標題關于自動過程控制中使用在線粒度分析技術的問題

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至：干粉處理及加工部

提交時間：2006 年 12 月
                     
提交單位： Hilary Harris, Kapler Communications 
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日期： 2006 年 11 月 27 日

代表： 馬爾文儀器有限公司
                                          
標題：關于自動過程控制中使用在線粒度分析技術的問題 

案號：MAL/JOB/1248

作者：Oliver Schmitt
過程系統部，業務線經理
&
Marco Hartmann
過程系統部，項目經理
馬爾文儀器有限公司
Enigma Business Park
Grovewood Road 
 Malvern 
 Worcestershire 
 WR14 1XZ
電話： 01684 892456
傳真： 01684 892789
www.malvern.com 
              
字數：1200


圖和表： X6（文檔末附有帶題注的縮略圖，僅供參考。也有單獨文件提供。）

圖 1：水泥研磨流程示意圖 
圖 2：恒速給料試驗趨勢圖分選機速度 70 rpm。人工篩選分析細度（殘渣       90 微米篩）
圖 3：Heyd 分選機工作曲線 
圖 4：自動控制下研磨機啟動的數據圖 
圖 5：鋁粉生產示意圖
圖片：馬爾文 Insitec

在自動過程控制中使用在線粒度分析技術

對所有欲立于不敗之地的生產商來說，要應對日益挑剔的客戶、日益嚴峻的環境壓力和法規控制，不斷地改進產品生產是他們日常運營中必不可少的一部分。工廠管理人員的目標是，用最有效的方式生產高質量產品，以實現最佳收益。 
正是在這一目標的指引下，伴隨著科技的進步，在眾多工業部門中出現了大規模的人工到自動過程控制的轉變，而這也是一個長期的趨勢。
有效的自動控制策略可以減少浪費，最大化產出，降低人工要求的同時提高產品質量，從而提高生產過程的效率。

本文講述的是，自動化過程控制策略在使用在粒度檢測技術后在研磨工藝中的應用。對固體處理器來說，粒度通常是一個關鍵變量，對工廠和生產任務有著直接的影響。所以，通過手工方法檢測粒度的控制策略是很常見的。但是，對全自動控制來說，串聯或在線分析更有優勢。本文提供兩個行業案例研究，用來說明文中闡述策略的應用廣泛性及有效性。它們均使用激光衍射在線粒度分析儀（馬爾文 Insitec 系統），通過其產生的連續數據流帶動整個控制回路的工作。



<<框內文字>>
激光衍射
激光衍射是業內公認的檢測粒度的有效方法，應用于現代儀器上，符合安全、可靠及低維護的行業標準。這項技術的關鍵是檢測速度快，在檢測和控制過程中占用的響應時間極少。馬爾文 Insitec 是一套全自動系統，集串聯、在線和內嵌式解決方案于一身，適用于干濕兩種工藝。它還集行業中相關儀器的激光衍射技術的全部功能于一身。    
<<請見圖像>>

水泥研磨中新的粒度控制策略的開發
圖 1 是商業部門中水泥研磨的工藝流程圖。安裝自動控制系統以前，工藝中產品的粒度是由人工控制的。例如，根據人工分析的數據來控制分選機速度變量等。這是一個很基本的案例，不同的操作人員對選擇最佳策略的看法也不同；結果，他們也就選擇了各不相同的操作方法。此外，其他工作會讓操作人員擱置過程控制，這樣，有些時候，過程控制會“無作為”。結果就是產出不穩定，其根本原因是原材料供給變動及無法及時修正這些人工控制的變動而引起的。

研磨供料中粒度分布的不同是原材料定級和分選的不同造成的，運輸和存儲中都不可避免。這些問題很難消除，因此，在生產過程中消除其影響是至關重要的。詳細的研磨數據分析解釋了這些變化產生的原因（請見圖 2）。

雖然這些數據來自恒速給料試驗，但回到研磨機的原料流速會有很大變化，有時候能在十分鐘內達到每小時數噸。在這種不穩定的原料流速下，變動還伴隨著產品顆粒直徑的變化。原料流速加快，與分選機中精細切割的顆粒直徑變小有關。以上發現來自于 Heyd 分選機的設計，這種分選機是用來分離產品和進行再循環氣流的。

通過這種分選機的氣流速度是設備中的壓降函數，無法直接控制（請見圖 3）。壓降低而氣流速度高時，分離區中的速度也會非常高。隨著壓降升高，負載增加，機器中的氣流速度下降，精細切割的顆粒直徑會變小。這一發現讓我們可以通過這種效果制定相應的過程控制策略，未來有望實現。 

研磨流程中的產品顆�？梢酝ㄟ^改變分選機速度（傳統控制方法）或改變分選機的給料速度（間接方法）來操控。給料速度的變化影響機器中的壓降，更改了分離特性。請見圖 4，這是一個使用在線顆粒數據的自動控制策略試驗的趨勢圖。

這里，分選機速度可以自動變化，以配合粒度的要求，但僅能在試驗設定的一些具體條件下實現。給料速度可即時操作，以實現以下目標：檢測到“太細”的顆粒就降低研磨機的給料速度，反之則提高。這種方法的響應時間很短，在啟動數據中我們可以很清楚地看到。啟動或規格更改 10 到 15 分鐘后，研磨機工作會逐漸穩定。如果沒有人為干擾，則會一直保持穩定的工作狀態。

顯然，這是一次成功的自動化控制，能夠帶來巨大的可變成本收益。人工節約、浪費減少、產出提高、規格更改更快、啟動速度加快，這些都可以沖抵最初與在線分析機有關的資本支出。我們在許多工廠的安裝經驗表明，這類項目的投資回收期非常短，只要六個月。

鋁粉生產中研磨裝填量的控制

鋁粉生產中，因為鋁的密度極低，鋁粉研磨裝填量的控制問題一直難以解決。傳統的研磨控制技術，如重量細胞和聲波檢測，都不是可行的替代方案。圖 5 顯示了將粗砂和薄片生產成粉末的鋁研磨過程。安裝在線粒度分析儀之前，每 4 小時進行一次成品樣本的檢測。安裝自動化系統前的在線檢測顯示，這些人工檢測控制方法是有缺陷的。 

產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，并得到負載指數。在本案例中，運轉不穩定是導致研磨機頻繁裝填過度的原因；同時，進入分選機的材料流不均勻，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，過程操作的水平會大大提高。為應對粒度的變化，對分選機速度及研磨給料速度的操作能將最終產品的直徑置于更為嚴格的控制之下。傳輸的下降說明了有效產出的增加，也就說明，本項目帶來了經濟收益。最終產品的粒度分布范圍更窄，生產過程的控制也更容易、更有效。

優化過程控制

雖然在線分析應用于自動控制的觀念越來越被人們接受，但是，只有穩定的技術與合理的控制策略相結合，才能保證最好地完成任務。本文的案例展示了一種對研磨控制相當有效，且廣為應用的方法。 

在線粒度分析儀，如馬爾文 Insitec，以顆粒直徑測量技術為基礎，提供了自動控制過程中所需的，連續而準確的數據流。有了這些數據，再加上有效的控制方法，就一定能夠提高過程效率、節約變動成本。
    

<<結束>>
圖

圖 1：水泥研磨流程示意圖

圖 2：恒速給料試驗趨勢圖分選機速度 70 rpm。人工篩選分析細度（殘渣90 微米篩）

圖 3：Heyd 分選機工作曲線


圖 4：自動控制下研磨機啟動的數據圖


圖 5：鋁粉生產示意圖



圖片（方框中的文字）馬爾文 Insitec