1.1課題選題的背景
    現代工業中，碳化硅是重要的非金屬礦產品，廣泛應用于半導體、太陽能、化工、機械、磨具、電子、冶金、陶瓷、光電材料等行業。碳化硅俗名金剛砂，化學式SiC，無色晶體，含雜質時呈藍黑色，結構與金剛石相似，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、耐化學腐蝕，有較好的導電導熱性。
    其中，硅晶片線切割用碳化硅微粉屬于高端硅產品，在國際市場呈現出良好的需求態勢，市場潛力很大，而且隨著我國太陽能和lC芯片等高科技產業突飛猛進的發展，對線切割碳化硅微粉需求量遠遠超過我國生產能力，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、晶格結構、堆積密度、顆粒形貌、化學成份、表面特性（清潔度、親水性、分散性）等一系列指標上都有嚴格的規定，對生產工藝要求極高，目前只有少數國外企業掌握了其制造技術，如日本的FUJIMI株式會社等。這導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，更遠遠超過了普通碳化硅。    江蘇省連云港市有豐富的硅資源，水晶、石英的儲量和品質均居全國首位，擁有眾多的碳化硅生產廠家，主要產品如碳化硅磨料以及石英砂等均在國內硅行業具有重要地位。目前連云港碳化硅企業生產存在的問題有：
●規模小，產量低（多數年產量僅幾萬噸），生產技術落后，生產能耗大，產品附加值偏低，高端產品的產量和質量低；因此企業亟需進行產品升級和高附加值產品的開發：
●生產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，在生產能力、質量、能耗、磨損、設備穩定性、勞動環境、污染等方面與國外相比有較
大差距，進行升級改造勢在必行，同時也應該看到現有生產線的升級潛力很大，技術工藝改造帶來的效益相當明顯；
●合理運用設備，改進生產工藝，加強生產管理的網絡化和信息化，增加生產過程的自動化水平，采用有效的控制策略，提高產品產量和質量，減少能耗和機械磨損，提高生產效率是生產線改造的有效手段；
●近年來，不少企業積極進行硅晶片線切割用碳化硅微粉的研發工作，但試制品在6H晶相含量、顆粒形貌、表面特性等關鍵技術指標方面，仍達不到國際先進水平，產品無法進入國際市場，并且難以進行規模化生產，國內硅晶片線切割用碳化硅微粉仍嚴重依賴進口。為此，當前不少礦廠正在聯合高校積極開展技術玫關，以提高產品附加值和規模化生產能力。
    連云港研磨廠是冶煉、生產和加工碳化硅的專業工廠，年產碳化硅結晶塊、粒度砂、微粉等過5萬噸，其微粉產品規格分800目（15μm），1000目（13μm），1250目（lOμm）和1500目（9μm），而以1250目和1500目為主。該廠經過科技攻關，線切割用碳化硅微粉試制成功，生產工藝采用機械破碎、氣流分級和水力分級的方法，依次經過中碎、篩分、整形、酸洗、粉碎、分級和二次分級，制備出了性能指標理想的碳化硅微粉。
    其中，雷蒙磨粉碎系統是生產線的核心之一。但由于粉碎生產線自動化程度低，生產能耗大、故障率高、分級效率低，微粉產量和質量穩定性不能滿足規模化生產的要求。并且磨機進料量和進料粒度的干擾對生產影響很大，嚴重時常造成堵塞和燒毀電機。同時由于市場前景看好，連云港研磨廠生產規模將不斷擴大，對微粉產量和質量需求不斷提高。因此雷蒙磨粉碎系統的自動化改造已勢在必行。
為此，在江蘇省科技廳支持下，連云港研磨廠聯合南京工業大學、東南大學申報2006年度江蘇省科技成果轉化專項資金項目（項目編號：BA2006049）——“硅晶片線切割用6H SiC微粉材料的研究及產業化”。東南大學負責自動檢測和自動控制系統的設計與施工建設，其中磨粉系統的自動化改造是一個關鍵環節。磨粉系統進行自動化改造后，預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，以及為后續工藝打下良好基礎，并將其納入到生產綜合自動化系統中。
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碳化硅微粉的工藝為：
