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(yáng)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(wú)色晶體，含雜質(zhì)時(shí)呈藍(lán)黑色，結(jié)構(gòu)與金剛石相似，每個(gè)硅原子被4個(gè)碳原子包圍，硬度僅次于金剛石，密度為3217kg/m3，熔點(diǎn)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(guó)際市場(chǎng)呈現(xiàn)出良好的需求態(tài)勢(shì)，市場(chǎng)潛力很大，而且隨著我國(guó)太陽(yáng)能和lC芯片等高科技產(chǎn)業(yè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，對(duì)線切割碳化硅微粉需求量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)我國(guó)生產(chǎn)能力，并保持著旺盛的增長(zhǎng)勢(shì)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(duì)生產(chǎn)工藝要求極高，目前只有少數(shù)國(guó)外企業(yè)掌握了其制造技術(shù)，如日本的FUJIMI株式會(huì)社等。這導(dǎo)致目前硅晶片線切割用碳化硅微粉市場(chǎng)價(jià)格約為普通碳化硅微粉的10倍，更遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(chǔ)量和品質(zhì)均居全國(guó)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(guó)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(wèn)題有：
●規(guī)模小，產(chǎn)量低（多數(shù)年產(chǎn)量?jī)H幾萬(wàn)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(jí)和高附加值產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)：
●生產(chǎn)過(guò)程綜合自動(dòng)化水平低，人工操作比較普遍，控制策略簡(jiǎn)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(dòng)環(huán)境、污染等方面與國(guó)外相比有較
大差距，進(jìn)行升級(jí)改造勢(shì)在必行，同時(shí)也應(yīng)該看到現(xiàn)有生產(chǎn)線的升級(jí)潛力很大，技術(shù)工藝改造帶來(lái)的效益相當(dāng)明顯；
●合理運(yùn)用設(shè)備，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，加強(qiáng)生產(chǎn)管理的網(wǎng)絡(luò)化和信息化，增加生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)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(lái)，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(guó)際先進(jìn)水平，產(chǎn)品無(wú)法進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)，并且難以進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)，國(guó)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(kāi)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(guò)5萬(wàn)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(guò)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(jí)和水力分級(jí)的方法，依次經(jīng)過(guò)中碎、篩分、整形、酸洗、粉碎、分級(jí)和二次分級(jí)，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(dòng)化程度低，生產(chǎn)能耗大、故障率高、分級(jí)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(duì)生產(chǎn)影響很大，嚴(yán)重時(shí)常造成堵塞和燒毀電機(jī)。同時(shí)由于市場(chǎng)前景看好，連云港研磨廠生產(chǎn)規(guī)模將不斷擴(kuò)大，對(duì)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(dòng)化改造已勢(shì)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(bào)2006年度江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)資金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：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(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工建設(shè)，其中磨粉系統(tǒng)的自動(dòng)化改造是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。磨粉系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)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(jí)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(dòng)化系統(tǒng)中。
1.2課題簡(jiǎn)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(duì)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(duì)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(shí)，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(jí)機(jī)對(duì)碳化硅粉進(jìn)行分級(jí)，分級(jí)時(shí)，渦流式氣流分級(jí)機(jī)的風(fēng)機(jī)流量為25_43m3/min，分級(jí)輪轉(zhuǎn)速為2600-3300轉(zhuǎn)／分，從分級(jí)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(jí)機(jī)旋風(fēng)口分出的半成品用葉輪式氣流分級(jí)機(jī)再進(jìn)行二次分級(jí)，分級(jí)時(shí)，葉輪式氣流分級(jí)機(jī)的風(fēng)機(jī)流量為25-lOrr13／rrrrri，分級(jí)輪轉(zhuǎn)速為1300-1700轉(zhuǎn)／分，從分級(jí)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(diǎn)為：
●磨粉系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)集中控制，實(shí)時(shí)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的溫度、電流等參數(shù)傳至網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和人機(jī)對(duì)話及數(shù)據(jù)分析，通過(guò)人機(jī)互動(dòng)界面遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停車等開(kāi)關(guān)量的順序控制。
●根據(jù)主機(jī)電流自動(dòng)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(dòng)，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(dòng)化接口。
●分析機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)變頻能接受從計(jì)算機(jī)人機(jī)界面上輸入的頻率值，自動(dòng)按輸入的頻率設(shè)定值運(yùn)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(dòng)化接口。
●每臺(tái)主機(jī)加溫度傳感器一套，實(shí)時(shí)測(cè)量溫度。當(dāng)溫度或主機(jī)電流超高限時(shí)自動(dòng)報(bào)警，直至超高高限時(shí)自動(dòng)停車，保護(hù)生產(chǎn)設(shè)備。報(bào)警時(shí)，可通過(guò)人機(jī)對(duì)話選擇是否立即停車。
●系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)庫(kù)功能，在計(jì)算機(jī)上可以實(shí)時(shí)查看檢測(cè)參數(shù)，歷史數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)以各隨時(shí)查閱，為分析工藝提供參考。
●系統(tǒng)的開(kāi)放性和功能模塊化設(shè)計(jì)，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(jià)值
本課題針對(duì)中國(guó)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(dòng)化改造的方案，利用現(xiàn)代化的檢測(cè)和控制手段，采用合理的控制算法，對(duì)影響因素多、變化復(fù)雜的磨粉過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和控制，以實(shí)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(yùn)行穩(wěn)定性，提高經(jīng)濟(jì)效益。
