羅萬里

(四川眾邦制藥有限公司，四川 瀘州 646000)

氫化工序自動提量控制系統(tǒng)最優(yōu)方案

羅萬里

(四川眾邦制藥有限公司，四川 瀘州 646000)

利用斜坡發(fā)生器、折線表及可變比值設定自動控制等技巧性的特殊手段，構(gòu)成多晶硅裝置中的氫化爐自動提量控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了提量過程的全自動化控制?？朔巳斯ぬ崃啃纬傻奈锪想A梯式上升的弊病，簡化了提量操作，增強了工藝過程的穩(wěn)定性，提高了控制精度，同時降低了工作人員的勞動強度。

自動提量控制系統(tǒng) 斜坡發(fā)生器 折線表 可變比值設定自動控制

由于多晶硅生產(chǎn)工藝過程的特殊性，多晶硅裝置中的氫化爐負荷提量操作是一個非常繁瑣、細致、艱難的過程。從氫化爐開始加量到滿負荷運行(500～7 700kg/h)的時間長達15h，加量過程中的不同階段，要求四氯化硅(在PID圖中，STC為四氯化硅的介質(zhì)代號)的增量嚴格按照規(guī)定速率，呈線性趨勢上升。同時，氫氣和電加熱的增量必須按規(guī)定的配比同步跟蹤。在規(guī)定的長達15h的時間段內(nèi)，增量操作的次數(shù)越多，每次增量的數(shù)值就越小，則增量曲線就越接近于線性；但增量操作的工作量也越大，難度也越高。而即便無限提高操作次數(shù)，但由于DCS對外設設備(操作按鍵)的最低變化響應值的局限，導致人工增量操作的最終效果，只能盡可能減小梯度，呈階梯式上升，但無論如何都無法實現(xiàn)線性提量的要求。長時間精力高度集中的操作，操作人員會身心疲勞，易發(fā)生疏忽或失誤，導致過程不穩(wěn)定，甚至中斷生產(chǎn)、損壞設備。因此，設置和優(yōu)化氫化爐負荷全自動提量控制系統(tǒng)，具有非常重要和實際的意義，不僅可以增強工藝過程運行的穩(wěn)定性、提高產(chǎn)品質(zhì)量、獲得節(jié)能降耗的良好效益，還可以減輕操作人員的勞動強度。為此，筆者利用斜坡發(fā)生器、折線表及可變比值設定自動控制等技巧性的特殊手段，構(gòu)成多晶硅裝置中的氫化爐自動提量控制系統(tǒng)，實現(xiàn)以提量過程的全自動化控制，克服人工提量形成的物料階梯式上升的弊病。

1 自動提量控制方案①

1.1 受控參數(shù)

表1為多晶硅裝置中的氫化爐自動提量工藝提供的提量表。

表1 氫化工藝時間與物料增量關(guān)系表(提量表)

(續(xù)表1)

受控的STC、H2和電加熱器功率3個參數(shù)之間的關(guān)系：STC是時間的函數(shù)，STC流量從500kg/h開始進入自動提量程序，用時15h，以規(guī)定的提量速率，等速均勻地提升到7 700kg/h，自動提量結(jié)束；H2和電加熱器功率均為STC的函數(shù)，在自動提量過程中，H2流量以規(guī)定的H2/STC摩爾比、電加熱器的功率按照曲線規(guī)定的值，自動跟隨四氯化硅的流量變化而變化。

整個工藝對系統(tǒng)的要求是：以四氯化硅的量為基準，下限為零，上限為9 000kg/h(質(zhì)量流量)，其中500～7 700kg/h為程序自動提量，500kg/h以下段為人為手動提量，7 700kg/h以上段為人為手動提量；在程序自動提量階段，如遇異常情況，可人為切換成人工狀態(tài)，以確定停爐或繼續(xù)手動提量；H2和四氯化硅的比例數(shù)值可以設置后程序記憶，也可切換為人工設置后程序記憶。

1.2系統(tǒng)方案與構(gòu)成

根據(jù)工藝過程對控制系統(tǒng)的要求，設計如圖1所示的氫化爐負荷全自動提量控制系統(tǒng)框圖。整個系統(tǒng)由3個部分組成：四氯化硅自動提量控制回路、功率控制回路和H2/四氯化硅比值控制回路。3個回路的目標均是圍繞并根據(jù)四氯化硅的量進行工作的，但又相互各自獨立，均可選擇自動或者手動控制。

圖1 氫化爐負荷全自動提量控制系統(tǒng)框圖

1.2.1四氯化硅自動提量控制回路

四氯化硅自動提量控制回路由一個基本型的流量單回路閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)構(gòu)成，其工作原理是：斜坡信號發(fā)生器的輸出作為自動給定信號，按預先設定的變化率自動改變調(diào)節(jié)器的給定(SV)值，在調(diào)節(jié)器PI的作用下，四氯化硅的實際流量(PV)隨給定(SV)的變化而變化，從而實現(xiàn)自動提量的目的。

