一種基于平推流反應動力模型的等溫化學氣相滲透plc-ipc控制系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種基于平推流反應動力模型的等溫化學氣相滲透（ICVI）的可編程控制器（PLC）-工控機（IPC）控制系統，包括工控機IPC、與工控機IPC進行通訊的PLC控制器、真空隔膜泵、加熱單元、質量流量閥，以及流量、壓力和溫度傳感器和I/O接口，工控機IPC包括人機界面（HMI）、有效滯留時間計算單元和流量計算單元；PLC控制器包括三個控制回路，為壓力控制回路、溫度控制回路和流量控制回路。本發明基于工控機IPC和PLC控制器的優勢，對原有的控制系統進行了全面的改造，將現有的詳細反應機理應用到氣相滲透爐的工藝參數控制和優化中，通過平推流的動力學模型對有效滯留時間這一中間測量量進行實時的計算，達到對其有效的控制。
【專利說明】一種基于平推流反應動力模型的等溫化學氣相滲透
PLC-1PC控制系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種含有平推流反應動力模型內核的控制系統，用于實現采用等溫化學氣相滲透反應爐制備復合材料的過程中對壓力、溫度以及滯留時間的有效控制。
【背景技術】 [0002]等溫/等壓化學氣相滲透工藝(Isothermal/IsobaricChemical VaporInfiltration, ICVI)是制備高性能纖維增強碳基和陶瓷基復合材料最為重要、應用最為廣泛的技術手段。以碳/碳復合材料制造過程為例，其基本過程如下:一種或多種氣態前驅體在適當的壓力條件下，經過預熱區達到預期的溫度；在等溫區段內發生熱解和沉積過程，在預制體的表面和孔隙內生成不同的熱解碳組分；殘留氣體最終經過冷卻區后離開氣相滲透爐。由于生成的熱解碳性質是由氣相反應和表面沉積過程共同決定的，因此氣相滲透過程的工藝參數控制尤為重要。在1969年Bokros[l]就清晰地闡明了影響熱解炭沉積的主要參數:前驅體氣體種類、熱解反應溫度和壓力、氣體在反應器中的停留時間和反應器結構幾何關系。而Feron[2]和Huettinger等[3]也在研究中也強調了滯留時間是一個重要參數，他們的結果表明在定壓情況下，隨著氣體滯留時間的延長，熱解炭的顯微結構出現光滑層(SL)->粗糙層(GL)->光滑層(SL)的變化趨勢。當前對等溫ICVI工藝體系而言，若采用壓力和溫度傳感器，那么這兩個可直接測量的工藝參數通常可達到精確地控制。而滯留時間是指氣體(包括前驅氣體和稀釋氣體)從完全充滿到完全排出預制體所在的等溫區可自由流動空間所用的時間，即有效滯留時間。該空間就是指圖1中樣品周圍的圓筒狀環隙空間。
[0003]理想條件下滯留時間的計算公式如下:
<img/ >[0005]式τ中表示滯留時間，s ;V表示預制體周圍空間體積，;Q表示前驅氣體體積流量；Ttl表示入口處溫度，K Jtl表示入口處壓強，kPa ;T表示等溫區溫度，K ;Ρ表示等溫區壓力，kPa。在制定工藝參數的時候，首先要確定滯留時間，以及溫度、壓力等工藝參數，然后再依據這些參數按照公式(I)計算出所需要的體積流量，顯然根據公式(I)計算出來的流量值與入口氣體的種類無關。但是對于不同的入口氣體，其氣相熱解反應導致反應前后的氣體物質的量一般是不相等的，導致ICVI反應爐內體積流量變化較大，實際工藝中很難測定有效滯留時間這個參數，所以僅能依靠公式(I)計算出表觀滯留時間，然后基于大量的實驗統計才有可能摸索出與其相對應的最佳工藝條件。

【發明內容】

[0006]由于現有技術存在的上述問題，本發明的目的是提出一種基于平推流反應動力模型的等溫化學氣相滲透PLC-1PC控制系統，通過給定的前驅體的本征熱裂解反應機理，求解反應動力學模型，在氣相滲透過程中實現對等溫區段有效滯留時間的實時計算，并依據這一間接測量值與入口體積流量的關系，精確控制等溫化學氣相滲透工藝中各個關鍵工藝參數，提高對熱解碳基體或者陶瓷基體形成機理的理解，增強制備過程中微觀結構和成分的可控性的一種控制系統。
[0007]為了實現上述目的，本發明通過以下技術方案予以實現:基于平推流反應動力模型的等溫化學氣相滲透PLC-1PC控制系統，包括工控機IPC、與工控機IPC進行通訊的PLC控制器、真空隔膜泵、加熱單元、流量閥，以及流量、壓力和溫度傳感器和I/O接口，工控機IPC包括HM1、有效滯留時間和流量計算單元，該PLC控制器包括三個控制回路，分別為壓力控制回路、溫度控制回路和滯留時間控制回路，該壓力控制回路為氣體依次經過第一進氣閥、壓力傳感器、壓力控制器、真空隔膜泵、ICVI反應器再回到該第一進氣閥而構成，該溫度控制回路為氣體依次經過第二進氣閥、溫度傳感器、溫度控制器、加熱單元、ICVI反應器再回到第二進氣閥而構成，該滯留時間控制回路為氣體依次經過第三進氣閥、流量傳感器、流量控制器、流量閥、ICVI反應器再回到第三進氣閥所構成；工控機IPC按照用戶對有效滯留時間的設定值，給出質量流量的期望值，并發送給流量控制器。
