DCS在碳化硅微粉生產中的成功應用

摘 要：在碳化硅微粉生產過程中，對其主要生產設備雷蒙磨使用DCS進行集中控制，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量，使設備更加平穩可靠地運行，同時提高雷蒙磨除塵系統的除塵能力，減少粉塵對生產人員的危害，改善車間的整體環境。本文介紹了碳化硅微粉生產過程中用到的一種DCS對生產設備進行集中控制的方法及程序。

關鍵詞：雷蒙磨 集散控制系統 碳化硅微粉 GCS-2

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

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

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

1 碳化硅微粉的生產設備及工藝流程

1.1 碳化硅微粉的生產設備

新疆新路標年產6萬噸碳化硅微粉項目采用3R8020型雷蒙磨，該雷蒙磨包含主電機、一號分級機、二號分級機、一號閉風器、二號閉風器、除塵箱、引風機、螺旋機、電振給料機、電動閥門、流量變送器、給料控制儀、現場控制柜等部分。一號分級機和二號分級機分別由一號變頻器和二號變頻器進行調速控制，其它電機全部使用接觸器進行起停控制。引風機的風壓由電動閥門進行調節，風量由流量變送器進行精確計量并轉換至4～20 mA標準信號。其中電流變送器、變頻器、接觸器、給料控制儀安裝在現場控制柜內，螺旋機、電振給料機、電動閥門安裝在雷蒙磨設備上，需要輸入和輸出至DCS機柜的模擬量信號全部轉換成4～20 mA標準信號。

1.2 碳化硅微粉的工藝流程

根據工藝要求，原材料粒度砂通過料倉在電振給料機的振動下進入主機研磨室，經磨輥和磨環研磨后，在引風機作用下，帶動粉末經置于研磨室上方的一號分級機進行分選。粒度過粗的顆粒重新落于研磨室內回磨，粒度合乎規格的顆粒進入二號分級機重新精確分選，合格的粒度群由一號閉風器進入一號螺旋機后排出。更小的顆粒隨風流進入旋風分離器分選，由二號閉風器將進入二號螺旋機后排出。最后從旋風分離器上端的回風管進入收集器收集超細顆粒，在除塵箱內進行收集并由氣動蝶閥經三號螺旋機排出。全程屬于負壓狀態，帶粉塵的氣體最后經除塵箱凈化處理后由引風機的風道排出。

2 系統概述

2.1 控制點數

根據控制要求及工藝要求，24臺雷蒙磨的控制點數為：數字量輸入點192點，數字量輸出點384點，模擬量輸入點120點，模擬量輸出點120點。借助DCS強大的人機界面，顯示、監控、報警等功能也由DCS來實現。

2.2 硬件系統

雷蒙磨集中控制系統的硬件選用浙大中控新一代控制系統OS-GCS2-3/ER冗余控制系統，主要由控制站、操作站（工程師站）、通信網絡構成。控制站由電源模塊、CPU模塊、I/O機架和各種I/O模塊構成。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大的模擬量處理能力。一個CPU機架可以容納一個CPU模塊、一個電源模塊，并提供8個I/O槽位。各控制站實現冗余控制單元的無擾切換，重要的I/O通道冗余，當各種卡件、通訊等故障發生時立即投入備用，保證的生產控制的連續性。

雷蒙磨集中控制系統的硬件結構圖如圖1所示。GCS2及其擴展模塊安裝在4臺DCS機柜內，DCS操作臺與DCS機柜之間、DCS機柜與DCS機柜之間均采用工業以太網進行連接，流量變送器和電動閥門的標準信號直接通過連接電纜接入DCS機柜，其它數字信號和模擬信號經過現場控制柜轉換成標準信號后通過連接電纜接入DCS機柜。為了減少現場電磁干擾對模擬信號產生的影響，所有模擬信號傳輸電纜全部使用屏蔽電纜。

2.3 軟件系統

雷蒙磨集中控制系統的軟件采用GCS2的集成開發環境AdvanTrol-Pro軟件包，該軟件包是基于Windows2000操作系統的自動控制應用軟件平臺，在SUPCON WebField系列集散控制系統中完成系統組態、數據服務和實時監控功能。可采用本地或遠程I/O擴展機架，方便實現集中式和分布式控制結構。系統完全兼容ModBUS、TCP/IP協議，并支持自定義通訊協議以實現智能系統間的互聯。通過組態軟件包和實時監控軟件包，在碳化硅微粉生產過程中實現了工藝參數集中顯示、故障報警、數據記錄、設備操作等功能。

