湖北拓博电子科技有限责任公司（以下简称“拓博公司”）位于享有“中国光谷”之称的武汉东湖高新技术开发区，是以自主知识产权的灰色预测模糊控制为先导，集科研开发、生产经营、技术服务为一体的高新技术企业。

　　长期以来，人们在从事工业过程控制应用中发现，控制对象存在着很多用传统的PID控制方法难以有效解决的问题，例如：
　　

　　1、当被控制对象的时滞性、非线性、高阶次和时变性特征表现较为突出时，系统控制的调节品质难以提高；

　　2、当被控对象处于各种复杂的、明确或不明确的作用下，扰动因素复杂时，系统控制的稳定性不好；

　　3、当被控对象的过程机理、扰动机理、耦合机理关系不完全明确时，控制系统的可靠性会显著下降。

　　这些问题在从事人造水晶、多晶硅提纯等电子材料生长控制过程中尤其突出。针对这些突出问题，拓博公司采用了工艺创新和控制技术创新等手段，设计出基于灰色预测模糊控制的HEC-2000型智能仪表及测控系统等予以解决。系统推广应用以来，尤其是在人造水晶高压釜的生长控制过程中，用户节能降耗显著、产品成品率普遍提高，取得了好的经济效益和社会效益。

　　一、灰色预测模糊控制技术及产品特长

　　拓博公司首次将灰色预测技术和模糊控制有机结合，形成自主知识产权的复合控制技术—灰色预测模糊控制（Grey Fussy Control），简称GFC，其基本原理是控制器或控制系统首先根据被控对象目前的状态和操作量，在线建立被控对象的GM(1,1)灰色预测模型，以此模型对维持当前操作量的控制结果进行K步预报，在控制目标评价中，再依据被控对象的当前状态和预报结果，对系统的控制效果进行评价并产生调整模糊控制权重的结果，模糊控制即可依此确定最佳操作增量，这就克服了传统模糊控制隶属度函数难以建立的问题。

　　基于GFC技术开发的HEC-2000智能控制产品的实用性非常强，使用者无需建立数学模型，没有辨识过程，无需进行控制器设计，没有复杂的参数整定，即使过程的动态特征有很大的变化，也不需要重新整定控制器参数，被用户评价为“梦想成真”的控制系统。

　　HEC-2000控制系统，是以RS-485或CAN现场总线为网络载体，由上位智能管理软件、KHY系列智能仪表、温度压力智能测量模块等组成的集散控制系统。智能仪表可独立完成高压釜的变温差生长控制，一套计算机智能管理软件可以同时连接120台KHY系列智能控制器，完成高压釜的温度生长工艺数据采集，实时巡检、趋势分析、历史记录查询、报警日志提示及实时打印。其技术特点是：

　　1、智能化和网络化：HEC-2000智能控制系统因采用GFC先进的智能控制技术，解决了人造水晶在高压釜内生长控制中因大迟滞、非线性等技术难点引起的温度超调和波动问题。实现了人造水晶全过程的高精度控制，做到升温追值控制精度好于±0.5℃，变温差及恒温控制精度好于±0.2℃的水平，无过冲、无超调。为高品质晶体生长和节能降耗提供了技术保障；基于现场总线技术和INTERNET技术，设计的i.LONMIS企业集成管理系统，可将企业的采购管理、成品率管理、财务预决算管理、生产成本管理、客户信息管理、工艺流程管理与控制系统对接，实现了按需求、按产品批次定制生产，可随时追踪产品的成品率，可远程实时了解水晶生长工艺、工况。解决了企业信息孤岛现象，大大地提高了水晶生产企业的生产、管理效率。