[0008]作為本發明的進一步特征，所述有效滯留時間計算單元是一個運行在IPC上的XAE (Extended Automation Engineer)工程的 TcCOM 組件，即 TwinCAT 自動化軟件環境下的組件對象模型Component Object Model),它包含平推流反應動力模型和一個PI控制算法，能夠按照所述HMI預設的參數和實測的壓力與溫度，計算出在等溫段的有效滯留時間。
[0009]作為本發明的進一步特征，所述的流量計算單元是另一個TcCOM組件，它采用MATLAB的查表(Lookup Table)模塊,按照給定沉積工藝條件下不同前驅體在反應器內的有效滯留時間與其在標準狀況下前驅體體積空速的關系，計算質量流量的修正值。
[0010]作為本發明的進一步特征，所述的壓力、溫度和流量控制回路集中在一個PLC控制器上完成，用于實現對上述ICVI反應器內的氣相前驅體在等溫段的壓力、溫度和有效滯留時間的控制。
[0011]作為本發明的進一步特征，所述工控機IPC與PLC控制器之間采用TCP/IP或RS232通訊方式。
[0012]作為本發明的進一步特征，所述1/0接口通過EtherCAT總線與主CPU進行通訊。
[0013]由于采用以上技術方案，本發明的基于平推流反應動力模型的等溫化學氣相滲透PLC-1PC控制系統與現有技術相比具有以下優勢:
[0014]在傳統的ICVI控制技術中，滯留時間總是作為一個參考量，實際控制系統中采用一個簡化的公式，獲取相應的體積流量，通過控制體積流量達到控制滯留時間的目的。但是這個簡化公式并沒有考慮到前驅體在ICVI反應爐中的復雜裂解過程。在裂解過程中，混合氣體的體積流量會發生很大的變化，因此需要不斷地實時調節入口的體積流量，根本無法實現對滯留時間的準確控制。當前隨著前驅體熱解機理研究的深入，越來越多的詳細反應機理被提出并驗證，本發明就是利用PLC可編程邏輯控制器的優勢，對原有的控制系統進行了全面的改造，將現有的復雜反應機理應用到氣相滲透爐的工藝參數控制和優化中，通過平推流的反應動力學模型對有效滯留時間這一中間測量量進行實時的計算，達到對其有效的控制，此外通過開發控制軟件，控制系統也基于IPC和PLC之間的開關量、模擬量和數字量的通訊，實現了控制工藝參數的實時顯示和存儲。該控制系統的投入運行表明，其工作穩定可罪，控制精度聞，極大地提聞了科研生廣效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]下面根據附圖和具體實施例對本發明作進一步說明:
[0016]圖1為等溫化學氣相滲透爐示意圖；
[0017]圖2為控制系統各部分的連接關系；
[0018]圖3為等溫化學氣相滲透控制邏輯圖；
[0019]圖4為滯留時間控制回路示意圖；
[0020]圖5為不同前驅體在反應器內的滯留時間與其在標準狀況下體積空速的關系圖；
[0021]圖6為乙烯裂解反應速率圖(溫度1000°C，壓力2kPa，滯留時間ls，數字表示組分的相對消耗速率);
[0022]圖7為乙烯裂解過程中主要氣體組分隨滯留時間變化的關系圖(曲線線條為期望值，符號為測量值)
【具體實施方式】
[0023]如圖2，3所示，基于平推流反應動力模型的等溫化學氣相滲透PLC-1PC控制系統，包括工控機IPC、與工控機IPC進行通訊的PLC控制器、真空隔膜泵、加熱單元、質量流量閥、流量、壓力和溫度傳感器。工控機IPC包括HM1、有效滯留時間和流量計算單元；該？1^(:控制器分別控制三個控制回路，為壓力控制回路、溫度控制回路和滯留時間控制回路，該壓力控制回路為氣體依次經過第一進氣閥、壓力傳感器、壓力控制器、真空隔膜泵、ICVI反應器，再回到該第一進氣閥而構成，該溫度控制回路為氣體依次經過第二進氣閥、溫度傳感器、溫度控制器、加熱單元、ICVI反應器，再回到第二進氣閥而構成，該滯留時間控制回路為氣體依次經過第三進氣閥、流量傳感器、流量控制器、流量閥、ICVI反應器，再回到第三進氣閥所構成，工控機IPC按照用戶對有效滯留時間的設定值，給出質量流量的期望值，并發送給流量控制器。
