CN103032675B - 一种用于石墨纯化的自动化气体输送系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于石墨纯化的自动化气体输送系统，通过PLC进行控制，包含气体存储控制系统、气体输送控制系统以及炉体安全控制系统。气体存储控制系统包含气体存储室，室内分别设有储气瓶，瓶上设有开关以及称重模块和喷淋水装置；室内设有电动门，若干浓度传感器，轴流风机、百叶窗和氯气回收装置。气体输送控制系统包含输气管道以及温度传感器、压力传感器、调节阀和开关阀。炉体安全控制系统包含若干浓度传感器。传感器以及称重模块分别向PLC输入信号；储气瓶开关、调节阀、开关阀、喷淋水装置、氯气回收装置、轴流风机、百叶窗和电动门分别接受PLC输出的信号控制。本发明提供的自动化气体输送系统，能够实现气体的自动输送，安全高效便捷。

Description

一种用于石墨纯化的自动化气体输送系统

技术领域

本发明涉及一种气体输送系统，具体地，涉及一种用于石墨纯化的自动化气体输送系统。

背景技术

现有石墨纯化行业中，在高温下（1600度到3000度），通入气体（氯气、氮气、氩气、氟利昂），主要是简单的利用管道直接通入石墨化炉体内部，依靠一个气体流量阀来确定送气的量。这种方式成本较低，技术含量也较低，但是缺点也很明显。首先，需要操作人员调节流量阀来保证送气的量，十分的不便，需要很大的人力成本。其次，安全性低下，基本无安全性可言，而有害气体的泄漏对人体和环境造成巨大危害。并且这种方法的送气稳定性也不可靠。

国际电工委员会（IEC）在1985年的PLC标准草案第3稿中对PLC作了如下定义：“可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”可简单理解为：信号源于现场，作用于现场，PLC则完成计算和逻辑控制而已。

PLC从结构上可分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

其中，CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

I/O模块：PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分(I/O)完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入(DI)，开关量输出(DO)，模拟量输入(AI)，模拟量输出(AO)等模块。 常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型(4-20mA,0-20mA)、电压型(0-10V,0-5V,-10-10V)等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 

电源模块：PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源(220VAC或110VAC)，直流电源(常用的为24VDC)。 

底板或机架：大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。

    目前，尚未出现将可编程逻辑控制器（PLC）与石墨纯化气体输送相结合的技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于石墨纯化的气体输送系统，能够实现气体的自动输送，安全、高效、便捷。 

为了达到上述目的，本发明提供了一种用于石墨纯化的自动化气体输送系统，通过可编程逻辑控制器进行控制，其中，该自动化气体输送系统包含气体存储控制系统、气体输送控制系统以及炉体安全控制系统。

所述的气体存储控制系统包含气体存储室，所述的气体存储室分为氯气室和氟利昂气体室，室内分别设有储存氯气或氟利昂气体的若干储气瓶，每个储气瓶上均设有开关以及称重模块和喷淋水装置；所述的气体存储室均设有电动门，室内分别设有若干浓度传感器，所述的氯气室的室壁处还设有轴流风机、百叶窗和氯气回收装置。所述的浓度传感器用来进行存储区域气体浓度探测，轴流风机和百叶窗用于实现气体存储区域的通风，氯气回收装置用于回收泄漏的氯气。

所述的气体输送控制系统包含输气管道以及设置在所述输气管道上的温度传感器、压力传感器、调节阀和开关阀；所述的输气管道一端连接所述的储存氯气或氟利昂气体的储气瓶，另一端连接石墨纯化炉的炉体。所述的开关阀用于打开或关闭输气管道，调节阀可以根据计算结果自动调节阀门开度，温度传感器、压力传感器显示输气管道温度和压力。

所述的炉体安全控制系统包含设置在石墨纯化炉的炉体周围的若干浓度传感器。

所述的温度传感器、压力传感器、浓度传感器以及称重模块能够分别向可编程逻辑控制器输入信号；所述的储气瓶开关、调节阀、开关阀、喷淋水装置、氯气回收装置、轴流风机、百叶窗和电动门分别接受可编程逻辑控制器输出的信号控制。

上述的用于石墨纯化的自动化气体输送系统，其中，所述的称重模块包含重量传感器和校验装置。所述的重量传感器称重储气瓶和气体总重量，经过校验装置校验后，将准确的重量值输入PLC。

