1.1課題選題的背景
現(xiàn)代工業(yè)中，碳化硅是重要的非金屬礦產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、太陽能、化工、機(jī)械、磨具、電子、冶金、陶瓷、光電材料等行業(yè)。碳化硅俗名金剛砂，化學(xué)式SiC，無色晶體，含雜質(zhì)時呈藍(lán)黑色，結(jié)構(gòu)與金剛石相似，每個硅原子被4個碳原子包圍，硬度僅次于金剛石，密度為3217kg/m3，熔點約為2700℃（分解升華），耐磨、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕，有較好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性。
其中，硅晶片線切割用碳化硅微粉屬于高端硅產(chǎn)品，在國際市場呈現(xiàn)出良好的需求態(tài)勢，市場潛力很大，而且隨著我國太陽能和lC芯片等高科技產(chǎn)業(yè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，對線切割碳化硅微粉需求量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我國生產(chǎn)能力，并保持著旺盛的增長勢頭。硅晶片線切割用碳化硅微粉與普通碳化硅相比，在粒度分布集中程度、晶格結(jié)構(gòu)、堆積密度、顆粒形貌、化學(xué)成份、表面特性（清潔度、親水性、分散性）等一系列指標(biāo)上都有嚴(yán)格的規(guī)定，對生產(chǎn)工藝要求極高，目前只有少數(shù)國外企業(yè)掌握了其制造技術(shù)，如日本的FUJIMI株式會社等。這導(dǎo)致目前硅晶片線切割用碳化硅微粉市場價格約為普通碳化硅微粉的10倍，更遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了普通碳化硅。
江蘇省連云港市有豐富的硅資源，水晶、石英的儲量和品質(zhì)均居全國首位，擁有眾多的碳化硅生產(chǎn)廠家，主要產(chǎn)品如碳化硅磨料以及石英砂等均在國內(nèi)硅行業(yè)具有重要地位。目前連云港碳化硅企業(yè)生產(chǎn)存在的問題有：
●規(guī)模小，產(chǎn)量低（多數(shù)年產(chǎn)量僅幾萬噸），生產(chǎn)技術(shù)落后，生產(chǎn)能耗大，產(chǎn)品附加值偏低，高端產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量低；因此企業(yè)亟需進(jìn)行產(chǎn)品升級和高附加值產(chǎn)品的開發(fā)：
●生產(chǎn)過程綜合自動化水平低，人工操作比較普遍，控制策略簡單，控制效果較差，在生產(chǎn)能力、質(zhì)量、能耗、磨損、設(shè)備穩(wěn)定性、勞動環(huán)境、污染等方面與國外相比有較
大差距，進(jìn)行升級改造勢在必行，同時也應(yīng)該看到現(xiàn)有生產(chǎn)線的升級潛力很大，技術(shù)工藝改造帶來的效益相當(dāng)明顯；
●合理運用設(shè)備，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，加強生產(chǎn)管理的網(wǎng)絡(luò)化和信息化，增加生產(chǎn)過程的自動化水平，采用有效的控制策略，提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，減少能耗和機(jī)械磨損，提高生產(chǎn)效率是生產(chǎn)線改造的有效手段；
●近年來，不少企業(yè)積極進(jìn)行硅晶片線切割用碳化硅微粉的研發(fā)工作，但試制品在6H晶相含量、顆粒形貌、表面特性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)方面，仍達(dá)不到國際先進(jìn)水平，產(chǎn)品無法進(jìn)入國際市場，并且難以進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)，國內(nèi)硅晶片線切割用碳化硅微粉仍嚴(yán)重依賴進(jìn)口。為此，當(dāng)前不少礦廠正在聯(lián)合高校積極開展技術(shù)玫關(guān)，以提高產(chǎn)品附加值和規(guī)模化生產(chǎn)能力。
連云港研磨廠是冶煉、生產(chǎn)和加工碳化硅的專業(yè)工廠，年產(chǎn)碳化硅結(jié)晶塊、粒度砂、微粉等過5萬噸，其微粉產(chǎn)品規(guī)格分800目（15μm），1000目（13μm），1250目（lOμm）和1500目（9μm），而以1250目和1500目為主。該廠經(jīng)過科技攻關(guān)，線切割用碳化硅微粉試制成功，生產(chǎn)工藝采用機(jī)械破碎、氣流分級和水力分級的方法，依次經(jīng)過中碎、篩分、整形、酸洗、粉碎、分級和二次分級，制備出了性能指標(biāo)理想的碳化硅微粉。
其中，
