CN101419472A - 低温碳化炉系统中的碳布张力自动控制装置 - Google Patents

低温碳化炉系统中的碳布张力自动控制装置 Download PDF

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许晓峰
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一种自动控制领域的燃料电池用碳布低温碳化炉系统中的碳布张力自动控制装置，包括：电位器、进口变频控制器、进口驱动辊、张力控制器、张力辊、出口变频控制器和出口驱动辊，进口驱动辊置于低温碳化炉前，进口变频控制器与电位器和进口驱动辊组成闭环反馈链路，低温碳化炉后依次放置张力辊和出口驱动辊，张力控制器分别与张力辊和出口变频控制器连接，出口变频控制器连接出口驱动辊输出碳布。本发明中张力传感器测得碳布的即时张力值并通过反馈闭环控制，使得对碳布的张力控制精度高，稳定性好，响应速度快，通过手动调整电位器即可使得本发明稳定于新的平衡反馈回路，从而能够针对不同材质的碳布进行精细的调节，方便工艺操作。

Description

低温碳化炉系统中的碳布张力自动控制装置
技术领域
本发明涉及一种自动控制领域的机电自动控制装置，具体是一种燃料电池用碳布低温碳化炉系统中的碳布张力自动控制装置。
背景技术
在燃料电池用碳布的低温碳化工艺过程中碳布的张力是一个很重要的参数，它直接影响碳布的强度。国际上通用的碳纤维生产工艺是先将聚丙烯腈纤维预氧化后经1000-1500℃的碳化，如经过更高温度的处理则可得到石墨纤维或石墨化碳纤维。目前石墨化碳纤维产品主要由国外进口，生产石墨化碳纤维的关键之一是专用生产设备能否满足生产工艺要求。现有的改进工艺是先将预氧化纤维纱线编织成布，然后通过碳化炉碳化，最后再经石墨化高温处理。在碳化过程中碳布本身会有热收缩现象。对这种热收缩不加管理，将直接导致构成纤维的碳原子排列无序、构成纱线的纤维之间松散，从而降低纱线乃至布的强度。控制这种热收缩的有效方法是对行进在碳化炉中的布施加牵伸张力。牵伸张力通过收放丝机构差速实现，但牵伸张力的大小往往无法显示，或者能够显示往往没有实现自动控制，因此不能在最佳牵伸力的条件下生产，致使牵伸不能发挥应有的作用。
经对现有技术文献的检索发现，发明名称为：一种高强高模碳纤维专用生产设备，申请号CN02135138.4，申请日2002.6.20公开日2002.12.18，该技术自述：高频加热反应管分段设计，依次由脱氧段、裂解段、石墨化段、气冷段和水冷段组成，碳纤维在分段的反应管中连续的通过，石墨化段的反应温度控制在2500—2650℃，在催化剂的作用下完成碳纤维的石墨化过程。牵伸装置增加了牵伸力显示器；通过光学测温使反应管内微小的温度变化变成电信号反馈到高频发生器内，由计算机控制和调节高频发生器的输出功率。采用该装置生产的石墨化碳纤维具有高强、高模的力学性能，强度>3.5GPa，模量>400GPa。但是该技术仅通过前组合轮的阻力作用和调速电机的转速调节控制对碳纤维的牵伸力，没有述及牵伸力的反馈控制，而且该技术仅是使牵伸力定量化显示。
日本专利名称为：METHOD FOR PRODUCING CARBON FIBER(一种制备碳纤维的方法)，申请号JP2007314901，申请日2006.05.24，公开日2007.12.06，但该技术仅公开了应用于长丝纤维的技术方案，对于碳布的实施方式并无记载，同时该技术对张力的控制局限于很小范围。