[0024]工業IPC包括人機界面HM1、有效滯留時間和流量計算單元三個部分。用戶可以通過HMI進行模型參數的定義、在線顯示和數據后處理。通過這個部分，用戶可以對本征反應機理、管式反應器的等效尺寸、初始流量和期望滯留時間曲線進行設置；在實驗過程中輸出參數的日志文件，并對參數進行后處理。有效滯留時間計算單元是一個運行在IPC上的XAE (Extended Automation Engineer)工程的 TcCOM 組件，即 TwinCAT 自動化軟件環境下的組件對象模型Component Object Model),它包含平推流反應動力模型和一個PI控制算法，能夠按照所述HMI預設的參數和實測的壓力與溫度，計算出在等溫段的有效滯留時間；流量計算單元它采用MATLAB的查表(Lookup Table)模塊，按照給定沉積工藝條件下不同前驅體在反應器內的有效滯留時間與其在標準狀況下前驅體體積空速的關系，計算質量流量的修正值，并由此給出修正流量的指令。由于流量修正指令的實時性方面要求不高，因此在IPC與控制器之間的通訊采用TCP/IP或RS232通訊方式就可滿足要求，這樣可以簡化系統，降低成本。PLC控制器主要完成對氣相滲透爐的加熱單元、隔膜泵和流量閥的指令，對溫度、壓力和流量的動態特性進行控制。
[0025]本發明在工控機IPC運行的一個XAE工程，它包含了多個執行不同任務的TcCOM組件。第一個任務是運行基于平推流反應動力學模型的ICVI反應器的有效滯留時間計算的C代碼程序，獲得前驅體在反應器內的有效滯留時間；第二個任務是采用MATLAB的Lookup Table模塊，通過預先獲得的滯留時間和前驅體體積空速的特性曲線，得到質量流量的修正指令；第三個任務完成對氣相滲透過程中重要參數的設置、存儲、計算、顯示和后處理。
[0026]流體在管內作平推流流動具有如下的特征:在垂直截面上的流動相對于軸向流速可以忽略；在流體流動的方向不存在流體質點間的混合，無返混現象。因此可采用平推流模型來等效模擬氣相滲透中發生在等溫區段的化學動力學過程，快速并有效地計算出前驅體氣體的有效滯留時間。
[0027]對于一級反應而言，滯留時間和反應物的濃度服從指數函數的分布，而對于多級復雜裂解反應而言，必須從控制體積的質量守恒、組分傳遞和能量守恒方程推導平推流流動的控制方程如下:
[0028]
【權利要求】
1.一種基于平推流反應動力模型的等溫化學氣相滲透PLC-1PC控制系統，包括工控機IPC、與工控機IPC進行通訊的PLC控制器、真空隔膜泵、加熱單元、流量閥，以及流量、壓力和溫度傳感器和I/o接口，其特征在于:工控機IPC包括HM1、有效滯留時間計算單元和流量計算單元，該PLC控制器分別包括控制三個控制回路，為壓力控制回路、溫度控制回路和流量控制回路，該壓力控制回路為氣體依次經過第一進氣閥、壓力傳感器、壓力控制器、真空隔膜泵、ICVI反應器再回到該第一進氣閥而構成，該溫度控制回路為氣體依次經過第二進氣閥、溫度傳感器、溫度控制器、加熱單元、ICVI反應器再回到第二進氣閥而構成，該流量控制回路為氣體依次經過流量傳感器、第三進氣閥、流量控制器、流量閥、ICVI反應器再回到第三進氣閥所構成；工控機IPC按照用戶對有效滯留時間的設定值，給出質量流量的期望值，并發送給流量控制器。
2.根據權利要求1所述的控制系統，其特征在于:所述有效滯留時間計算單元是一個運行在IPC上的XAE工程的TcCOM組件，它包含平推流反應動力模型和一個PI控制算法，能夠按照所述HMI預設的參數和實測的壓力與溫度，計算出在等溫段的有效滯留時間。
3.根據權利要求1或2所述的控制系統，其特征在于:所述的流量計算單元是另一個TcCOM組件，它采用MATLAB的查表模塊，按照給定沉積工藝條件下不同前驅體在反應器內的有效滯留時間與其在標準狀況下前驅體體積空速的關系，計算質量流量的修正值。
4.根據權利要求3所述的控制系統，其特征在于:所述的壓力、溫度和流量控制回路集中在一個PLC控制器上完成，用于實現上述ICVI反應器內的氣相前驅體在等溫段的壓力、溫度和有效滯留時間進行控制。
5.根據權利要求4所述的控制系統，其特征在于:所述工控機IPC與PLC控制器之間采用TCP/IP或RS232通訊方式。
6.根據權利要求5所述的控制系統，其特征在于:所述I/O接口通過EtherCAT總線與主CPU進行通訊。
【文檔編號】G05B19/04GK103744302SQ201310637551
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年11月27日 優先權日:2013年11月27日
【發明者】張丹, 李愛軍, 白瑞成, 戚景贊, 張家寶, 任慕蘇, 孫晉良 申請人:上海大學, 李愛軍