雷蒙磨粉碎系統(tǒng)是生產(chǎn)線的核心之一。但由于粉碎生產(chǎn)線自動化程度低，生產(chǎn)能耗大、故障率高、分級效率低，微粉產(chǎn)量和質(zhì)量穩(wěn)定性不能滿足規(guī)模化生產(chǎn)的要求。并且磨機(jī)進(jìn)料量和進(jìn)料粒度的干擾對生產(chǎn)影響很大，嚴(yán)重時常造成堵塞和燒毀電機(jī)。同時由于市場前景看好，連云港研磨廠生產(chǎn)規(guī)模將不斷擴(kuò)大，對微粉產(chǎn)量和質(zhì)量需求不斷提高。因此雷蒙磨粉碎系統(tǒng)的自動化改造已勢在必行。
為此，在江蘇省科技廳支持下，連云港研磨廠聯(lián)合南京工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)申報2006年度江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項資金項目（項目編號：BA2006049）——“硅晶片線切割用6H SiC微粉材料的研究及產(chǎn)業(yè)化”。東南大學(xué)負(fù)責(zé)自動檢測和自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與施工建設(shè)，其中磨粉系統(tǒng)的自動化改造是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。磨粉系統(tǒng)進(jìn)行自動化改造后，預(yù)期可提高雷蒙磨處理能力5%-20%，降低能耗、材料損耗，提高分級精度，以及為后續(xù)工藝打下良好基礎(chǔ)，并將其納入到生產(chǎn)綜合自動化系統(tǒng)中。
1.2課題簡介
1.2.1雷蒙磨的控制要求連云港研磨廠生產(chǎn)碳化硅微粉的工藝為：
●取碳化硅原料，經(jīng)破碎機(jī)中碎，并篩分至不大于5mm的碳化硅顆粒，再用整形機(jī)對其進(jìn)行整形至不大于2mm的碳化硅顆粒，且其中橢圓形顆粒占80%以上，再對其進(jìn)行酸洗除雜，干燥：
●將上述干燥后的碳化硅顆粒用雷蒙磨粉機(jī)粉碎成dso=9.5-11.5pm的碳化硅粉，粉碎時，磨粉機(jī)主機(jī)電流設(shè)定為65-75A，風(fēng)機(jī)流量設(shè)定為40_50rn3／min，分析機(jī)轉(zhuǎn)速為400-600轉(zhuǎn)／分；
●然后用渦流式氣流分級機(jī)對碳化硅粉進(jìn)行分級，分級時，渦流式氣流分級機(jī)的風(fēng)機(jī)流量為25_43m3/min，分級輪轉(zhuǎn)速為2600-3300轉(zhuǎn)／分，從分級口分出粒度dSg4=6.5-5.5μrn的成品A，旋風(fēng)口分出dSg4≤5.5μm的半成品；
●將渦流式氣流分級機(jī)旋風(fēng)口分出的半成品用葉輪式氣流分級機(jī)再進(jìn)行二次分級，分級時，葉輪式氣流分級機(jī)的風(fēng)機(jī)流量為25-lOrr13／rrrrri，分級輪轉(zhuǎn)速為1300-1700轉(zhuǎn)／分，從分級口分出粒度為dSg4=4.5-3.Oμm的成品B，旋風(fēng)口則分出副產(chǎn)品。根據(jù)廠家提出的控制要求，結(jié)合生產(chǎn)工藝，確定磨粉系統(tǒng)的控制要點為：
●磨粉系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)集中控制，實時測量現(xiàn)場設(shè)備的溫度、電流等參數(shù)傳至網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和人機(jī)對話及數(shù)據(jù)分析，通過人機(jī)互動界面遠(yuǎn)程實現(xiàn)啟動、停車等開關(guān)量的順序控制。
●根據(jù)主機(jī)電流自動調(diào)節(jié)喂料，以穩(wěn)定生產(chǎn)，避免產(chǎn)量和質(zhì)量的波動，并有效保護(hù)設(shè)備。需要電振喂料控制器能提供4-20mA自動化接口。
●分析機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)變頻能接受從計算機(jī)人機(jī)界面上輸入的頻率值，自動按輸入的頻率設(shè)定值運行，以穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，達(dá)到最佳的工藝指標(biāo)。需要變頻器能提供4-20mA自動化接口。
●每臺主機(jī)加溫度傳感器一套，實時測量溫度。當(dāng)溫度或主機(jī)電流超高限時自動報警，直至超高高限時自動停車，保護(hù)生產(chǎn)設(shè)備。報警時，可通過人機(jī)對話選擇是否立即停車。
●系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)庫功能，在計算機(jī)上可以實時查看檢測參數(shù)，歷史數(shù)據(jù)分類存儲以各隨時查閱，為分析工藝提供參考。
●系統(tǒng)的開放性和功能模塊化設(shè)計，具有良好的功能擴(kuò)展性。
1.2.2課題的理論意義和應(yīng)用價值