　　2、专业化和系列化：针对我国人造水晶主流设备高压釜的直径有∮250mm、∮270mm、∮280mm、∮300mm、∮400mm等不同规格以及压电水晶、光学水晶、工艺水晶的工艺技术要求不同，开发了KHY-1A、KHY-1B、KHY-1C4、KHY-1C5、KHY-1C6、KHY-1D3、KHY-1D4等（2-6通道）系列仪表。在设计时，依据“水热温差法”生长水晶的工艺特点，将工艺技术软件化、采用多通道变温差的设计理念，实现了水晶生长全过程的匀速结晶，为低腐、高Q、好脉理的水晶生长提供了技术手段。

　　二、灰色预测模糊控制技术在人造晶体材料行业的应用及节能分析

　　人造水晶就功能来分有压电水晶、光学水晶和工艺水晶。近年来，随着数码相机、数码摄像机等数码技术、通讯技术、激光技术等飞速发展以及电子原器件SMT的封装越来越小型化要求，用压电晶体和光学晶体制成的各类电子元器件，要求晶体材料具有高Q值、低腐蚀隧道密度、好的光学均匀性（脉理）、极低的包裹体以及小的应变力等性能指标，传统的工艺和控制技术不能满足现代信息技术对晶体材料的需求。因此，行业利用新技术、新工艺、新装备改造的需求旺盛。

　　另一方面，国内利用传统的工艺和装备生产一吨人造晶体耗电50000度，按目前全行业产能3000吨水晶材料的测算，全年用电1.5亿度，用电成本占总生产成本高达60％以上。石英晶体生产的耗能严重困扰着该行业的发展，节能降耗是既是行业发展自身的要求，又是国家产业政策约定性的指标。

　　拓博公司利用国家的产业政策，顺应行业的发展要求，一直坚持用HEC-2000智能控制系统对高压釜水晶生长传统的控制方法进行信息技术改造，并取得了预期的成功。推广应用后，使水晶生产企业的产品一级品合格率提高了15%；节省电能25%；成几十倍提高工作效率；大幅度提高高温高压特种作业生产的安全系数。具体应用成果分析如下：

　　1、市场占有率分析：目前，HEC-2000智能控制系统已成功应用的典型用户有内蒙华联、内蒙青宝乐、北京石光晶电、北京烁光特晶（北京人晶所）、锦州天宇水晶、山东华山水晶、山东泰地电子、陕西商南电子、福建将乐电子、四川荥经水晶基地（６个厂商）、江西永丰电子、佳华（九江）公司、安徽力威、晶华光电（无锡）公司等全国20多个厂，近4000台高压釜的控制，市场占有率高达85％。

　　2、产品合格率分析：水晶生长成品率的提高是水晶生产厂家一直追求的目标。影响产品成品率的因素有水晶生长工艺、控制设备的性能（包括温度检测的准确性、温度控制的精度、温差控制大小和精度）以及高压釜的保温设计等等。因此，若生产合格的人造水晶必需综合设计、协调各个工艺环节的细节，做到系统匹配。如只注重某一个环节而忽视另一环节将不可能生产出高品质的人造水晶，这也就是尽管目前很多企业在控制设备进行了升级和改造，但产品合格率没有明显提高的原因所在。统计表明很多厂家在改造前产品成品率只有45-61%，通过改善生长界面匹配、改进挡板开孔率等工艺改进措施可使产品合格率提高到72-79%。通过高压釜保温和测温优化设计，利用HEC-2000智能控制系统进行变温差生长控制可使产品合格率控制在88-96%的水平。因此，在其他工艺条件保证的前提下，使用HEC-2000系统，一级品合格率可提高１5%以上。