●取碳化硅原料，經破碎機中碎，并篩分至不大于5mm的碳化硅顆粒，再用整形機對其進行整形至不大于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粉碎成dso=9.5-11.5pm的碳化硅粉，粉碎時，磨粉機主機電流設定為65-75A，風機流量設定為40_50rn3／min，分析機轉速為400-600轉／分；
●然后用渦流式氣流分級機對碳化硅粉進行分級，分級時，渦流式氣流分級機的風機流量為25_43m3/min，分級輪轉速為2600-3300轉／分，從分級口分出粒度dSg4=6.5-5.5μrn的成品A，旋風口分出dSg4≤5.5μm的半成品；
●將渦流式氣流分級機旋風口分出的半成品用葉輪式氣流分級機再進行二次分級，分級時，葉輪式氣流分級機的風機流量為25-lOrr13／rrrrri，分級輪轉速為1300-1700轉／分，從分級口分出粒度為dSg4=4.5-3.Oμm的成品B，旋風口則分出副產品。根據廠家提出的控制要求，結合生產工藝，確定磨粉系統的控制要點為：
●磨粉系統通過網絡實現集中控制，實時測量現場設備的溫度、電流等參數傳至網絡以實現遠程控制和人機對話及數據分析，通過人機互動界面遠程實現啟動、停車等開關量的順序控制。
●根據主機電流自動調節喂料，以穩定生產，避免產量和質量的波動，并有效保護設備。需要電振喂料控制器能提供4-20mA自動化接口。
●分析機和鼓風機變頻能接受從計算機人機界面上輸入的頻率值，自動按輸入的頻率設定值運行，以穩定產品質量，達到最佳的工藝指標。需要變頻器能提供4-20mA自動化接口。
●每臺主機加溫度傳感器一套，實時測量溫度。當溫度或主機電流超高限時自動報警，直至超高高限時自動停車，保護生產設備。報警時，可通過人機對話選擇是否立即停車。
●系統具有數據庫功能，在計算機上可以實時查看檢測參數，歷史數據分類存儲以各隨時查閱，為分析工藝提供參考。
●系統的開放性和功能模塊化設計，具有良好的功能擴展性。
1.2.2課題的理論意義和應用價值
    本課題針對中國使用最廣泛的懸輥式雷蒙磨用于生產碳化硅微粉的系統提出進行自動化改造的方案，利用現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、變化復雜的磨粉過程進行自動檢測和控制，以實現穩定生產，提高產量和產品粒徑指標，降低能耗，提高系統運行穩定性，提高經濟效益。
    本課題對PLC系統開發、PID控制和模糊自適應算法進行了深入的研究。控制方案以SIMATIC S7-300 PLC為核心控制器，采用總線結構，使用STEP7對S7-300 PLC進行模塊化的硬件組態和軟件編程，大幅度地降低材料成本和線路敷設成本，提高了通訊的實時性和可靠性，系統開發方便快捷。監控平臺基于組態軟件iFix和Windows2003 Server設計，對生產現場的遠程監控更為便利。在控制算法上，采用模糊自適應PID控制對雷蒙磨給料環節進行調節，具有一定的先進性，可以較好地克服系統的純滯后和時變，有效提高了給料精度。
    雷蒙磨粉碎自動控制系統的設計和投入使用，實現了對電磁振動給料機喂料速度的自動調節、對分析機轉速和鼓風機風速的精確控制，保證雷蒙磨處于最佳工作狀態，微粉質量得到很大提高。高限報警和自動停車功能使系統故障率大為降低，保護了現場生產設備，減少了材料損耗。監控平臺實現了遠程控制，對不同產品所需參數的調節更加方便、高效。粉碎自動控制系統大大提高了碳化硅微粉的產量和質量，降低了生產成本，實現了生產的規模化，提高了企業整體經濟效益，并且為企業擴大生產預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驗對其它應用雷蒙磨的磨粉系統的設計研發也具有一定的推廣應用價值。我國有眾多的非金屬礦企業，大量使用雷蒙磨，而生產工藝相對落后，進行生產線自動化改造可大幅提高經濟效益，增強企業競爭力，還可以實現從生產粗粉到生產高附加值微粉的質的飛躍。
1.2.3課題的難點與關鍵點
    對微粉生產來說，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備生產微粉，并無成熟經驗可循。課題的技術關鍵點在于保證設備的平穩運行和可靠的數據通訊，通過實時檢測雷蒙磨主機負荷以及分析機、鼓風機的工作電流，由控制系統對電磁振動給料機控制器及分析機、鼓風機變頻器進行自動調節，精確控制生產過程參數，以保證設備始終工作在最佳狀態。