2.4 系統功能

碳化硅微粉生產設備的集中控制通過一套DCS控制24臺雷蒙磨的起停、給料、除塵以及分級機調速，以實現對24臺雷蒙磨的集中控制。可在PC機上實時顯示各電機運行狀態、閥門狀態、分級機電機轉速。主機、風機在運行中過電流時，DCS系統可給出報警信號或停止該臺設備運行。24臺設備分成4組，單組設備能實現一鍵起動和一鍵停止。可進行手動、自動切換，控制系統癱瘓時可切換到手動狀態。

系統實現了頻率、電流等模擬量的數據轉化與顯示，可以在DCS上對一號分級機和二號分級機的頻率進行給定并可在線調節轉速，方便質檢員操作。實現了各種設備遠程、就地、運行、停止等數字量的采集與顯示，各種重要設備、裝置、參數在出現異常時DCS會給出報警信號，以及記錄重要數據的歷史（實時）趨勢。

設備操作包括電機的現場手動和集中控制兩種控制方式，集中控制包括設備單動和設備聯動兩種控制方式。在集中控制方式下，操作人員在MHI畫面上進行單動操作和聯動自動方式選擇。每臺電機在DCS上均能單獨起動、單獨停止、顯示運行狀態，可執行掛牌操作，在掛牌解除前該臺電機在DCS上不可執行任何操作，避免因設備維修時操作員的誤操作而發生安全事故。單臺設備可以一鍵起動和一鍵停機，其多臺電機按設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器和二號閉風器，可實現一鍵起動和停機，方便質檢員取料。

3 程序框圖

3.1 控制系統的程序框圖

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

系統程序的設計采用模塊化結構，首先需要編制單臺磨機的子程序，在控制24臺磨機的主程序中只需要對單臺磨機的子程序進行逐一調用即可。控制單臺雷蒙磨的子程序框圖如圖2所示。

3.2 雷蒙磨給料系統PID調節

在雷蒙磨集中控制系統中，給料量的調節是整個系統控制的一個重要內容。給料量的準確調節可以提高系統生產效益和設備安全性。給料量太大會導致主電機堵轉而使電流升高甚至燒毀主電機，給料量太小又使主電機空轉，影響生產效率，浪費電能。因此采用PID控制算法對控制系統的給料量進行調節。本系統主要運用Advan Trol-Pro軟件包中的PID控制功能塊來實現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PID參數進行整定。

本系統中，電振給料機是輸出環節，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的振動量大小進行控制，DCS綜合主電機電流的設定參考值與現場反饋的實際測量值之后，經過PID調節，向電振給料機發出運轉指令。電流變送器檢測主電機的電流，并將其轉變為DCS可接受的標準信號進行反饋。值得注意的是在本系統中，給料量的設定值可根據原材料的粒度大小而重新設定。給料量設定值的變化將引起相關參數發生變化，如電振給料機的振動量、主電機電流值、給料量等。這些參數反饋給DCS最終形成閉環控制系統，如圖3所示。

4 結語

雷蒙磨集中控制系統以浙大中控DCS為核心，通過實際運行，與繼電器控制系統相比，DCS控制的雷蒙磨大大減輕了操作人員的勞動強度。在進行集中控制之前，操作人員需要經常到現場觀察，并根據碳化硅的粒度不斷調整電機轉速、風量、給料量等設定值，因此，對操作人員的要求較高，而且勞動強度較大。特別是風門的控制是由操作人員根據經驗掌握，隨意性較大，改造后風門可以由DCS系統進行精確控制。同時原材料的給料量也可以通過PID控制算法精確控制，實踐證明，通過精確控制風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量。同時在雷蒙磨機的主機頭內，在磨環與磨輥將碳化硅的研磨過程中，由于碳化硅硬度大，導致設備容易磨損。進行集中控制之后由于能非常方便的統計設備的運行時間及運行工況，設備出現磨損時可以及時發現及時維修，因此可以極大地減少設備磨損，延長設備的使用壽命，增加設備的開機率。

采用DCS對雷蒙磨進行控制，當設備出現問題時及時報警，并自動記錄生產情況，操作人員則根據記錄值選擇最佳控制參數，生產質量得到了極大提高。同時可以節省人力資源成本，提高工作效率，提高成品產量和成品率，最終達到降低成本，節約資源的目的，具有良好的社會效益和經濟效益。

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