DCS在碳化硅微粉生產(chǎn)中的成功應(yīng)用

摘 要：在碳化硅微粉生產(chǎn)過程中，對其主要生產(chǎn)設(shè)備雷蒙磨使用DCS進(jìn)行集中控制，可以極大地減少人力資源成本，提高碳化硅微粉的成品率和產(chǎn)量，使設(shè)備更加平穩(wěn)可靠地運(yùn)行，同時提高雷蒙磨除塵系統(tǒng)的除塵能力，減少粉塵對生產(chǎn)人員的危害，改善車間的整體環(huán)境。本文介紹了碳化硅微粉生產(chǎn)過程中用到的一種DCS對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行集中控制的方法及程序。

關(guān)鍵詞：雷蒙磨 集散控制系統(tǒng) 碳化硅微粉 GCS-2

中圖分類號：TQ127 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（c）-0094-02

碳化硅微粉是太陽能晶硅片、半導(dǎo)體理想的線切割刃料，但其生產(chǎn)過程中對工藝控制的要求很高，在整個生產(chǎn)經(jīng)營管理過程中就需要不斷提高設(shè)備的自動化應(yīng)用水平，采用數(shù)字化的控制手段來消除傳統(tǒng)繼電器控制的弊端，從而提高碳化硅微粉的成品率和產(chǎn)量。

制粉是碳化硅微粉生產(chǎn)中的重要工序，其產(chǎn)品質(zhì)量在很大程序上取決于設(shè)備的控制精度。但由于碳化硅的硬度較高，其莫氏硬度為9.5級，在莫氏硬度標(biāo)準(zhǔn)中僅低于金剛石，因此其生產(chǎn)加工并不容易。在進(jìn)行集中控制之前雷蒙磨采用繼電器和普通儀表控制，每臺電機(jī)都由電氣控制柜上的起動停止按鈕人工操作，而電流、風(fēng)量、給料量等模擬量只由普通儀表顯示，顯示精度差。在生產(chǎn)過程中，操作人員既要觀察電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和現(xiàn)場工況，同時又要隨時觀察電流、給料量等參數(shù)的變化，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，我們對雷蒙磨采用浙大中控的集散控制系統(tǒng)（GCS-2）進(jìn)行集中控制，極大地減輕了操作人員的勞動強(qiáng)度，使設(shè)備更加平穩(wěn)可靠地運(yùn)行，從而提高碳化硅微粉的成品率和產(chǎn)量。

1 碳化硅微粉的生產(chǎn)設(shè)備及工藝流程

1.1 碳化硅微粉的生產(chǎn)設(shè)備

新疆新路標(biāo)年產(chǎn)6萬噸碳化硅微粉項(xiàng)目采用3R8020型雷蒙磨，該雷蒙磨包含主電機(jī)、一號分級機(jī)、二號分級機(jī)、一號閉風(fēng)器、二號閉風(fēng)器、除塵箱、引風(fēng)機(jī)、螺旋機(jī)、電振給料機(jī)、電動閥門、流量變送器、給料控制儀、現(xiàn)場控制柜等部分。一號分級機(jī)和二號分級機(jī)分別由一號變頻器和二號變頻器進(jìn)行調(diào)速控制，其它電機(jī)全部使用接觸器進(jìn)行起停控制。引風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓由電動閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，風(fēng)量由流量變送器進(jìn)行精確計量并轉(zhuǎn)換至4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號。其中電流變送器、變頻器、接觸器、給料控制儀安裝在現(xiàn)場控制柜內(nèi)，螺旋機(jī)、電振給料機(jī)、電動閥門安裝在雷蒙磨設(shè)備上，需要輸入和輸出至DCS機(jī)柜的模擬量信號全部轉(zhuǎn)換成4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號。

1.2 碳化硅微粉的工藝流程

根據(jù)工藝要求，原材料粒度砂通過料倉在電振給料機(jī)的振動下進(jìn)入主機(jī)研磨室，經(jīng)磨輥和磨環(huán)研磨后，在引風(fēng)機(jī)作用下，帶動粉末經(jīng)置于研磨室上方的一號分級機(jī)進(jìn)行分選。粒度過粗的顆粒重新落于研磨室內(nèi)回磨，粒度合乎規(guī)格的顆粒進(jìn)入二號分級機(jī)重新精確分選，合格的粒度群由一號閉風(fēng)器進(jìn)入一號螺旋機(jī)后排出。更小的顆粒隨風(fēng)流進(jìn)入旋風(fēng)分離器分選，由二號閉風(fēng)器將進(jìn)入二號螺旋機(jī)后排出。最后從旋風(fēng)分離器上端的回風(fēng)管進(jìn)入收集器收集超細(xì)顆粒，在除塵箱內(nèi)進(jìn)行收集并由氣動蝶閥經(jīng)三號螺旋機(jī)排出。全程屬于負(fù)壓狀態(tài)，帶粉塵的氣體最后經(jīng)除塵箱凈化處理后由引風(fēng)機(jī)的風(fēng)道排出。