再经检索发现，日本三菱丽阳株式会社的中国专利申请，名称为：用于碳纤维的丙烯腈基前体纤维及其制备方法，CN200410006862.1，申请日1999.07.22，公开日2004.10.13，该技术揭示了一种碳纤维的丙烯腈基前体纤维的制备方法，该技术的缺陷在于：必须通过滚筒多次加温拉伸以提高碳纤维的拉伸比。
现有技术采用碳化炉和石墨化炉内加热碳素纤维，同时沿纤维方向加轴向张力牵伸，使石墨微晶层沿纤维轴向重新排列取向，达到提高抗拉模量和强度的效果。由于碳纤维中存在着大量石墨微晶，这些微晶尺寸及完善化程度及之间互相联结关系对最终形成的石墨化纤维力学性能有重要的影响，这就大大增加了设备的造价和工艺操作难度。这就使得低温碳化炉内的设计上具有很高的难度，使成品率降低，价格昂贵，以及无法实现真正连续化纤维的加工。由于国际上仅有少数几个国家能够生产该项产品，为满足尖端学科和军工部门的需要，需要以4000-6000元/kg的高价从国外进口。上述因素均严重限制了我国石墨化纤维的研发和推广应用。
上述现有技术存在明显问题和不足，由于碳布在低温碳化炉内随着挥发份的逸出会有收缩，即使上述三项现有技术相结合，亦未能解决基于无超调PID算法的反馈控制策略的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种低温碳化炉系统中的碳布张力自动控制装置，由张力传感器直接测出碳布的实际张力值反馈回张力控制器，构成闭环张力自动控制系统，达到了精确控制碳布张力的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：电位器、进口变频控制器、进口驱动辊、张力控制器、张力辊、出口变频控制器和出口驱动辊，其中：进口驱动辊置于低温碳化炉前，进口变频控制器与电位器和进口驱动辊组成闭环反馈链路，低温碳化炉后依次放置张力辊和出口驱动辊，张力控制器分别与张力辊和出口变频控制器连接，出口变频控制器连接出口驱动辊输出碳布。
所述的进口驱动辊包括：变频调速电机、减速箱、进口动力辊和进口压紧辊，其中：变频调速电机与减速箱相连，减速箱连接至进口动力辊，两个进口压紧辊分别置于进口动力辊的前后用于将碳布压紧。
所述的张力辊包括：检测辊、轴承座、张力传感器和导向辊，其中：检测辊左右两侧分别装有轴承座，两个张力传感器分别设置于轴承座下，张力传感器的输出端连接至张力控制器的输入端并传输张力值信号，两个导向辊沿碳布输送方向分别设置于检测辊的前后，该导向辊的高度低于检测辊。
所述的出口驱动辊包括：变频调速电机、减速箱、出口动力辊、出口压紧辊，变频调速电机经减速箱去驱动动力辊，两个出口压紧辊分别置于出口动力辊的前后用于将碳布压紧。
所述的张力控制器包括信号接收模块、比较模块和信号输出模块，其中：信号接收模块与张力辊连接并接收张力辊输出的张力值信号，比较模块连接信号接收模块并对张力值信号进行无超调PID算法比较后输出张力值更新信号至信号输出模块，信号输出模块与出口变频控制器相连接并输出张力值更新信号。
所述的无超调PID算法包括比例运算、抗饱和积分运算、微分运算和模糊控制运算的算法规则，采用自适应反馈方式确定张力值更新信号。
本发明工作时，进口变频控制器进行闭环速度控制变频调速电机，通过用户手动调节电位器可改变进口驱动辊速度，碳布通过检测辊时张力传感器敏感元件检测出即时张力值并处理成张力值信号。当碳化炉内碳布的张力因碳布内部或外部原因发生变化时，张力传感器根据即时测出的张力值，转换成张力值信号后反馈回张力控制器。张力控制器通过对张力值信号与控制器预先设定的张力值相比较并进行无超调PID算法处理后送至出口变频控制器，进而改变出口驱动棍的转速使张力回复到原来的预设张力值，最终达到碳布所承受的张力保持恒定。