由于四氯化硅的增量是時間的函數(shù)，故系統(tǒng)采用了一個斜坡信號發(fā)生器的輸出作為回路調(diào)節(jié)器的給定。斜坡信號發(fā)生器接收到自動提量的指令后，其輸出信號從對應于四氯化硅流量計滿量程的5.56%(500kg/h)開始，用15h增加到85.56%(7 700kg/h)的速率勻速上升，此信號連接到調(diào)節(jié)器的SV端，作為調(diào)節(jié)器的給定信號。

一般人工操作的頻次約為每小時3次，則一次提量過程需操作45次，每次的提量值為1.5%。欲再提高頻次，則受限于DCS對操作按鍵的最低變化響應值，極易超調(diào)而導致運行不穩(wěn)定，很難操作。而斜坡信號發(fā)生器的變化速率是由DCS的運算周期、總的變化量和總的時間決定的。以DCS的運算周期為1s計，斜坡發(fā)生器的輸出增量每個周期改變一次，則15h內(nèi)可變化5 400次，每次的變化量僅為為0.015%。因此，用斜坡信號發(fā)生器的輸出作為回路調(diào)節(jié)器的給定，可保證系統(tǒng)隨時間而變化的給定信號絕對線性，從而使四氯化硅的實際變化量為線性、連續(xù)?？朔耸褂闷渌绞綍r，給定信號變化為階梯形的缺陷。

1.2.2功率控制回路

四氯化硅流量信號按流量與功率的配比要求，經(jīng)折線處理后，作為電功率調(diào)節(jié)器的遠方給定，其輸出作為功率(電流)控制信號，送電氣專業(yè)，控制調(diào)功器。

1.2.3H2/四氯化硅比值控制回路

H2/四氯化硅比值控制回路以四氯化硅作為主參數(shù)，H2作為副參數(shù)，H2與四氯化硅的摩爾比作為被控參數(shù)，H2為被調(diào)參數(shù)。H2和四氯化硅經(jīng)過除法運算后，得到兩種組分的摩爾比，作為調(diào)節(jié)器的測量信號(PV)，與人為給定信號(SV)進行比較，再經(jīng)PI運算后控制H2閥門。當四氯化硅流量發(fā)生變化，導致摩爾比偏離規(guī)定值時，H2調(diào)節(jié)閥就會改變開度，調(diào)節(jié)H2流量，從而改變摩爾比，使之恢復到規(guī)定值。

這是一套可變比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。與常規(guī)定比值控制系統(tǒng)相比，有兩個優(yōu)勢：給定或測量值永遠在儀表顯示盤的同一個點上，不隨負荷量的變化而變化，便于工藝人員記憶和操作；當由于流量計測量偏差導致顯示的比值與實際比值不相符時，可簡單方便地通過人為改變給定進行修正。

經(jīng)運算處理的摩爾比值作為氫氣調(diào)節(jié)器的測量信號，連接在PV端，給定為本機給定(LSV)，所以回路只有手動(MAN)和自動(AUTO)兩種運行方式。自動和手動兩種運行方式之間的切換不受任何限制，切換之前也無需其他額外附加操作。在自動(AUTO)運行方式時，H2自動跟蹤四氯化硅的變化而變化。

而常規(guī)的比值控制系統(tǒng)是以理論摩爾比值作為遠方給定(RSV)，接在SV端，H2流量作為測量信號連接在PV端。具有手動(MAN)、自動(AUTO)和串級(CSC)3種運行方式。當由手動(MAN)或自動(AUTO)切換到串級(CAS)方式運行時，要先手動進行H2流量操作，使之與比值給定信號之間無偏差時，方可進行切換；否則會產(chǎn)生擾動。只有在串級(CAS)運行方式時，H2才會自動跟蹤四氯化硅的變化而變化。

2 DCS組態(tài)數(shù)據(jù)

依據(jù)工藝提供的運行參數(shù)表(略)，計算整理出如下DCS所需的組態(tài)數(shù)據(jù)。

斜坡發(fā)生器的DCS所需組態(tài)數(shù)據(jù)如圖2所示，因為自動提量運行是從手動操作四氯化硅流量到達500kg/h時開始的，所以Y軸的起點為500kg/h。

圖2 時間與流量增量的關(guān)系曲線

折線表的DCS所需組態(tài)數(shù)據(jù)如圖3所示。

也可以用一次方程完成運算。根據(jù)折線表，整理出的運算式如下：

(1)

式(1)中的數(shù)值為百分型數(shù)據(jù)，對于用工程

圖3 電功率/四氯化硅流量曲線

量進行內(nèi)部運算處理的DCS系統(tǒng)，還需乘以Y軸的量程上限，把百分型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成工程量。