　　3、节能减排分析：由于HEC-2000系统控制精度高，对大惯性的高压釜实施控制时，控制精度可长期控制在0.1－0.3℃的水平（传统控制是1-5℃），这样可节约因温度长期超调波动带来的电能损失；在强电设计上采用先进的过零触发方式，避免了移相触发在变压器产生的铜损和铁损，解决了电网污染问题；设计上，在溶解区采用变温差协调控制算法，解决了水晶生长的早期、中期、晚期溶炼的sio2饱和溶液浓度变化的问题，确保水晶生长过程中结晶生长的均匀性。这样生长同样大小的水晶材料的生长周期可缩短。以光学水晶生长为例，恒温生长法一个周期需100-120天，采用溶解区变温差协调控制算法后，生长周期可缩至80-90天，相应可提高单釜年生长效率，节能显著。统计表明，采用HEC-2000系统后可使原每吨石英晶体耗电５0000度下降至高３8560度。年节约用电2300万度，节省标煤0.5万吨，可相应减少二氧化碳排放１万多吨。综合节电效率高达25%。

　　三、加强信息技术在电子材料生产行业的推广应用

　　灰色预测模糊控制技术下一步的推广应用方向是生物菌种培育高精度控制和大型窑炉节能控制等，如长春生物制品厂、长春高新百克药业等菌种培育项目采用HEC-2000智能控制系统，菌种培育合格率由原来75%提升至96%，用户十分满意；另一方面，在湖北省多晶硅产业链的多晶硅提纯生产中找到了技术的切入点，正在开发基于“冶金三步法”提取６Ｎ级太阳能多晶硅的提纯设备和智能测控系统。

　　多晶硅是全球电子工业及光伏产业的基石，多晶硅按照硅含量的纯度分为两个等级，硅含量为99.9999%（6个9）的为太阳能级硅（SG），主要用于太阳能电池芯片的生产制造；纯度在99.999999999%（11个9）的多晶硅为电子级硅（EG），主要用于半导体芯片制造。截止2006年12月，全球多晶硅总产量为3.2万吨，市场需求量约为3.6万吨，市场缺口超过4000吨。其中，全球太阳能多晶硅总产量为2.1万吨，市场需求量约为2.8万吨，市场缺口大约7000吨。业内专家表示，2007年全球多晶硅总产量将达到3.6万吨左右，需求总量在4.6万吨左右。到2010年，全球多晶硅需求量预计在8万吨左右。多晶硅的缺乏导致其价格直线上涨，国际市场上多晶硅的价格从2000年时9美元/公斤上升到2006年的150美元/公斤，到现在已经达到300美元/公斤。

　　2006年我国多晶硅产量300吨，其中太阳能级多晶硅80多吨。国内市场的需求是4000吨，其中太阳能产业需求为2691吨，因此绝大部分多晶硅必需依赖进口。在国家产业政策的导向和市场的拉动下我国以乐山、洛阳等地为代表的多晶硅产业基地发展迅速。2006年，云南曲靖投资100亿元兴建年产10000吨的高纯多晶硅项目；无锡尚德在青海的多晶硅项目已经开工建设，最终年产量可达6000吨；通威集团投资50亿元在四川乐山兴建年产10000吨的多晶硅项目。此外，已经上马或即将上马的多晶硅项目还包括：上海神州新能源发展有限公司投资18亿元在内蒙古呼和浩特建设的年产1500吨多晶硅项目；深南玻在湖北宜昌投资建设的年产4500吨多晶硅项目；洛阳中硅投资14亿元兴建的年产3000吨多晶硅项目；江苏阳光投资35亿元在宁夏石嘴山建设的年产4000吨多晶硅项目；江苏大全集团投资40亿元在万州建多晶硅基地，最终年产量可达6000吨。数据表明，这8家企业规划产能到2010年将达到4.5万吨。另有数据显示，国内目前约有10多个省市30多家企业在筹划上马多晶硅项目，到2010年国内在建和筹建的多晶硅项目达产后，总产接近9万吨。

　　在投资多晶硅热潮背后，国内在多晶硅技术方面存在着很多不足。一是多晶硅提取技术耗能大，2006年IT行业年耗电1000亿度，多晶硅产业链是主要的贡献者；二是提取装置控制简单，主要以手动或半自动为主；三是缺少自主知识产权的多晶硅提取技术、工艺和装备。目前，世界多晶硅主要生产国家正在积极寻求新工艺、新设备和新技术。大悟硅光电工业园有限公司拥有自主知识产权的冶金法提取太阳能级多晶硅的技术—冶金三步法，在多晶硅提取效率、节能潜力、环保等方面