本发明由于是根据碳布的实际张力值进行张力自动控制，所以张力控制精度可达到±0.25N，稳定性好，响应速度也快；可对所需的张力值作精细的调节；改变碳布运行速度时其张力保持恒定不变。本发明采用了张力传感器直接测出碳布的实际张力值，反馈回张力控制器作无超调PID算法处理后送至变频控制器，改变出口驱动棍的转速，从而使碳布张力保持恒定不变。
本发明与现有技术相比，通过结构的合理设计从而获得相对稳定的碳布张力：张力传感器测得碳布的即时张力值并通过反馈闭环控制，使得对碳布的张力控制精度高，稳定性好，响应速度快，通过手动调整电位器即可使得本发明稳定于新的平衡反馈回路，从而能够针对不同材质的碳布进行精细的调节，方便工艺操作。
附图说明
图1为本发明的系统示意图；
其中：1-电位器、2-进口变频控制器、3-变频调速电机、4-减速箱、5-进口动力辊、6-第一进口压紧辊、7-第二进口压紧辊、8-张力控制器、9-第一张力传感器、10-第二张力传感器、11-检测辊、12-第一轴承座、13-第二轴承座、14-第一导向辊、15-第二导向辊、16-出口变频控制器、17-变频调速电机、18-减速箱、19-出口动力辊、20-第一出口压紧辊、21-第二出口压紧辊、22-进口驱动辊、23-低温碳化炉、24-张力辊、25-出口驱动辊、26-碳布。
图2为本发明的张力传感器工作原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：电位器1、进口变频控制器2、张力控制器8、出口变频控制器16、进口驱动辊22、张力辊24、出口驱动辊25，其中：进口驱动辊22置于低温碳化炉23前，电位器1连接进口变频控制器2控制进口驱动辊22，低温碳化炉23后依次放置张力辊24和出口驱动辊25，张力控制器8分别与张力辊24和出口变频控制器16连接，出口变频控制器16连接出口驱动辊25输出碳布26。
所述的进口驱动辊22包括：变频调速电机3、减速箱4、进口动力辊5、第一进口压紧辊6和第二进口压紧辊7，其中：变频调速电机3与减速箱4相连，减速箱4连接进口动力辊5，第一进口压紧辊6和第二进口压紧辊7分别置于进口动力辊5的前后用于将碳布26压紧在进口动力辊5上。
所述的张力辊24包括：检测辊11、第一轴承座12、第二轴承座13、第一张力传感器9、第二张力传感器10、第一导向辊14和第二导向辊15，其中检测辊11左右两侧分别装有第一轴承座12和第二轴承座13，第一张力传感器9和第二张力传感器10分别设置于第一轴承座12和第二轴承座13下端以及碳布26的外侧，第一张力传感器9和第二张力传感器10的输出端连接至张力控制器8的输入端并传输张力值信号，第一导向辊14和第二导向辊15沿碳布输送方向设置于检测辊11的前后，该第一导向辊14和第二导向辊15的高度低于检测辊11。
所述的第一张力传感器9、第二张力传感器10为电阻应变式张力检测器。
所述的出口驱动辊25包括：变频调速电机17、减速箱18、出口动力辊19、第一出口压紧辊20和第二出口压紧辊21，其中：变频调速电机17与减速箱18相连接，减速箱18与动力辊19连接，第一出口压紧辊20和第二出口压紧辊21分别置于出口动力辊19的前后用于将碳布26压紧在出口动力辊19上。
所述的张力控制器8包括信号接收模块、比较模块和信号输出模块，其中：信号接收模块与张力辊连接并接收张力辊输出的张力值信号，比较模块连接信号接收模块并对张力值信号进行无超调PID算法比较后输出张力值更新信号至信号输出模块，信号输出模块与出口变频控制器相连接并输出张力值更新信号。
