釹鐵硼氫粉碎過程控制實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱 林， 孫 謙

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引 言

氫爆工藝即是利用釹鐵硼合金在吸氫和脫氫過程中由于釹鐵硼主相和富釹相吸氫系數(shù)不同，膨脹量不一樣導(dǎo)致合金破裂分化的合金爆破工藝[1]。氫爆工藝過程是典型的多變量、非線性和耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，其中釹鐵硼合金吸氫過程中，合金的反應(yīng)狀態(tài)不可檢測、爐內(nèi)溫度和壓力的耦合等特點(diǎn)，使經(jīng)典的控制理論無能為力。本文針對此類控制過程，研究基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的控制理論與檢測方法[2-4]。

氫粉碎過程控制實(shí)驗(yàn)室的功能主要分為：① 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的控制模型的建模、優(yōu)化和驗(yàn)證提供研發(fā)實(shí)驗(yàn)環(huán)境；② 為控制工程專業(yè)的本科生、研究生提供復(fù)雜過程控制實(shí)踐平臺，鍛煉學(xué)生動手能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和科學(xué)研究能力[5-7]。

1 實(shí)驗(yàn)室設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

釹鐵硼氫粉碎設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖1，主要包括真空燒結(jié)爐系統(tǒng)和系統(tǒng)控制柜。

圖1 氫碎實(shí)驗(yàn)設(shè)備外觀圖

(1) 真空燒結(jié)爐系統(tǒng)。真空燒結(jié)爐系統(tǒng)由：① 主架體，② 真空燒結(jié)爐，③ 加熱器，④ 小車移動系統(tǒng)，⑤ 氣源和氣路系統(tǒng)組成，真空燒結(jié)爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

釹鐵硼合金與氫氣的化學(xué)反應(yīng)過程(合金由塊狀粉碎成粉末的過程)[8-10]在真空燒結(jié)爐(以下稱氫粉碎爐)內(nèi)完成，加熱器為氫粉碎爐加熱，小車移動系統(tǒng)完成加熱器的前后移動，氣源為氫粉碎爐輸送工藝需要的氫氣、氮?dú)夂蜌鍤狻饴废到y(tǒng)完成氫粉碎爐真空、輸氣的控制。

(2) 系統(tǒng)控制柜。 控制柜由PLC、傳感器、溫控儀表、觸摸屏、操作按鈕、指示燈、蜂鳴器等組成，完成釹鐵硼氫粉碎過程的手動控制和自動控制。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)和工作原理

釹鐵硼氫粉碎過程控制實(shí)驗(yàn)平臺總體結(jié)構(gòu)如圖3所示,分為下位機(jī)和上位機(jī)兩部分。

下位機(jī)的傳感器實(shí)時采集溫度、壓力、流量等工藝過程信號，通過PLC把采集的信號傳到上位機(jī)數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)庫由歷史數(shù)據(jù)庫和實(shí)時數(shù)據(jù)庫組成，為建立各種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的控制算法(模塊)提供支撐；上位機(jī)控制模塊生成的控制命令送給下位機(jī)PLC，由PLC控制執(zhí)行器(溫度控制器、流量閥、真空泵、電磁閥、冷卻系統(tǒng)等)，完成氫粉碎工藝過程控制；建模仿真環(huán)境采用ODBC技術(shù)與數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)在線連接，為使用者提供不同控制算法以及軟測量模型建模、仿真驗(yàn)證、直至氫碎工藝試驗(yàn)的完整的研究平臺；組態(tài)環(huán)境可根據(jù)不同的控制算法，實(shí)現(xiàn)氫碎工藝參數(shù)實(shí)時采集、顯示、控制、報(bào)警等常規(guī)功能；VC開發(fā)環(huán)境為學(xué)生開發(fā)、編制、脫機(jī)調(diào)試以及和氫碎過程聯(lián)機(jī)調(diào)試各種驅(qū)動程序提供支撐；觸摸屏為氫碎爐旁操作提供方便。

2.2 過程控制實(shí)驗(yàn)平臺硬件設(shè)計(jì)

(1) 器件選型。根據(jù)氫粉碎工藝控制對開關(guān)量、模擬量、采樣頻率、通訊接口等需求，綜合考慮性價比，選用適合在小型環(huán)境中進(jìn)行控制的三菱FX1N-40MR型PLC和兩塊FX0N-3A擴(kuò)展模塊作為下位機(jī)的核心部件 。

由于氫粉碎爐內(nèi)壓力變化范圍為負(fù)壓(小于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)到正壓(大于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，選用ZDZ-52T/1B2電阻真空計(jì)測量顯示爐內(nèi)負(fù)壓力值，可以實(shí)現(xiàn)(1×105～0.1) Pa的連續(xù)測量；選用昆侖海岸JYB-K0-PAGG型壓力變送器作正壓0.1 MPa檢測，輸出信號4～20 mA。氫氣流量測量及設(shè)定選用CS200A型質(zhì)量流量控制器。

溫控儀采用日本進(jìn)口溫控儀表，用于溫度顯示和設(shè)定，溫控儀表內(nèi)部經(jīng)過PID運(yùn)算控制可控硅的通斷，完成對氫粉碎爐體加熱控制。