2 系統(tǒng)概述

2.1 控制點(diǎn)數(shù)

根據(jù)控制要求及工藝要求，24臺雷蒙磨的控制點(diǎn)數(shù)為：數(shù)字量輸入點(diǎn)192點(diǎn)，數(shù)字量輸出點(diǎn)384點(diǎn)，模擬量輸入點(diǎn)120點(diǎn)，模擬量輸出點(diǎn)120點(diǎn)。借助DCS強(qiáng)大的人機(jī)界面，顯示、監(jiān)控、報警等功能也由DCS來實(shí)現(xiàn)。

2.2 硬件系統(tǒng)

雷蒙磨集中控制系統(tǒng)的硬件選用浙大中控新一代控制系統(tǒng)OS-GCS2-3/ER冗余控制系統(tǒng)，主要由控制站、操作站（工程師站）、通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成?？刂普居呻娫茨K、CPU模塊、I/O機(jī)架和各種I/O模塊構(gòu)成。CPU模塊與I/O模塊之間采用并行總線，具有邏輯控制功能以及強(qiáng)大的模擬量處理能力。一個CPU機(jī)架可以容納一個CPU模塊、一個電源模塊，并提供8個I/O槽位。各控制站實(shí)現(xiàn)冗余控制單元的無擾切換，重要的I/O通道冗余，當(dāng)各種卡件、通訊等故障發(fā)生時立即投入備用，保證的生產(chǎn)控制的連續(xù)性。

雷蒙磨集中控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。GCS2及其擴(kuò)展模塊安裝在4臺DCS機(jī)柜內(nèi)，DCS操作臺與DCS機(jī)柜之間、DCS機(jī)柜與DCS機(jī)柜之間均采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行連接，流量變送器和電動閥門的標(biāo)準(zhǔn)信號直接通過連接電纜接入DCS機(jī)柜，其它數(shù)字信號和模擬信號經(jīng)過現(xiàn)場控制柜轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號后通過連接電纜接入DCS機(jī)柜。為了減少現(xiàn)場電磁干擾對模擬信號產(chǎn)生的影響，所有模擬信號傳輸電纜全部使用屏蔽電纜。

2.3 軟件系統(tǒng)

雷蒙磨集中控制系統(tǒng)的軟件采用GCS2的集成開發(fā)環(huán)境AdvanTrol-Pro軟件包，該軟件包是基于Windows2000操作系統(tǒng)的自動控制應(yīng)用軟件平臺，在SUPCON WebField系列集散控制系統(tǒng)中完成系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)服務(wù)和實(shí)時監(jiān)控功能?？刹捎帽镜鼗蜻h(yuǎn)程I/O擴(kuò)展機(jī)架，方便實(shí)現(xiàn)集中式和分布式控制結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)完全兼容ModBUS、TCP/IP協(xié)議，并支持自定義通訊協(xié)議以實(shí)現(xiàn)智能系統(tǒng)間的互聯(lián)。通過組態(tài)軟件包和實(shí)時監(jiān)控軟件包，在碳化硅微粉生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)集中顯示、故障報警、數(shù)據(jù)記錄、設(shè)備操作等功能。

2.4 系統(tǒng)功能

碳化硅微粉生產(chǎn)設(shè)備的集中控制通過一套DCS控制24臺雷蒙磨的起停、給料、除塵以及分級機(jī)調(diào)速，以實(shí)現(xiàn)對24臺雷蒙磨的集中控制?？稍赑C機(jī)上實(shí)時顯示各電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、閥門狀態(tài)、分級機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速。主機(jī)、風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中過電流時，DCS系統(tǒng)可給出報警信號或停止該臺設(shè)備運(yùn)行。24臺設(shè)備分成4組，單組設(shè)備能實(shí)現(xiàn)一鍵起動和一鍵停止?？蛇M(jìn)行手動、自動切換，控制系統(tǒng)癱瘓時可切換到手動狀態(tài)。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了頻率、電流等模擬量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化與顯示，可以在DCS上對一號分級機(jī)和二號分級機(jī)的頻率進(jìn)行給定并可在線調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，方便質(zhì)檢員操作。實(shí)現(xiàn)了各種設(shè)備遠(yuǎn)程、就地、運(yùn)行、停止等數(shù)字量的采集與顯示，各種重要設(shè)備、裝置、參數(shù)在出現(xiàn)異常時DCS會給出報警信號，以及記錄重要數(shù)據(jù)的歷史（實(shí)時）趨勢。

設(shè)備操作包括電機(jī)的現(xiàn)場手動和集中控制兩種控制方式，集中控制包括設(shè)備單動和設(shè)備聯(lián)動兩種控制方式。在集中控制方式下，操作人員在MHI畫面上進(jìn)行單動操作和聯(lián)動自動方式選擇。每臺電機(jī)在DCS上均能單獨(dú)起動、單獨(dú)停止、顯示運(yùn)行狀態(tài)，可執(zhí)行掛牌操作，在掛牌解除前該臺電機(jī)在DCS上不可執(zhí)行任何操作，避免因設(shè)備維修時操作員的誤操作而發(fā)生安全事故。單臺設(shè)備可以一鍵起動和一鍵停機(jī)，其多臺電機(jī)按設(shè)定時間間隔自動啟動和停止。對于每6臺雷蒙磨中的一號閉風(fēng)器和二號閉風(fēng)器，可實(shí)現(xiàn)一鍵起動和停機(jī)，方便質(zhì)檢員取料。