　　有独特的优势。所谓“三步法”，是指“引渣”，“爆杂”，“滤污”。

　　第一步，“引渣”。利用硅原子具有自动记忆跃迁步行特点，通过厌氧原理，尽快让“硅—氮”结合，把其他稀有金属进行彻底氧化排向空中，得到纯度为99.9999%氮化硅的液态集合体。而传统的冶炼方法碳热还原出硅水，纯度大多在98%。

　　第二步，“爆杂”。 采用了自蔓延高压高温引爆技术的专有技术，在高压反应釜施爆，氮和其他杂夹的稀有金属，形成一股雾状气体排出。得到含硅量为99.9999%的硅单体（表面含硼、含磷）。

　　第三步，“滤污”。 采用冶炼化学级金属硅的还原剂专利技术，利用传统的“通氧精炼”的方法，对反应釜出来的硅单体进行表面除硼、除磷处理。得到合格的99.9999%的硅单体。

　　基于工艺创新，“三步法”冶炼高纯金属硅提纯太阳能级多晶硅材料的整个生产过程，提纯设备和测控系统非常关键，它直接关系到提纯生产过程中的耗能和成品率。鉴于此，拓博公司利用自身在控制领域的技术优势和大悟硅光电产业园进行技术合作，针对多晶硅提纯生产，一套年产10吨的生产线需要的离子连续作业反应釜、特制高纯低压单电极自流矿热电弧炉、碳化硅液态保温炉、硅碳与氧发生还原的硅原子反应容器等设备，拟开发和生产高效节能型多晶硅提纯专用设备及控制系统，包括通气液压传动测控子系统、真空控制子系统、软件监控系统、安全联锁装置、高可靠电控操作柜等。该项目的主要创新点是：

　　创新点一：数字化冶炼—采用“水晶级石英+生物碳”做原料，通过在高温熔炉中“硅厌氧”现象，在相对固定反应容器中实现连续冶炼生成高纯硅材料 。全过程自动化、数字化。

　　创新点二：协同提纯—突破了传统的矿热炉局限，植入等离子新工艺，在碳热还原过程中确保杂质少，提高了冶炼提纯的连续性。全过程智能化。

　　创新点三：节能环保—“基于智能控制的冶金法提纯系统”生产太阳能级多晶硅材料节能显著，每吨耗电量在一万八到三万度之间，且基本无污染；而“西门子法”每吨耗电在二十万到五十万度电之间，生产多晶硅所产生的废气、固体废弃物、噪音等污染严重。

　　依据我国在多晶硅提纯工业的产能布局，到2010年，已计划的年产能将达4.5万吨，加上新计划或新投资的年产能可达9万吨。合作项目计划在2008年开发成功，推向市场后如在全国太阳能级多晶硅提纯改造项目中占10%的市场份额，新增项目中按60%预测，将有年3万吨规模的多晶硅提纯采用冶金“三步法”提纯技术，需要高效节能型多晶硅提纯设备及控制系统近3000套。每套按200万元计算，产业规模将是60亿，市场前景非常惊人。从节能的角度讲，采用新工艺和新技术装备年提纯3万吨规模的多晶硅和“西门子法”及传统的控制比较，节电可达57～140亿度，相应年节省标煤9～27万吨，年可相应减少二氧化碳排放20～60万吨，节能减排的社会效益非常显著。

　　因此，无论是从经济效益或社会效益来看，拓博公司下一步的发展规划是在太阳能级多晶硅提纯产业链中做专业化提纯设备的供应商及项目成套集成商，继续推动信息技术在电子材料生产行业的应用和推广。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（湖北拓博电子科技有限责任公司供稿）