釹鐵硼氫粉碎過程控制實驗室設計與實現

朱 林， 孫 謙

(內蒙古科技大學 信息工程學院， 內蒙古 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不同，膨脹量不一樣導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、非線性和耦合的復雜系統，其中釹鐵硼合金吸氫過程中，合金的反應狀態不可檢測、爐內溫度和壓力的耦合等特點，使經典的控制理論無能為力。本文針對此類控制過程，研究基于數據驅動的控制理論與檢測方法[2-4]。

氫粉碎過程控制實驗室的功能主要分為：① 基于數據驅動的控制模型的建模、優化和驗證提供研發實驗環境；② 為控制工程專業的本科生、研究生提供復雜過程控制實踐平臺，鍛煉學生動手能力，培養學生的創新意識和科學研究能力[5-7]。

1 實驗室設備結構設計

釹鐵硼氫粉碎設備結構見圖1，主要包括真空燒結爐系統和系統控制柜。

圖1 氫碎實驗設備外觀圖

(1) 真空燒結爐系統。真空燒結爐系統由：① 主架體，② 真空燒結爐，③ 加熱器，④ 小車移動系統，⑤ 氣源和氣路系統組成，真空燒結爐系統結構見圖2。

釹鐵硼合金與氫氣的化學反應過程(合金由塊狀粉碎成粉末的過程)[8-10]在真空燒結爐(以下稱氫粉碎爐)內完成，加熱器為氫粉碎爐加熱，小車移動系統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、氮氣和氬氣。氣路系統完成氫粉碎爐真空、輸氣的控制。

(2) 系統控制柜。 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 控制系統設計

2.1 總體結構和工作原理

釹鐵硼氫粉碎過程控制實驗平臺總體結構如圖3所示,分為下位機和上位機兩部分。

下位機的傳感器實時采集溫度、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數據庫；數據庫由歷史數據庫和實時數據庫組成，為建立各種基于數據驅動的控制算法(模塊)提供支撐；上位機控制模塊生成的控制命令送給下位機PLC，由PLC控制執行器(溫度控制器、流量閥、真空泵、電磁閥、冷卻系統等)，完成氫粉碎工藝過程控制；建模仿真環境采用ODBC技術與數據庫實現在線連接，為使用者提供不同控制算法以及軟測量模型建模、仿真驗證、直至氫碎工藝試驗的完整的研究平臺；組態環境可根據不同的控制算法，實現氫碎工藝參數實時采集、顯示、控制、報警等常規功能；VC開發環境為學生開發、編制、脫機調試以及和氫碎過程聯機調試各種驅動程序提供支撐；觸摸屏為氫碎爐旁操作提供方便。

2.2 過程控制實驗平臺硬件設計

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

由于氫粉碎爐內壓力變化范圍為負壓(小于標準大氣壓)到正壓(大于標準大氣壓)，選用ZDZ-52T/1B2電阻真空計測量顯示爐內負壓力值，可以實現(1×105～0.1) Pa的連續測量；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。氫氣流量測量及設定選用CS200A型質量流量控制器。

溫控儀采用日本進口溫控儀表，用于溫度顯示和設定，溫控儀表內部經過PID運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交換界面，提供工藝參數設定、爐內溫度、壓力、氫氣流量的瞬時值和累計值，以及爐膛中氫氣的摩爾數，合金吸入氫氣的摩爾數等實時工況顯示。

上位機選用研華工控機。

(2) 硬件電路。 下位機電路原理見圖4。上位機與下位機通過SC-09通訊電纜實現通訊。

2.3 過程控制實驗平臺軟件設計

氫粉碎過程控制實驗平臺軟件結構框圖見圖5。其中：數據采集模塊包括溫度、壓力、氫氣流量值采集等，設計中使用了標度變換、數據平滑等技術；執行器驅動包括流量閥、真空泵、電磁閥、加熱系統、冷卻系統等驅動模塊，采用PLC梯形圖語言設計；觸摸屏驅動模塊使用GT Designer軟件設計，完成工藝參數設置、工況數據顯示和功能；通訊模塊1是下位機與上位機之間的數據傳輸，使用RS422通信幀格式；數據庫采用SQL Server，由實時數據庫和歷史數據庫組成；通信模塊2完成Matlab平臺與數據庫的信號傳輸，上位機的組態功能由wincc軟件實現，保存工況數據，顯示氫粉碎過程實時工況曲線和歷史工況曲線，并設有監控和報警功能模塊(篇幅所限，本文未附源程序)。

3 應 用

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

實驗內容：釹鐵硼氫粉碎工藝吸氫過程動態機理建模與驗證。

前期工作：

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

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

(3) 結合理論推導確定模型結構和參數[14-15]。

試驗步驟：

(1) 在上位機Matlab環境中編寫動態機理模型的求解算法；

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

(3) 調整氫碎爐初始狀態。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束約50 min。其間，實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。

實驗結果分析：

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

(2) 圖7表明，吸氫階段爐內壓力開始不變，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) 實驗證明，所建吸氫過程動態機理模型與實驗測得的實際工況數據誤差較小。

4 結 語

氫粉碎過程控制實驗室構建的復雜過程控制實踐平臺，可為基于數據驅動的控制模型的建模、優化和驗證提供研發實驗環境，近1 a的運行使用證明，實驗室各項功能達到了設計要求。為本學科的前沿技術研究創建了實踐平臺，是高校實驗室建設的有益探索。

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