3 程序框圖

3.1 控制系統(tǒng)的程序框圖

在微粉加工過程中對時間間隔的要求較高，主要表現(xiàn)在各電機(jī)起動過程中，為了避免起動電流對供電系統(tǒng)的沖擊，各電機(jī)需要按照一定開機(jī)順序并錯開一定時間間隔依次開啟。在繼電器控制系統(tǒng)中需要實(shí)現(xiàn)此功能時需要大量的時間繼電器和復(fù)雜的邏輯控制電路才能實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)通過系統(tǒng)軟件的定時器能方便實(shí)現(xiàn)對時間間隔的控制。

系統(tǒng)程序的設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，首先需要編制單臺磨機(jī)的子程序，在控制24臺磨機(jī)的主程序中只需要對單臺磨機(jī)的子程序進(jìn)行逐一調(diào)用即可?？刂茊闻_雷蒙磨的子程序框圖如圖2所示。

3.2 雷蒙磨給料系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)

在雷蒙磨集中控制系統(tǒng)中，給料量的調(diào)節(jié)是整個系統(tǒng)控制的一個重要內(nèi)容。給料量的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)可以提高系統(tǒng)生產(chǎn)效益和設(shè)備安全性。給料量太大會導(dǎo)致主電機(jī)堵轉(zhuǎn)而使電流升高甚至燒毀主電機(jī)，給料量太小又使主電機(jī)空轉(zhuǎn)，影響生產(chǎn)效率，浪費(fèi)電能。因此采用PID控制算法對控制系統(tǒng)的給料量進(jìn)行調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)主要運(yùn)用Advan Trol-Pro軟件包中的PID控制功能塊來實(shí)現(xiàn)PID控制，只需要配置模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊，然后對相關(guān)PID參數(shù)進(jìn)行整定。

本系統(tǒng)中，電振給料機(jī)是輸出環(huán)節(jié)，其振動量的大小由給料控制儀控制。給料控制儀接受DCS的信號對電振給料機(jī)的振動量大小進(jìn)行控制，DCS綜合主電機(jī)電流的設(shè)定參考值與現(xiàn)場反饋的實(shí)際測量值之后，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)，向電振給料機(jī)發(fā)出運(yùn)轉(zhuǎn)指令。電流變送器檢測主電機(jī)的電流，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)镈CS可接受的標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行反饋。值得注意的是在本系統(tǒng)中，給料量的設(shè)定值可根據(jù)原材料的粒度大小而重新設(shè)定。給料量設(shè)定值的變化將引起相關(guān)參數(shù)發(fā)生變化，如電振給料機(jī)的振動量、主電機(jī)電流值、給料量等。這些參數(shù)反饋給DCS最終形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖3所示。

4 結(jié)語

雷蒙磨集中控制系統(tǒng)以浙大中控DCS為核心，通過實(shí)際運(yùn)行，與繼電器控制系統(tǒng)相比，DCS控制的雷蒙磨大大減輕了操作人員的勞動強(qiáng)度。在進(jìn)行集中控制之前，操作人員需要經(jīng)常到現(xiàn)場觀察，并根據(jù)碳化硅的粒度不斷調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)量、給料量等設(shè)定值，因此，對操作人員的要求較高，而且勞動強(qiáng)度較大。特別是風(fēng)門的控制是由操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)掌握，隨意性較大，改造后風(fēng)門可以由DCS系統(tǒng)進(jìn)行精確控制。同時原材料的給料量也可以通過PID控制算法精確控制，實(shí)踐證明，通過精確控制風(fēng)門的開度和原材料的給料量可以明顯提高碳化硅微粉的成品率和產(chǎn)量。同時在雷蒙磨機(jī)的主機(jī)頭內(nèi)，在磨環(huán)與磨輥將碳化硅的研磨過程中，由于碳化硅硬度大，導(dǎo)致設(shè)備容易磨損。進(jìn)行集中控制之后由于能非常方便的統(tǒng)計設(shè)備的運(yùn)行時間及運(yùn)行工況，設(shè)備出現(xiàn)磨損時可以及時發(fā)現(xiàn)及時維修，因此可以極大地減少設(shè)備磨損，延長設(shè)備的使用壽命，增加設(shè)備的開機(jī)率。

采用DCS對雷蒙磨進(jìn)行控制，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)問題時及時報警，并自動記錄生產(chǎn)情況，操作人員則根據(jù)記錄值選擇最佳控制參數(shù)，生產(chǎn)質(zhì)量得到了極大提高。同時可以節(jié)省人力資源成本，提高工作效率，提高成品產(chǎn)量和成品率，最終達(dá)到降低成本，節(jié)約資源的目的，具有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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