本課題對(duì)PLC系統(tǒng)開(kāi)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(duì)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(shí)時(shí)性和可靠性，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方便快捷。監(jiān)控平臺(tái)基于組態(tài)軟件iFix和Windows2003 Server設(shè)計(jì)，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(shí)變，有效提高了給料精度。
雷蒙磨粉碎自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和投入使用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁振動(dòng)給料機(jī)喂料速度的自動(dòng)調(diào)節(jié)、對(duì)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(bào)警和自動(dòng)停車功能使系統(tǒng)故障率大為降低，保護(hù)了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備，減少了材料損耗。監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，對(duì)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(dòng)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(shí)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(shí)施方案。
本課題的方案和成功經(jīng)驗(yàn)對(duì)其它應(yīng)用雷蒙磨的磨粉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)也具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。我國(guó)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(duì)落后，進(jìn)行生產(chǎn)線自動(dòng)化改造可大幅提高經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，還可以實(shí)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(diǎn)與關(guān)鍵點(diǎn)
對(duì)微粉生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，磨粉和分級(jí)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(wú)成熟經(jīng)驗(yàn)可循。課題的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)在于保證設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行和可靠的數(shù)據(jù)通訊，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)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(duì)電磁振動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)，精確控制生產(chǎn)過(guò)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(diǎn)，常規(guī)控制算法都對(duì)系統(tǒng)模型的精確性提出很高的要求，本系統(tǒng)的時(shí)滯、時(shí)變、非線性和強(qiáng)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(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，要達(dá)到控制目標(biāo)需考慮先進(jìn)控制算法。
1.3過(guò)程控制的主要策略
過(guò)程控制策略經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，在理論上逐漸完善并日益豐富，在工業(yè)實(shí)際中也得到越來(lái)越多地重視和運(yùn)用。過(guò)程控制常用的策略有：
1)基于對(duì)象模型的內(nèi)模控制(internal mode control)。在被控制過(guò)程模型G(s)確定、非奇異情況下，選擇合適的G+，可實(shí)現(xiàn)克服外界擾動(dòng)。但內(nèi)模控制過(guò)分依賴系統(tǒng)模型，限制了它在工業(yè)上的應(yīng)用。
2)對(duì)大純滯后系統(tǒng)可以采用純滯后補(bǔ)償法來(lái)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(bǔ)償控制算法構(gòu)成。例如在其中引入一個(gè)與對(duì)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(jià)的。
3)模型預(yù)測(cè)控制，如模型算法控制(MAC)、動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)。DMC的預(yù)測(cè)模型是以對(duì)象的階躍響應(yīng)為基礎(chǔ)，并不要對(duì)模型的結(jié)構(gòu)有先驗(yàn)知識(shí)，解決了過(guò)程建模問(wèn)題，算法具有良好的魯棒性。DMC算法包括3個(gè)部分：預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正。模型預(yù)測(cè)控制尤其適用于多變量、大純滯后、大時(shí)間常數(shù)過(guò)程。
4)自適應(yīng)控制。通過(guò)參考模型以及參數(shù)自動(dòng)校正，對(duì)被控對(duì)象的模型進(jìn)行辨識(shí)以及優(yōu)化控制。自適應(yīng)控制對(duì)時(shí)變系統(tǒng)控制效果良好，但缺點(diǎn)是計(jì)算量大，對(duì)難以獲取模型、非線性系統(tǒng)、變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和大時(shí)滯系統(tǒng)效果不理想。
5)變結(jié)構(gòu)控制。優(yōu)點(diǎn)是控制速度快、魯棒性好、對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)變化和外界干擾不敏感，但對(duì)被控對(duì)象的慣性和純滯后敏感，易造成振蕩和失控。如何設(shè)計(jì)切換函數(shù)是變結(jié)構(gòu)控制的難點(diǎn)。有文獻(xiàn)提出將狀態(tài)辨識(shí)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(duì)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(diǎn)是能有效抑制干擾和對(duì)象模型的不確定性，參數(shù)整定過(guò)程簡(jiǎn)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(jì)算的復(fù)雜性阻礙了它的發(fā)展。
7)基于專家知識(shí)庫(kù)、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(guò)程多變量、非線性、時(shí)變的問(wèn)題，提出以知識(shí)庫(kù)為基礎(chǔ)、采用人工智能自動(dòng)尋優(yōu)控制策略來(lái)控制過(guò)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(xiàng)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(lái)迅速發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)，但由于其簡(jiǎn)單實(shí)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(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)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(yàn)智慧，意義清晰、易于掌握、容易實(shí)現(xiàn)，計(jì)算量小，實(shí)時(shí)性好，對(duì)模型要求不高，對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)難以控制的時(shí)滯系統(tǒng)、時(shí)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(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)這一主題展開(kāi)，共分六章。
第一章緒論：介紹選題的背景和意義，課題的難點(diǎn)與關(guān)鍵點(diǎn)，簡(jiǎn)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(guò)程分析：介紹雷蒙磨磨粉工藝，分析被控過(guò)程，建立過(guò)程模型；
第三章控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體控制方案，運(yùn)用常規(guī)PID控制、串級(jí)控制等方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和Matlab仿真；
第四章雷蒙磨生產(chǎn)過(guò)程的模糊PID控制：針對(duì)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(shí)現(xiàn)：具體介紹磨粉自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，從過(guò)程控制級(jí)、過(guò)程監(jiān)控級(jí)和生產(chǎn)管理級(jí)三個(gè)層次對(duì)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(shí)施等內(nèi)容。
第六章總結(jié)和展望：評(píng)價(jià)控制方案的實(shí)施效果，提出今后發(fā)展的方向。