觸摸屏選用日本三菱公司的GT1050-QBBD-C。觸摸屏作為爐旁人機(jī)交換界面，提供工藝參數(shù)設(shè)定、爐內(nèi)溫度、壓力、氫氣流量的瞬時值和累計(jì)值，以及爐膛中氫氣的摩爾數(shù)，合金吸入氫氣的摩爾數(shù)等實(shí)時工況顯示。

上位機(jī)選用研華工控機(jī)。

(2) 硬件電路。 下位機(jī)電路原理見圖4。上位機(jī)與下位機(jī)通過SC-09通訊電纜實(shí)現(xiàn)通訊。

2.3 過程控制實(shí)驗(yàn)平臺軟件設(shè)計(jì)

氫粉碎過程控制實(shí)驗(yàn)平臺軟件結(jié)構(gòu)框圖見圖5。其中：數(shù)據(jù)采集模塊包括溫度、壓力、氫氣流量值采集等，設(shè)計(jì)中使用了標(biāo)度變換、數(shù)據(jù)平滑等技術(shù)；執(zhí)行器驅(qū)動包括流量閥、真空泵、電磁閥、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等驅(qū)動模塊，采用PLC梯形圖語言設(shè)計(jì)；觸摸屏驅(qū)動模塊使用GT Designer軟件設(shè)計(jì)，完成工藝參數(shù)設(shè)置、工況數(shù)據(jù)顯示和功能；通訊模塊1是下位機(jī)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，使用RS422通信幀格式；數(shù)據(jù)庫采用SQL Server，由實(shí)時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫組成；通信模塊2完成Matlab平臺與數(shù)據(jù)庫的信號傳輸，上位機(jī)的組態(tài)功能由wincc軟件實(shí)現(xiàn)，保存工況數(shù)據(jù)，顯示氫粉碎過程實(shí)時工況曲線和歷史工況曲線，并設(shè)有監(jiān)控和報(bào)警功能模塊(篇幅所限，本文未附源程序)。

3 應(yīng) 用

釹鐵硼氫粉碎實(shí)驗(yàn)投入使用近1 a，使用過程中針對不足之處作了部分改進(jìn)，以下是某次實(shí)驗(yàn)過程記錄。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：釹鐵硼氫粉碎工藝吸氫過程動態(tài)機(jī)理建模與驗(yàn)證。

前期工作：

(1) 選擇建模方法。采用狀態(tài)空間方程建模方法，基于氫粉碎工藝機(jī)理建立吸氫過程的動態(tài)模型[11-12];

(2) 選取主相吸氫量、富釹相的吸氫量、合金溫度和爐內(nèi)壓力為狀態(tài)變量，同時為輸出變量。輸入變量是通入爐內(nèi)氫氣量和加熱爐加熱量[13]；

(3) 結(jié)合理論推導(dǎo)確定模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)[14-15]。

試驗(yàn)步驟：

(1) 在上位機(jī)Matlab環(huán)境中編寫動態(tài)機(jī)理模型的求解算法；

(2) 氫碎反應(yīng)爐裝入待粉碎原料：顆粒直徑約為5 mm的釹鐵硼合金2 kg；

(3) 調(diào)整氫碎爐初始狀態(tài)。富釹相吸氫量、主相吸氫量、合金溫度及爐膛壓力的初值分別為0 mol/s，0 mol/s，290 K，80 kPa。

啟動吸氫后，氣源向氫粉碎爐補(bǔ)充氫氣，保持壓力在60～80 kPa。釹鐵硼合金吸氫過程開始至吸氫結(jié)束約50 min。其間，實(shí)際溫度變化曲線和模型推算的溫度變化曲線見圖6，壓力變化曲線見圖7，合金吸氫量變化曲線見圖8。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

(1) 圖6表明，實(shí)測溫度與模型輸出溫度變化趨勢相同，數(shù)值存在差異的原因是，溫度傳感器裝在氫碎爐內(nèi)壁上(不是合金中)。

(2) 圖7表明，吸氫階段爐內(nèi)壓力開始不變，然后以較慢的速度降低，再以較快的速度降低，整個吸氫過程充氫氣3次，保證爐內(nèi)壓力維持在0.06～0.08 MPa。

(3) 圖8表明，模型描述的吸氫量與實(shí)測吸氫量吻合較好，說明模型基本能夠反映吸氫過程中，釹鐵硼合金實(shí)際吸氫量的變化；吸氫階段富釹相吸氫量為1.56 mol，主相吸氫量為4.64mol，合金總吸氫量為6.2 mol，與理論飽和值基本相符。

(4) 實(shí)驗(yàn)證明，所建吸氫過程動態(tài)機(jī)理模型與實(shí)驗(yàn)測得的實(shí)際工況數(shù)據(jù)誤差較小。

4 結(jié) 語

氫粉碎過程控制實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的復(fù)雜過程控制實(shí)踐平臺，可為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的控制模型的建模、優(yōu)化和驗(yàn)證提供研發(fā)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，近1 a的運(yùn)行使用證明，實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)功能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。為本學(xué)科的前沿技術(shù)研究創(chuàng)建了實(shí)踐平臺，是高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的有益探索。

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