本課題針對中國使用最廣泛的懸輥式雷蒙磨用于生產(chǎn)碳化硅微粉的系統(tǒng)提出進(jìn)行自動化改造的方案，利用現(xiàn)代化的檢測和控制手段，采用合理的控制算法，對影響因素多、變化復(fù)雜的磨粉過程進(jìn)行自動檢測和控制，以實現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)，提高產(chǎn)量和產(chǎn)品粒徑指標(biāo)，降低能耗，提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，提高經(jīng)濟(jì)效益。
本課題對PLC系統(tǒng)開發(fā)、PID控制和模糊自適應(yīng)算法進(jìn)行了深入的研究。控制方案以SIMATIC S7-300 PLC為核心控制器，采用總線結(jié)構(gòu)，使用STEP7對S7-300 PLC進(jìn)行模塊化的硬件組態(tài)和軟件編程，大幅度地降低材料成本和線路敷設(shè)成本，提高了通訊的實時性和可靠性，系統(tǒng)開發(fā)方便快捷。監(jiān)控平臺基于組態(tài)軟件iFix和Windows2003 Server設(shè)計，對生產(chǎn)現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)控更為便利。在控制算法上，采用模糊自適應(yīng)PID控制對雷蒙磨給料環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有一定的先進(jìn)性，可以較好地克服系統(tǒng)的純滯后和時變，有效提高了給料精度。
雷蒙磨粉碎自動控制系統(tǒng)的設(shè)計和投入使用，實現(xiàn)了對電磁振動給料機(jī)喂料速度的自動調(diào)節(jié)、對分析機(jī)轉(zhuǎn)速和鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)速的精確控制，保證雷蒙磨處于最佳工作狀態(tài)，微粉質(zhì)量得到很大提高。高限報警和自動停車功能使系統(tǒng)故障率大為降低，保護(hù)了現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備，減少了材料損耗。監(jiān)控平臺實現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，對不同產(chǎn)品所需參數(shù)的調(diào)節(jié)更加方便、高效。粉碎自動控制系統(tǒng)大大提高了碳化硅微粉的產(chǎn)量和質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，實現(xiàn)了生產(chǎn)的規(guī)模化，提高了企業(yè)整體經(jīng)濟(jì)效益，并且為企業(yè)擴(kuò)大生產(chǎn)預(yù)留了接口和提供了完整的實施方案。
本課題的方案和成功經(jīng)驗對其它應(yīng)用雷蒙磨的磨粉系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)也具有一定的推廣應(yīng)用價值。我國有眾多的非金屬礦企業(yè)，大量使用雷蒙磨，而生產(chǎn)工藝相對落后，進(jìn)行生產(chǎn)線自動化改造可大幅提高經(jīng)濟(jì)效益，增強企業(yè)競爭力，還可以實現(xiàn)從生產(chǎn)粗粉到生產(chǎn)高附加值微粉的質(zhì)的飛躍。
1.2.3課題的難點與關(guān)鍵點
對微粉生產(chǎn)來說，磨粉和分級難度比普通礦更大，尤其是用雷蒙磨這樣的老式設(shè)備生產(chǎn)微粉，并無成熟經(jīng)驗可循。課題的技術(shù)關(guān)鍵點在于保證設(shè)備的平穩(wěn)運行和可靠的數(shù)據(jù)通訊，通過實時檢測雷蒙磨主機(jī)負(fù)荷以及分析機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)的工作電流，由控制系統(tǒng)對電磁振動給料機(jī)控制器及分析機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)變頻器進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，精確控制生產(chǎn)過程參數(shù)，以保證設(shè)備始終工作在最佳狀態(tài)。
選擇合適的算法是課題的難點，常規(guī)控制算法都對系統(tǒng)模型的精確性提出很高的要求，本系統(tǒng)的時滯、時變、非線性和強干擾增加了給料控制的難度，控制效果可能欠佳，一些先進(jìn)控制算法又面臨算法復(fù)雜或難以實現(xiàn)的問題，要達(dá)到控制目標(biāo)需考慮先進(jìn)控制算法。
1.3過程控制的主要策略
過程控制策略經(jīng)過多年發(fā)展，在理論上逐漸完善并日益豐富，在工業(yè)實際中也得到越來越多地重視和運用。過程控制常用的策略有：
1)基于對象模型的內(nèi)模控制(internal mode control)。在被控制過程模型G(s)確定、非奇異情況下，選擇合適的G+，可實現(xiàn)克服外界擾動。但內(nèi)模控制過分依賴系統(tǒng)模型，限制了它在工業(yè)上的應(yīng)用。
