钕铁硼氢粉碎过程控制实验室设计与实现

朱 林， 孙 谦

(内蒙古科技大学 信息工程学院， 内蒙古 包头 014010)

0 引 言

氢爆工艺即是利用钕铁硼合金在吸氢和脱氢过程中由于钕铁硼主相和富钕相吸氢系数不同，膨胀量不一样导致合金破裂分化的合金爆破工艺[1]。氢爆工艺过程是典型的多变量、非线性和耦合的复杂系统，其中钕铁硼合金吸氢过程中，合金的反应状态不可检测、炉内温度和压力的耦合等特点，使经典的控制理论无能为力。本文针对此类控制过程，研究基于数据驱动的控制理论与检测方法[2-4]。

氢粉碎过程控制实验室的功能主要分为：① 基于数据驱动的控制模型的建模、优化和验证提供研发实验环境；② 为控制工程专业的本科生、研究生提供复杂过程控制实践平台，锻炼学生动手能力，培养学生的创新意识和科学研究能力[5-7]。

1 实验室设备结构设计

钕铁硼氢粉碎设备结构见图1，主要包括真空烧结炉系统和系统控制柜。

图1 氢碎实验设备外观图

(1) 真空烧结炉系统。真空烧结炉系统由：① 主架体，② 真空烧结炉，③ 加热器，④ 小车移动系统，⑤ 气源和气路系统组成，真空烧结炉系统结构见图2。

钕铁硼合金与氢气的化学反应过程(合金由块状粉碎成粉末的过程)[8-10]在真空烧结炉(以下称氢粉碎炉)内完成，加热器为氢粉碎炉加热，小车移动系统完成加热器的前后移动，气源为氢粉碎炉输送工艺需要的氢气、氮气和氩气。气路系统完成氢粉碎炉真空、输气的控制。

(2) 系统控制柜。 控制柜由PLC、传感器、温控仪表、触摸屏、操作按钮、指示灯、蜂鸣器等组成，完成钕铁硼氢粉碎过程的手动控制和自动控制。

2 控制系统设计

2.1 总体结构和工作原理

钕铁硼氢粉碎过程控制实验平台总体结构如图3所示,分为下位机和上位机两部分。

下位机的传感器实时采集温度、压力、流量等工艺过程信号，通过PLC把采集的信号传到上位机数据库；数据库由历史数据库和实时数据库组成，为建立各种基于数据驱动的控制算法(模块)提供支撑；上位机控制模块生成的控制命令送给下位机PLC，由PLC控制执行器(温度控制器、流量阀、真空泵、电磁阀、冷却系统等)，完成氢粉碎工艺过程控制；建模仿真环境采用ODBC技术与数据库实现在线连接，为使用者提供不同控制算法以及软测量模型建模、仿真验证、直至氢碎工艺试验的完整的研究平台；组态环境可根据不同的控制算法，实现氢碎工艺参数实时采集、显示、控制、报警等常规功能；VC开发环境为学生开发、编制、脱机调试以及和氢碎过程联机调试各种驱动程序提供支撑；触摸屏为氢碎炉旁操作提供方便。

2.2 过程控制实验平台硬件设计

(1) 器件选型。根据氢粉碎工艺控制对开关量、模拟量、采样频率、通讯接口等需求，综合考虑性价比，选用适合在小型环境中进行控制的三菱FX1N-40MR型PLC和两块FX0N-3A扩展模块作为下位机的核心部件 。

由于氢粉碎炉内压力变化范围为负压(小于标准大气压)到正压(大于标准大气压)，选用ZDZ-52T/1B2电阻真空计测量显示炉内负压力值，可以实现(1×105～0.1) Pa的连续测量；选用昆仑海岸JYB-K0-PAGG型压力变送器作正压0.1 MPa检测，输出信号4～20 mA。氢气流量测量及设定选用CS200A型质量流量控制器。

