DCS在碳化硅微粉生产中的成功应用

摘 要：在碳化硅微粉生产过程中，对其主要生产设备雷蒙磨使用DCS进行集中控制，可以极大地减少人力资源成本，提高碳化硅微粉的成品率和产量，使设备更加平稳可靠地运行，同时提高雷蒙磨除尘系统的除尘能力，减少粉尘对生产人员的危害，改善车间的整体环境。本文介绍了碳化硅微粉生产过程中用到的一种DCS对生产设备进行集中控制的方法及程序。

关键词：雷蒙磨 集散控制系统 碳化硅微粉 GCS-2

中图分类号：TQ127 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（c）-0094-02

碳化硅微粉是太阳能晶硅片、半导体理想的线切割刃料，但其生产过程中对工艺控制的要求很高，在整个生产经营管理过程中就需要不断提高设备的自动化应用水平，采用数字化的控制手段来消除传统继电器控制的弊端，从而提高碳化硅微粉的成品率和产量。

制粉是碳化硅微粉生产中的重要工序，其产品质量在很大程序上取决于设备的控制精度。但由于碳化硅的硬度较高，其莫氏硬度为9.5级，在莫氏硬度标准中仅低于金刚石，因此其生产加工并不容易。在进行集中控制之前雷蒙磨采用继电器和普通仪表控制，每台电机都由电气控制柜上的起动停止按钮人工操作，而电流、风量、给料量等模拟量只由普通仪表显示，显示精度差。在生产过程中，操作人员既要观察电机运行状态和现场工况，同时又要随时观察电流、给料量等参数的变化，生产效率低，产品质量不稳定。根据生产工艺要求，我们对雷蒙磨采用浙大中控的集散控制系统（GCS-2）进行集中控制，极大地减轻了操作人员的劳动强度，使设备更加平稳可靠地运行，从而提高碳化硅微粉的成品率和产量。

1 碳化硅微粉的生产设备及工艺流程

1.1 碳化硅微粉的生产设备

新疆新路标年产6万吨碳化硅微粉项目采用3R8020型雷蒙磨，该雷蒙磨包含主电机、一号分级机、二号分级机、一号闭风器、二号闭风器、除尘箱、引风机、螺旋机、电振给料机、电动阀门、流量变送器、给料控制仪、现场控制柜等部分。一号分级机和二号分级机分别由一号变频器和二号变频器进行调速控制，其它电机全部使用接触器进行起停控制。引风机的风压由电动阀门进行调节，风量由流量变送器进行精确计量并转换至4～20 mA标准信号。其中电流变送器、变频器、接触器、给料控制仪安装在现场控制柜内，螺旋机、电振给料机、电动阀门安装在雷蒙磨设备上，需要输入和输出至DCS机柜的模拟量信号全部转换成4～20 mA标准信号。

1.2 碳化硅微粉的工艺流程

根据工艺要求，原材料粒度砂通过料仓在电振给料机的振动下进入主机研磨室，经磨辊和磨环研磨后，在引风机作用下，带动粉末经置于研磨室上方的一号分级机进行分选。粒度过粗的颗粒重新落于研磨室内回磨，粒度合乎规格的颗粒进入二号分级机重新精确分选，合格的粒度群由一号闭风器进入一号螺旋机后排出。更小的颗粒随风流进入旋风分离器分选，由二号闭风器将进入二号螺旋机后排出。最后从旋风分离器上端的回风管进入收集器收集超细颗粒，在除尘箱内进行收集并由气动蝶阀经三号螺旋机排出。全程属于负压状态，带粉尘的气体最后经除尘箱净化处理后由引风机的风道排出。

2 系统概述

2.1 控制点数

根据控制要求及工艺要求，24台雷蒙磨的控制点数为：数字量输入点192点，数字量输出点384点，模拟量输入点120点，模拟量输出点120点。借助DCS强大的人机界面，显示、监控、报警等功能也由DCS来实现。

2.2 硬件系统

雷蒙磨集中控制系统的硬件选用浙大中控新一代控制系统OS-GCS2-3/ER冗余控制系统，主要由控制站、操作站（工程师站）、通信网络构成。控制站由电源模块、CPU模块、I/O机架和各种I/O模块构成。CPU模块与I/O模块之间采用并行总线，具有逻辑控制功能以及强大的模拟量处理能力。一个CPU机架可以容纳一个CPU模块、一个电源模块，并提供8个I/O槽位。各控制站实现冗余控制单元的无扰切换，重要的I/O通道冗余，当各种卡件、通讯等故障发生时立即投入备用，保证的生产控制的连续性。

雷蒙磨集中控制系统的硬件结构图如图1所示。GCS2及其扩展模块安装在4台DCS机柜内，DCS操作台与DCS机柜之间、DCS机柜与DCS机柜之间均采用工业以太网进行连接，流量变送器和电动阀门的标准信号直接通过连接电缆接入DCS机柜，其它数字信号和模拟信号经过现场控制柜转换成标准信号后通过连接电缆接入DCS机柜。为了减少现场电磁干扰对模拟信号产生的影响，所有模拟信号传输电缆全部使用屏蔽电缆。

