标题关于自动过程控制中使用在线粒度分析技术的问题

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至：干粉处理及加工部

提交时间：2006 年 12 月
                     
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日期： 2006 年 11 月 27 日

代表： 马尔文仪器有限公司
                                          
标题：关于自动过程控制中使用在线粒度分析技术的问题 

案号：MAL/JOB/1248

作者：Oliver Schmitt
过程系统部，业务线经理
&
Marco Hartmann
过程系统部，项目经理
马尔文仪器有限公司
Enigma Business Park
Grovewood Road 
 Malvern 
 Worcestershire 
 WR14 1XZ
电话： 01684 892456
传真： 01684 892789
www.malvern.com 
              
字数：1200


图和表： X6（文档末附有带题注的缩略图，仅供参考。也有单独文件提供。）

图 1：水泥研磨流程示意图 
图 2：恒速给料试验趋势图分选机速度 70 rpm。人工筛选分析细度（残渣       90 微米筛）
图 3：Heyd 分选机工作曲线 
图 4：自动控制下研磨机启动的数据图 
图 5：铝粉生产示意图
图片：马尔文 Insitec

在自动过程控制中使用在线粒度分析技术

对所有欲立于不败之地的生产商来说，要应对日益挑剔的客户、日益严峻的环境压力和法规控制，不断地改进产品生产是他们日常运营中必不可少的一部分。工厂管理人员的目标是，用最有效的方式生产高质量产品，以实现最佳收益。 
正是在这一目标的指引下，伴随着科技的进步，在众多工业部门中出现了大规模的人工到自动过程控制的转变，而这也是一个长期的趋势。
有效的自动控制策略可以减少浪费，最大化产出，降低人工要求的同时提高产品质量，从而提高生产过程的效率。

本文讲述的是，自动化过程控制策略在使用在粒度检测技术后在研磨工艺中的应用。对固体处理器来说，粒度通常是一个关键变量，对工厂和生产任务有着直接的影响。所以，通过手工方法检测粒度的控制策略是很常见的。但是，对全自动控制来说，串联或在线分析更有优势。本文提供两个行业案例研究，用来说明文中阐述策略的应用广泛性及有效性。它们均使用激光衍射在线粒度分析仪（马尔文 Insitec 系统），通过其产生的连续数据流带动整个控制回路的工作。



<<框内文字>>
激光衍射
激光衍射是业内公认的检测粒度的有效方法，应用于现代仪器上，符合安全、可靠及低维护的行业标准。这项技术的关键是检测速度快，在检测和控制过程中占用的响应时间极少。马尔文 Insitec 是一套全自动系统，集串联、在线和内嵌式解决方案于一身，适用于干湿两种工艺。它还集行业中相关仪器的激光衍射技术的全部功能于一身。    
<<请见图像>>

水泥研磨中新的粒度控制策略的开发
图 1 是商业部门中水泥研磨的工艺流程图。安装自动控制系统以前，工艺中产品的粒度是由人工控制的。例如，根据人工分析的数据来控制分选机速度变量等。这是一个很基本的案例，不同的操作人员对选择最佳策略的看法也不同；结果，他们也就选择了各不相同的操作方法。此外，其他工作会让操作人员搁置过程控制，这样，有些时候，过程控制会“无作为”。结果就是产出不稳定，其根本原因是原材料供给变动及无法及时修正这些人工控制的变动而引起的。

研磨供料中粒度分布的不同是原材料定级和分选的不同造成的，运输和存储中都不可避免。这些问题很难消除，因此，在生产过程中消除其影响是至关重要的。详细的研磨数据分析解释了这些变化产生的原因（请见图 2）。

虽然这些数据来自恒速给料试验，但回到研磨机的原料流速会有很大变化，有时候能在十分钟内达到每小时数吨。在这种不稳定的原料流速下，变动还伴随着产品颗粒直径的变化。原料流速加快，与分选机中精细切割的颗粒直径变小有关。以上发现来自于 Heyd 分选机的设计，这种分选机是用来分离产品和进行再循环气流的。

通过这种分选机的气流速度是设备中的压降函数，无法直接控制（请见图 3）。压降低而气流速度高时，分离区中的速度也会非常高。随着压降升高，负载增加，机器中的气流速度下降，精细切割的颗粒直径会变小。这一发现让我们可以通过这种效果制定相应的过程控制策略，未来有望实现。 

研磨流程中的产品颗粒可以通过改变分选机速度（传统控制方法）或改变分选机的给料速度（间接方法）来操控。给料速度的变化影响机器中的压降，更改了分离特性。请见图 4，这是一个使用在线颗粒数据的自动控制策略试验的趋势图。

这里，分选机速度可以自动变化，以配合粒度的要求，但仅能在试验设定的一些具体条件下实现。给料速度可即时操作，以实现以下目标：检测到“太细”的颗粒就降低研磨机的给料速度，反之则提高。这种方法的响应时间很短，在启动数据中我们可以很清楚地看到。启动或规格更改 10 到 15 分钟后，研磨机工作会逐渐稳定。如果没有人为干扰，则会一直保持稳定的工作状态。

显然，这是一次成功的自动化控制，能够带来巨大的可变成本收益。人工节约、浪费减少、产出提高、规格更改更快、启动速度加快，这些都可以冲抵最初与在线分析机有关的资本支出。我们在许多工厂的安装经验表明，这类项目的投资回收期非常短，只要六个月。

铝粉生产中研磨装填量的控制

铝粉生产中，因为铝的密度极低，铝粉研磨装填量的控制问题一直难以解决。传统的研磨控制技术，如重量细胞和声波检测，都不是可行的替代方案。图 5 显示了将粗砂和薄片生产成粉末的铝研磨过程。安装在线粒度分析仪之前，每 4 小时进行一次成品样本的检测。安装自动化系统前的在线检测显示，这些人工检测控制方法是有缺陷的。 

产品颗粒的直径变化很大；例如，一批的平均 Dv(50) 为 23.5 μm，而最大值达到 37 μm。一般说来，这些变化是传输中造成的。可以通过一种测量穿越激光源样本到检测仪的光线的方法来检测，并得到负载指数。在本案例中，运转不稳定是导致研磨机频繁装填过度的原因；同时，进入分选机的材料流不均匀，分离效果差也是原因之一。

使用与水泥研磨一样的控制策略，过程操作的水平会大大提高。为应对粒度的变化，对分选机速度及研磨给料速度的操作能将最终产品的直径置于更为严格的控制之下。传输的下降说明了有效产出的增加，也就说明，本项目带来了经济收益。最终产品的粒度分布范围更窄，生产过程的控制也更容易、更有效。

优化过程控制

虽然在线分析应用于自动控制的观念越来越被人们接受，但是，只有稳定的技术与合理的控制策略相结合，才能保证最好地完成任务。本文的案例展示了一种对研磨控制相当有效，且广为应用的方法。 

在线粒度分析仪，如马尔文 Insitec，以颗粒直径测量技术为基础，提供了自动控制过程中所需的，连续而准确的数据流。有了这些数据，再加上有效的控制方法，就一定能够提高过程效率、节约变动成本。
    

<<结束>>
图

图 1：水泥研磨流程示意图

图 2：恒速给料试验趋势图分选机速度 70 rpm。人工筛选分析细度（残渣90 微米筛）

图 3：Heyd 分选机工作曲线


图 4：自动控制下研磨机启动的数据图


图 5：铝粉生产示意图



图片（方框中的文字）马尔文 Insitec