由于曲線由3段不同斜率的直線組成，存在3個拐點，因此需設置判斷模塊，進行條件判斷、自動選擇和自動切換，組態(tài)稍微繁瑣。

STC流量計測量范圍0～9 000kg/h，H2流量計測量范圍0～4 000Nm3/h，設K為比值，比值運算式為：

(2)

式中H2——氫氣流量信號；

STC——四氯化硅流量信號。

工藝要求按摩爾比顯示，故將式(2)變換為：

H2′=H2×0.0898÷2.047

STC′=STC÷170

即：

(3)

設PV為氫氣調(diào)節(jié)器的測量信號。為了便于讀數(shù)和提高控制精度，儀表盤上的顯示與實際摩爾比滿足如下要求：當K′=0(摩爾比)時，PV=0%；當K′=5(摩爾比)時，PV=100%。

為此，設：

PV=K′×a+b

(4)

把以上數(shù)值代入式(4)，可得：

0%=0×a+b

(5)

100%=5×a+b

(6)

聯(lián)立式(5)、(6)，可得：a=0.2，b=0(無用，則舍去)。把a值和式(3)代入式(4)，可得：

整理后得：

(7)

式(7)即為氫氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的最終比值運算式。其結(jié)果為氫氣與四氯化硅的摩爾量比值，儀表顯示的比值范圍在0～5。

比值運算的DCS組態(tài)如圖4所示。其中，對四氯化硅進行低值限幅，是為防止分母為0時，導致運算結(jié)果溢出而出錯。

圖4 比值運算組態(tài)

控制回路的DCS組態(tài)如圖5所示。四氯化硅和電功率調(diào)節(jié)器均選用一個PID的遠方給定型(具有MAN、AUTO、CAS共3種運行方式)。

圖5 控制回路組態(tài)

提量運行的手動/自動切換的DCS組態(tài)如圖6所示。

圖6 手動/自動切換原理

利用斜坡發(fā)生器、折線表及可變比值設定自動控制等技巧性的特殊手段，構(gòu)成的多晶硅裝置氫化爐自動提量控制系統(tǒng)，在操作過程中的注意事項如下：

a. 啟爐后，手動操作四氯化硅、H2和電功率調(diào)節(jié)器。

b. 一鍵式起動自動提量程序。只需按下“自動提量投運”開關(guān)，四氯化硅、H2和電功率調(diào)節(jié)器的運行方式均由DCS自動完成設置，系統(tǒng)進入自動提量模式運行。

c. 一鍵式退出自動提量程序。按下“自動提量退出”開關(guān)，系統(tǒng)立即進入手動操作模式。

d. 從自動模式轉(zhuǎn)為手動模式時，四氯化硅調(diào)節(jié)器被自動設置為MAN方式，而H2和電功率調(diào)節(jié)器仍然分別保持為自動模式時的AUTO和CAS運行方式，由工藝人員選擇、確定并切換運行方式。

e. 自動提量過程一旦因故中斷后，不能在中斷的點上再繼續(xù)運行，只能從500kg/h的起點重新開始。

3 結(jié)束語

本方案把單參數(shù)簡單控制、變比值控制、串級控制和隨動控制4種經(jīng)典成熟的控制理論有機組合。同時，充分利用DCS強大的數(shù)據(jù)處理功能，巧妙地運用斜坡發(fā)生器與折線表，解決了工藝物料增量與時間變量的函數(shù)關(guān)系，從而得以實現(xiàn)多參數(shù)自動提量復雜控制。

系統(tǒng)運行過程中，可隨時進行手動/自動之間的無擾動切換，操作簡便、安全可靠。系統(tǒng)投運后，工藝物料的增量實現(xiàn)了完全線性且非常穩(wěn)定的控制，同時徹底根除了工藝操作人員長時間高度緊張和繁忙的狀況。

著錄規(guī)范

[書] 編號 著者名.書名[M].版本.出版地:出版者,出版年：頁碼.

[期刊] 編號 著者名.題(篇)名[J].刊名,出版年,卷號(期號): 頁碼.

[論文集] 編號 著者名.題(篇)名[C].整本文獻的編者ed(多編者用eds)(編).文集名.出版地:出版者,出版年:頁碼.

[學位論文] 編號 著者名.題(篇)名[D].保存地：學位授予單位,年.

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聲明

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OptimalControlSchemeforAuto-increasingofQuantityinHydrogenationProcess

LUO Wan-li

(SichuanZhongbangPharmaceuticalCo.,Ltd.,Luzhou646000,China)

The slope generator, polyline table and variable ratio setting were adopted to constitute a control system for hydrogenated furnace’s auto-increasing of quantity in a polycrystalline silicon device so as to realize a fully-automatic control. The results show that this system can eradicate stepped rising of materials incurred by manual operation and can simplify the operation, enhance the process stability and improve the control accuracy as well as reduce the labor intensity.

control system for auto-increasing of quantity, slope generator, polyline table, auto-control over variable ratio setting

2015-11-20

TH862

B

1000-3932(2016)04-0353-06