温控仪采用日本进口温控仪表，用于温度显示和设定，温控仪表内部经过PID运算控制可控硅的通断，完成对氢粉碎炉体加热控制。

触摸屏选用日本三菱公司的GT1050-QBBD-C。触摸屏作为炉旁人机交换界面，提供工艺参数设定、炉内温度、压力、氢气流量的瞬时值和累计值，以及炉膛中氢气的摩尔数，合金吸入氢气的摩尔数等实时工况显示。

上位机选用研华工控机。

(2) 硬件电路。 下位机电路原理见图4。上位机与下位机通过SC-09通讯电缆实现通讯。

2.3 过程控制实验平台软件设计

氢粉碎过程控制实验平台软件结构框图见图5。其中：数据采集模块包括温度、压力、氢气流量值采集等，设计中使用了标度变换、数据平滑等技术；执行器驱动包括流量阀、真空泵、电磁阀、加热系统、冷却系统等驱动模块，采用PLC梯形图语言设计；触摸屏驱动模块使用GT Designer软件设计，完成工艺参数设置、工况数据显示和功能；通讯模块1是下位机与上位机之间的数据传输，使用RS422通信帧格式；数据库采用SQL Server，由实时数据库和历史数据库组成；通信模块2完成Matlab平台与数据库的信号传输，上位机的组态功能由wincc软件实现，保存工况数据，显示氢粉碎过程实时工况曲线和历史工况曲线，并设有监控和报警功能模块(篇幅所限，本文未附源程序)。

3 应 用

钕铁硼氢粉碎实验投入使用近1 a，使用过程中针对不足之处作了部分改进，以下是某次实验过程记录。

实验内容：钕铁硼氢粉碎工艺吸氢过程动态机理建模与验证。

前期工作：

(1) 选择建模方法。采用状态空间方程建模方法，基于氢粉碎工艺机理建立吸氢过程的动态模型[11-12];

(2) 选取主相吸氢量、富钕相的吸氢量、合金温度和炉内压力为状态变量，同时为输出变量。输入变量是通入炉内氢气量和加热炉加热量[13]；

(3) 结合理论推导确定模型结构和参数[14-15]。

试验步骤：

(1) 在上位机Matlab环境中编写动态机理模型的求解算法；

(2) 氢碎反应炉装入待粉碎原料：颗粒直径约为5 mm的钕铁硼合金2 kg；

(3) 调整氢碎炉初始状态。富钕相吸氢量、主相吸氢量、合金温度及炉膛压力的初值分别为0 mol/s，0 mol/s，290 K，80 kPa。

启动吸氢后，气源向氢粉碎炉补充氢气，保持压力在60～80 kPa。钕铁硼合金吸氢过程开始至吸氢结束约50 min。其间，实际温度变化曲线和模型推算的温度变化曲线见图6，压力变化曲线见图7，合金吸氢量变化曲线见图8。

实验结果分析：

(1) 图6表明，实测温度与模型输出温度变化趋势相同，数值存在差异的原因是，温度传感器装在氢碎炉内壁上(不是合金中)。

(2) 图7表明，吸氢阶段炉内压力开始不变，然后以较慢的速度降低，再以较快的速度降低，整个吸氢过程充氢气3次，保证炉内压力维持在0.06～0.08 MPa。

(3) 图8表明，模型描述的吸氢量与实测吸氢量吻合较好，说明模型基本能够反映吸氢过程中，钕铁硼合金实际吸氢量的变化；吸氢阶段富钕相吸氢量为1.56 mol，主相吸氢量为4.64mol，合金总吸氢量为6.2 mol，与理论饱和值基本相符。

(4) 实验证明，所建吸氢过程动态机理模型与实验测得的实际工况数据误差较小。

4 结 语

氢粉碎过程控制实验室构建的复杂过程控制实践平台，可为基于数据驱动的控制模型的建模、优化和验证提供研发实验环境，近1 a的运行使用证明，实验室各项功能达到了设计要求。为本学科的前沿技术研究创建了实践平台，是高校实验室建设的有益探索。

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