各不相同的操作方法。此外，其他工作會(huì)讓操作人員擱置過程控制，這樣，有些時(shí)候，過程控制會(huì)“無作為”。結(jié)果就是產(chǎn)出不穩(wěn)定，其根本原因是原材料供給變動(dòng)及無法及時(shí)修正這些人工控制的變動(dòng)而引起的。

研磨供料中粒度分布的不同是原材料定級(jí)和分選的不同造成的，運(yùn)輸和存儲(chǔ)中都不可避免。這些問題很難消除，因此，在生產(chǎn)過程中消除其影響是至關(guān)重要的。詳細(xì)的研磨數(shù)據(jù)分析解釋了這些變化產(chǎn)生的原因（請(qǐng)見圖 2）。

雖然這些數(shù)據(jù)來自恒速給料試驗(yàn)，但回到研磨機(jī)的原料流速會(huì)有很大變化，有時(shí)候能在十分鐘內(nèi)達(dá)到每小時(shí)數(shù)噸。在這種不穩(wěn)定的原料流速下，變動(dòng)還伴隨著產(chǎn)品顆粒直徑的變化。原料流速加快，與分選機(jī)中精細(xì)切割的顆粒直徑變小有關(guān)。以上發(fā)現(xiàn)來自于 Heyd 分選機(jī)的設(shè)計(jì)，這種分選機(jī)是用來分離產(chǎn)品和進(jìn)行再循環(huán)氣流的。

通過這種分選機(jī)的氣流速度是設(shè)備中的壓降函數(shù)，無法直接控制（請(qǐng)見圖 3）。壓降低而氣流速度高時(shí)，分離區(qū)中的速度也會(huì)非常高。隨著壓降升高，負(fù)載增加，機(jī)器中的氣流速度下降，精細(xì)切割的顆粒直徑會(huì)變小。這一發(fā)現(xiàn)讓我們可以通過這種效果制定相應(yīng)的過程控制策略，未來有望實(shí)現(xiàn)。 

研磨流程中的產(chǎn)品顆�？梢酝ㄟ^改變分選機(jī)速度（傳統(tǒng)控制方法）或改變分選機(jī)的給料速度（間接方法）來操控。給料速度的變化影響機(jī)器中的壓降，更改了分離特性。請(qǐng)見圖 4，這是一個(gè)使用在線顆粒數(shù)據(jù)的自動(dòng)控制策略試驗(yàn)的趨勢圖。

這里，分選機(jī)速度可以自動(dòng)變化，以配合粒度的要求，但僅能在試驗(yàn)設(shè)定的一些具體條件下實(shí)現(xiàn)。給料速度可即時(shí)操作，以實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：檢測到“太細(xì)”的顆粒就降低研磨機(jī)的給料速度，反之則提高。這種方法的響應(yīng)時(shí)間很短，在啟動(dòng)數(shù)據(jù)中我們可以很清楚地看到。啟動(dòng)或規(guī)格更改 10 到 15 分鐘后，研磨機(jī)工作會(huì)逐漸穩(wěn)定。如果沒有人為干擾，則會(huì)一直保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

顯然，這是一次成功的自動(dòng)化控制，能夠帶來巨大的可變成本收益。人工節(jié)約、浪費(fèi)減少、產(chǎn)出提高、規(guī)格更改更快、啟動(dòng)速度加快，這些都可以沖抵最初與在線分析機(jī)有關(guān)的資本支出。我們?cè)谠S多工廠的安裝經(jīng)驗(yàn)表明，這類項(xiàng)目的投資回收期非常短，只要六個(gè)月。

鋁粉生產(chǎn)中研磨裝填量的控制

鋁粉生產(chǎn)中，因?yàn)殇X的密度極低，鋁粉研磨裝填量的控制問題一直難以解決。傳統(tǒng)的研磨控制技術(shù)，如重量細(xì)胞和聲波檢測，都不是可行的替代方案。圖 5 顯示了將粗砂和薄片生產(chǎn)成粉末的鋁研磨過程。安裝在線粒度分析儀之前，每 4 小時(shí)進(jìn)行一次成品樣本的檢測。安裝自動(dòng)化系統(tǒng)前的在線檢測顯示，這些人工檢測控制方法是有缺陷的。 

產(chǎn)品顆粒的直徑變化很大；例如，一批的平均 Dv(50) 為 23.5 μm，而最大值達(dá)到 37 μm。一般說來，這些變化是傳輸中造成的�？梢酝ㄟ^一種測量穿越激光源樣本到檢測儀的光線的方法來檢測，并得到負(fù)載指數(shù)。在本案例中，運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定是導(dǎo)致研磨機(jī)頻繁裝填過度的原因；同時(shí)，進(jìn)入分選機(jī)的材料流不均勻，分離效果差也是原因之一。

使用與水泥研磨一樣的控制策略，過程操作的水平會(huì)大大提高。為應(yīng)對(duì)粒度的變化，對(duì)分選機(jī)速度及研磨給料速度的操作能將最終產(chǎn)品的直徑置于更為嚴(yán)格的控制之下。傳輸?shù)南陆嫡f明了有效產(chǎn)出的增加，也就說明，本項(xiàng)目帶來了經(jīng)濟(jì)收益。最終產(chǎn)品的粒度分布范圍更窄，生產(chǎn)過程的控制也更容易、更有效。

優(yōu)化過程控制

雖然在線分析應(yīng)用于自動(dòng)控制的觀念越來越被人們接受，但是，只有穩(wěn)定的技術(shù)與合理的控制策略相結(jié)合，才能保證最好地完成任務(wù)。本文的案例展示了一種對(duì)研磨控制相當(dāng)有效，且廣為應(yīng)用的方法。 

在線粒度分析儀，如馬爾文 Insitec，以顆粒直徑測量技術(shù)為基礎(chǔ)，提供了自動(dòng)控制過程中所需的，連續(xù)而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)流。有了這些數(shù)據(jù)，再加上有效的控制方法，就一定能夠提高過程效率、節(jié)約變動(dòng)成本。
    

<<結(jié)束>>
圖

圖 1：水泥研磨流程示意圖

圖 2：恒速給料試驗(yàn)趨勢圖分選機(jī)速度 70 rpm。人工篩選分析細(xì)度（殘?jiān)?0 微米篩）

圖 3：Heyd 分選機(jī)工作曲線


圖 4：自動(dòng)控制下研磨機(jī)啟動(dòng)的數(shù)據(jù)圖


圖 5：鋁粉生產(chǎn)示意圖



圖片（方框中的文字）馬爾文 Insitec