2.3 软件系统

雷蒙磨集中控制系统的软件采用GCS2的集成开发环境AdvanTrol-Pro软件包，该软件包是基于Windows2000操作系统的自动控制应用软件平台，在SUPCON WebField系列集散控制系统中完成系统组态、数据服务和实时监控功能。可采用本地或远程I/O扩展机架，方便实现集中式和分布式控制结构。系统完全兼容ModBUS、TCP/IP协议，并支持自定义通讯协议以实现智能系统间的互联。通过组态软件包和实时监控软件包，在碳化硅微粉生产过程中实现了工艺参数集中显示、故障报警、数据记录、设备操作等功能。

2.4 系统功能

碳化硅微粉生产设备的集中控制通过一套DCS控制24台雷蒙磨的起停、给料、除尘以及分级机调速，以实现对24台雷蒙磨的集中控制。可在PC机上实时显示各电机运行状态、阀门状态、分级机电机转速。主机、风机在运行中过电流时，DCS系统可给出报警信号或停止该台设备运行。24台设备分成4组，单组设备能实现一键起动和一键停止。可进行手动、自动切换，控制系统瘫痪时可切换到手动状态。

系统实现了频率、电流等模拟量的数据转化与显示，可以在DCS上对一号分级机和二号分级机的频率进行给定并可在线调节转速，方便质检员操作。实现了各种设备远程、就地、运行、停止等数字量的采集与显示，各种重要设备、装置、参数在出现异常时DCS会给出报警信号，以及记录重要数据的历史（实时）趋势。

设备操作包括电机的现场手动和集中控制两种控制方式，集中控制包括设备单动和设备联动两种控制方式。在集中控制方式下，操作人员在MHI画面上进行单动操作和联动自动方式选择。每台电机在DCS上均能单独起动、单独停止、显示运行状态，可执行挂牌操作，在挂牌解除前该台电机在DCS上不可执行任何操作，避免因设备维修时操作员的误操作而发生安全事故。单台设备可以一键起动和一键停机，其多台电机按设定时间间隔自动启动和停止。对于每6台雷蒙磨中的一号闭风器和二号闭风器，可实现一键起动和停机，方便质检员取料。

3 程序框图

3.1 控制系统的程序框图

在微粉加工过程中对时间间隔的要求较高，主要表现在各电机起动过程中，为了避免起动电流对供电系统的冲击，各电机需要按照一定开机顺序并错开一定时间间隔依次开启。在继电器控制系统中需要实现此功能时需要大量的时间继电器和复杂的逻辑控制电路才能实现。本系统通过系统软件的定时器能方便实现对时间间隔的控制。

系统程序的设计采用模块化结构，首先需要编制单台磨机的子程序，在控制24台磨机的主程序中只需要对单台磨机的子程序进行逐一调用即可。控制单台雷蒙磨的子程序框图如图2所示。

3.2 雷蒙磨给料系统PID调节

在雷蒙磨集中控制系统中，给料量的调节是整个系统控制的一个重要内容。给料量的准确调节可以提高系统生产效益和设备安全性。给料量太大会导致主电机堵转而使电流升高甚至烧毁主电机，给料量太小又使主电机空转，影响生产效率，浪费电能。因此采用PID控制算法对控制系统的给料量进行调节。本系统主要运用Advan Trol-Pro软件包中的PID控制功能块来实现PID控制，只需要配置模拟量输入模块和模拟量输出模块，然后对相关PID参数进行整定。

本系统中，电振给料机是输出环节，其振动量的大小由给料控制仪控制。给料控制仪接受DCS的信号对电振给料机的振动量大小进行控制，DCS综合主电机电流的设定参考值与现场反馈的实际测量值之后，经过PID调节，向电振给料机发出运转指令。电流变送器检测主电机的电流，并将其转变为DCS可接受的标准信号进行反馈。值得注意的是在本系统中，给料量的设定值可根据原材料的粒度大小而重新设定。给料量设定值的变化将引起相关参数发生变化，如电振给料机的振动量、主电机电流值、给料量等。这些参数反馈给DCS最终形成闭环控制系统，如图3所示。

4 结语

雷蒙磨集中控制系统以浙大中控DCS为核心，通过实际运行，与继电器控制系统相比，DCS控制的雷蒙磨大大减轻了操作人员的劳动强度。在进行集中控制之前，操作人员需要经常到现场观察，并根据碳化硅的粒度不断调整电机转速、风量、给料量等设定值，因此，对操作人员的要求较高，而且劳动强度较大。特别是风门的控制是由操作人员根据经验掌握，随意性较大，改造后风门可以由DCS系统进行精确控制。同时原材料的给料量也可以通过PID控制算法精确控制，实践证明，通过精确控制风门的开度和原材料的给料量可以明显提高碳化硅微粉的成品率和产量。同时在雷蒙磨机的主机头内，在磨环与磨辊将碳化硅的研磨过程中，由于碳化硅硬度大，导致设备容易磨损。进行集中控制之后由于能非常方便的统计设备的运行时间及运行工况，设备出现磨损时可以及时发现及时维修，因此可以极大地减少设备磨损，延长设备的使用寿命，增加设备的开机率。

采用DCS对雷蒙磨进行控制，当设备出现问题时及时报警，并自动记录生产情况，操作人员则根据记录值选择最佳控制参数，生产质量得到了极大提高。同时可以节省人力资源成本，提高工作效率，提高成品产量和成品率，最终达到降低成本，节约资源的目的，具有良好的社会效益和经济效益。

参考文献

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