    選擇合適的算法是課題的難點，常規控制算法都對系統模型的精確性提出很高的要求，本系統的時滯、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，一些先進控制算法又面臨算法復雜或難以實現的問題，要達到控制目標需考慮先進控制算法。
1.3過程控制的主要策略
    過程控制策略經過多年發展，在理論上逐漸完善并日益豐富，在工業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+，可實現克服外界擾動。但內模控制過分依賴系統模型，限制了它在工業上的應用。
  2)對大純滯后系統可以采用純滯后補償法來改善調節質量，即以PID調節為基礎，加上滯后補償控制算法構成。例如在其中引入一個與對象并聯的Smith預估器，以及類似的“大林”算法。有研究表明Smith預估和大林算法以及內模控制在一定程度上是等價的。
  3)模型預測控制，如模型算法控制(MAC)、動態矩陣控制(DMC)。DMC的預測模型是以對象的階躍響應為基礎，并不要對模型的結構有先驗知識，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：預測模型、滾動優化、反饋校正。模型預測控制尤其適用于多變量、大純滯后、大時間常數過程。
  4)自適應控制。通過參考模型以及參數自動校正，對被控對象的模型進行辨識以及優化控制。自適應控制對時變系統控制效果良好，但缺點是計算量大，對難以獲取模型、非線性系統、變結構系統和大時滯系統效果不理想。
  5)變結構控制。優點是控制速度快、魯棒性好、對被控對象的參數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。如何設計切換函數是變結構控制的難點。有文獻提出將狀態辨識和狀態預估引入到變結構控制中以克服系統的滯后和大慣性。
  6)H。魯棒控制。現在對其研究非常活躍，理論了取得不少進展，并走向工業應用，優點是能有效抑制干擾和對象模型的不確定性，參數整定過程簡單。魯棒控制與智能控制相結合，又形成魯棒自適應控制、基于神經網絡的魯棒控制等。但魯棒控制計算的復雜性阻礙了它的發展。
    7)基于專家知識庫、模糊控制、神經網絡、遺傳算法的人工智能控制策略。傳統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、采用人工智能自動尋優控制策略來控制過程的有關參數，使控制目標工作在極值范圍。人工神經網絡同模糊智能控制技術有效的結合，可顯著加快系統的響應速度。最常用的人工神經網絡為多層前向BP網絡和徑向基函數RBF網絡、正交多項式網絡、樣條函數網絡。
    8)模糊控制是近十幾年來迅速發展的一項技術，但由于其簡單實用，目前已成功應用于各種控制系統中。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的一種計算機數學控制方法，屬于非線性控制。模糊控制結合了專家的經驗智慧，意義清晰、易于掌握、容易實現，計算量小，實時性好，對模型要求不高，對傳統技術難以控制的時滯系統、時變系統有良好的控制效果。
1.4論文章節安排
    全文圍繞雷蒙磨負荷自動控制系統的設計與實現這一主題展開，共分六章。
    第一章緒論：介紹選題的背景和意義，課題的難點與關鍵點，簡介控制策略的進展，概括論文要做的工作和章節安排；
    第二章雷蒙磨生產過程分析：介紹雷蒙磨磨粉工藝，分析被控過程，建立過程模型；
    第三章控制系統總體方案設計：設計系統的總體控制方案，運用常規PID控制、串級控制等方法進行設計和Matlab仿真；
    第四章雷蒙磨生產過程的模糊PID控制：針對常規PID控制的不足，提出模糊PID控制算法，并進行分析；
    第五章控制系統的實現：具體介紹磨粉自動控制系統的實現，從過程控制級、過程監控級和生產管理級三個層次對系統的整體架構進行闡述，包括系統硬件選取和組態、數據通訊、軟件實施等內容。
    第六章總結和展望：評價控制方案的實施效果，提出今后發展的方向。