所述的无超调PID算法具体是指包括比例运算、抗饱和积分运算、微分运算和模糊控制运算的算法规则，采用自适应反馈方式确定张力值更新信号。
如图2所示，碳布26通过检测辊11时分别对两侧的第一张力传感器9、第二张力传感器10施加负载G，使张力传感器检测出碳布26的即时张力值F，则有：
G＝F(sinθ1+sinθ2)+W，
当θ1＝θ2＝θ时，G＝2F sinθ+W，其中：G为负载，F为碳布的即时张力值，W为检测辊11的自重，θ1是第一导向辊14和检测辊11的外缘切线与水平线所成角度，θ2是第二导向辊15和检测辊11的外缘切线与水平线所成角度。
当静止状态或正常工作时，θ1和θ2为自然常数，因此负载与碳布的即时张力值成线性关系，系数(sinθ1+sinθ2)为定值，且线性偏移量W为检测辊自重；进口动力辊5由变频调速电机3驱动，由变频控制器2进行闭环速度控制，通过电位器1手动调节速度，转速固定不变，出口动力辊19由变频调速电机17驱动，由出口变频控制器16进行闭环速度控制。检测辊11测出的张力值经张力控制器8处理后送至出口驱动辊的变频控制器16，自动调节出口动力辊19的转速。
当碳布26的张力发生变化时，第一张力传感器9和第二张力传感器10测出变化后的张力值信号并输出至张力控制器8，由张力控制器8处理后控制出口变频控制器16进而改变出口动力辊19的转速，使碳布26中的张力恢复至预设值，从而达到张力保持恒定。

Claims (7)

1、一种低温碳化炉系统中的碳布张力自动控制装置，其特征在于，包括：电位器、进口变频控制器、进口驱动辊、张力控制器、张力辊、出口变频控制器和出口驱动辊，其中：进口驱动辊置于低温碳化炉前，进口变频控制器与电位器和进口驱动辊组成闭环反馈链路，低温碳化炉后依次放置张力辊和出口驱动辊，张力控制器分别与张力辊和出口变频控制器连接，出口变频控制器连接出口驱动辊输出碳布。
2、根据权利要求1所述的低温碳化炉系统中的碳布张力自动控制装置，其特征是，所述的进口驱动辊包括：变频调速电机、减速箱、进口动力辊和进口压紧辊，其中：变频调速电机与减速箱相连，减速箱连接至进口动力辊，两个进口压紧辊分别置于进口动力辊的前后用于将碳布压紧。
3、根据权利要求1所述的低温碳化炉系统中的碳布张力自动控制装置，其特征是，所述的张力辊包括：检测辊、轴承座、张力传感器和导向辊，其中：检测辊左右两侧分别装有轴承座，两个张力传感器分别设置于轴承座下，张力传感器的输出端连接至张力控制器的输入端并传输张力值信号，两个导向辊沿碳布输送方向分别设置于检测辊的前后。
4、根据权利要求3所述的低温碳化炉系统中的碳布张力自动控制装置，其特征是，所述的导向辊的高度低于检测辊。
5、根据权利要求3所述的低温碳化炉系统中的碳布张力自动控制装置，其特征是，所述的张力传感器为电阻应变式张力检测器。
6、根据权利要求1所述的低温碳化炉系统中的碳布张力自动控制装置，其特征是，所述的出口驱动辊包括：变频调速电机、减速箱、出口动力辊、出口压紧辊，变频调速电机经减速箱去驱动动力辊，两个出口压紧辊分别置于出口动力辊的前后用于将碳布压紧。
7、根据权利要求1所述的低温碳化炉系统中的碳布张力自动控制装置，其特征是，所述的张力控制器包括信号接收模块、比较模块和信号输出模块，其中：信号接收模块与张力辊连接并接收张力辊输出的张力值信号，比较模块连接信号接收模块并对张力值信号进行无超调PID算法比较后输出张力值更新信号至信号输出模块，信号输出模块与出口变频控制器相连接并输出张力值更新信号。
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