2)對大純滯后系統(tǒng)可以采用純滯后補償法來改善調(diào)節(jié)質(zhì)量，即以PID調(diào)節(jié)為基礎(chǔ)，加上滯后補償控制算法構(gòu)成。例如在其中引入一個與對象并聯(lián)的Smith預(yù)估器，以及類似的“大林”算法。有研究表明Smith預(yù)估和大林算法以及內(nèi)模控制在一定程度上是等價的。
3)模型預(yù)測控制，如模型算法控制(MAC)、動態(tài)矩陣控制(DMC)。DMC的預(yù)測模型是以對象的階躍響應(yīng)為基礎(chǔ)，并不要對模型的結(jié)構(gòu)有先驗知識，解決了過程建模問題，算法具有良好的魯棒性。DMC算法包括3個部分：預(yù)測模型、滾動優(yōu)化、反饋校正。模型預(yù)測控制尤其適用于多變量、大純滯后、大時間常數(shù)過程。
4)自適應(yīng)控制。通過參考模型以及參數(shù)自動校正，對被控對象的模型進(jìn)行辨識以及優(yōu)化控制。自適應(yīng)控制對時變系統(tǒng)控制效果良好，但缺點是計算量大，對難以獲取模型、非線性系統(tǒng)、變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和大時滯系統(tǒng)效果不理想。
5)變結(jié)構(gòu)控制。優(yōu)點是控制速度快、魯棒性好、對被控對象的參數(shù)變化和外界干擾不敏感，但對被控對象的慣性和純滯后敏感，易造成振蕩和失控。如何設(shè)計切換函數(shù)是變結(jié)構(gòu)控制的難點。有文獻(xiàn)提出將狀態(tài)辨識和狀態(tài)預(yù)估引入到變結(jié)構(gòu)控制中以克服系統(tǒng)的滯后和大慣性。
6)H。魯棒控制。現(xiàn)在對其研究非常活躍，理論了取得不少進(jìn)展，并走向工業(yè)應(yīng)用，優(yōu)點是能有效抑制干擾和對象模型的不確定性，參數(shù)整定過程簡單。魯棒控制與智能控制相結(jié)合，又形成魯棒自適應(yīng)控制、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒控制等。但魯棒控制計算的復(fù)雜性阻礙了它的發(fā)展。
7)基于專家知識庫、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法的人工智能控制策略。傳統(tǒng)的控制理論難以完全解決過程多變量、非線性、時變的問題，提出以知識庫為基礎(chǔ)、采用人工智能自動尋優(yōu)控制策略來控制過程的有關(guān)參數(shù)，使控制目標(biāo)工作在極值范圍。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同模糊智能控制技術(shù)有效的結(jié)合，可顯著加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。最常用的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為多層前向BP網(wǎng)絡(luò)和徑向基函數(shù)RBF網(wǎng)絡(luò)、正交多項式網(wǎng)絡(luò)、樣條函數(shù)網(wǎng)絡(luò)。
8)模糊控制是近十幾年來迅速發(fā)展的一項技術(shù)，但由于其簡單實用，目前已成功應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中。模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機(jī)數(shù)學(xué)控制方法，屬于非線性控制。模糊控制結(jié)合了專家的經(jīng)驗智慧，意義清晰、易于掌握、容易實現(xiàn)，計算量小，實時性好，對模型要求不高，對傳統(tǒng)技術(shù)難以控制的時滯系統(tǒng)、時變系統(tǒng)有良好的控制效果。
1.4論文章節(jié)安排
全文圍繞雷蒙磨負(fù)荷自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)這一主題展開，共分六章。
第一章緒論：介紹選題的背景和意義，課題的難點與關(guān)鍵點，簡介控制策略的進(jìn)展，概括論文要做的工作和章節(jié)安排；
第二章雷蒙磨生產(chǎn)過程分析：介紹雷蒙磨磨粉工藝，分析被控過程，建立過程模型；
第三章控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計：設(shè)計系統(tǒng)的總體控制方案，運用常規(guī)PID控制、串級控制等方法進(jìn)行設(shè)計和Matlab仿真；
第四章雷蒙磨生產(chǎn)過程的模糊PID控制：針對常規(guī)PID控制的不足，提出模糊PID控制算法，并進(jìn)行分析；
第五章控制系統(tǒng)的實現(xiàn)：具體介紹磨粉自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，從過程控制級、過程監(jiān)控級和生產(chǎn)管理級三個層次對系統(tǒng)的整體架構(gòu)進(jìn)行闡述，包括系統(tǒng)硬件選取和組態(tài)、數(shù)據(jù)通訊、軟件實施等內(nèi)容。
第六章總結(jié)和展望：評價控制方案的實施效果，提出今后發(fā)展的方向。