上述的用于石墨纯化的自动化气体输送系统，其中，所述的气体存储室内的浓度传感器在探测到设定的气体浓度值后能够向可编程逻辑控制器发送报警信号，然后该可编程逻辑控制器输出信号，控制储气瓶开关、百叶窗、电动门和开关阀关闭，轴流风机、氯气回收装置和喷淋水装置开启。在发生泄漏的事故时，储气瓶开关关闭，防止进一步泄露。电动门将自动放下，隔离两间气体存储室以及和外界；自动关闭百叶窗、轴流风机，同样是为了隔离外界，防止气体泄漏到外部房间中。打开氯气回收装置和喷淋水装置，回收泄漏氯气和为储气瓶降温，防止气体从储气瓶中泄漏时产生的升温连锁反应。同时关闭输气管道的开关阀，防止泄漏气体从输气管道泄漏到外部环境。在泄漏气体回收完全之后，将首先打开轴流风机和百叶窗进行通风，之后打开电动门，作进一步的处理。泄漏事故的判断主要依靠房间四壁上的数个气体浓度传感器，当探测到大于设定值的浓度时，判断发生泄漏。

上述的用于石墨纯化的自动化气体输送系统，其中，所述的可编程逻辑控制器接收温度传感器、压力传感器和称重模块输入的信号，然后输出信号控制所述调节阀的开度。依靠称重传感器计算气体实际重量，根据压力、温度传感器监控输气管道温度、压力，温度和压力主要为标准气态方程的计算提供参数，根据理想气体状态方程，将流量转换为重量改变量。然后调节阀将根据PLC的PID给定自动调节阀门开度。操作人员只需将工艺需求的送气量（单位kg）和送气时间（单位h）输入系统，系统将会自动计算后进行送气工艺，自动打开开关阀，给定PID参数给调节阀，控制送气量。

上述的用于石墨纯化的自动化气体输送系统，其中，所述的炉体周围的浓度传感器，探测到设定的气体浓度值后能够向可编程逻辑控制器输入报警信号。

上述的用于石墨纯化的自动化气体输送系统，其中，所述的炉体周围的浓度传感器的报警信号分为两级，当气体浓度在0至0.6PPM时发出二级报警信号，当气体浓度超过0.6PPM时发出一级报警信号。PPM表示体积浓度，即一百万体积的空气中所含污染物的体积数。

上述的用于石墨纯化的自动化气体输送系统，其中，所述的二级报警信号输入可编程逻辑控制器后，该可编程逻辑控制器输出信号控制调节阀，减少气体输送量。

上述的用于石墨纯化的自动化气体输送系统，其中，所述的一级报警信号输入可编程逻辑控制器后，该可编程逻辑控制器输出信号控制开关阀，关闭气体输送。

本发明提供的用于石墨纯化的自动化气体输送系统具有以下优点：

1.标准化自动化系统，操作简单，仅需要一名操作人员简单培训即可掌握。

2.安全性高，保证了现场和气体存储区域的安全，并且在出现泄漏事故时自动切断和处理。

3.稳定性高，气体输送均匀，根据现场实际情况，自动调节送气量，既保证了生产工艺上的需求，又保证稳定性。

4.系统化管理气体输送，为工艺的改良提供数据分析。

附图说明

图1为本发明的用于石墨纯化的自动化气体输送系统示意图。

图2为本发明的气体存储控制系统示意图。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

如图1和图2所示，本发明提供的用于石墨纯化的自动化气体输送系统，通过可编程逻辑控制器（PLC）进行控制，其中，该自动化气体输送系统包含气体存储控制系统、气体输送控制系统以及炉体安全控制系统。

气体存储控制系统包含气体存储室，其中分为氯气室1和氟利昂气体室2，室内分别设有储存氯气或氟利昂气体的若干储气瓶8，每个储气瓶8上均设有开关以及称重模块9和喷淋水装置；该储气瓶8为钢瓶。气体存储室均设有电动门3，室内分别设有若干浓度传感器4，氯气室1的室壁处还设有轴流风机5、百叶窗6和氯气回收装置7。浓度传感器4用来进行存储区域气体浓度探测，轴流风机5和百叶窗6用于实现气体存储区域的通风，氯气回收装置7用于回收泄漏的氯气。

气体输送控制系统包含输气管道10以及设置在输气管道10上的温度传感器11、压力传感器12、调节阀13和开关阀14；输气管道10一端连接储存氯气或氟利昂气体的储气瓶8，另一端连接石墨纯化炉的炉体15。开关阀14用于打开或关闭输气管道10，调节阀13可以根据计算结果自动调节阀13门开度，温度传感器11、压力传感器12显示输气管道10温度和压力。

炉体安全控制系统包含设置在石墨纯化炉的炉体15周围的若干浓度传感器4。

温度传感器11、压力传感器12、浓度传感器4以及称重模块9能够分别向PLC输入信号；储气瓶8开关、调节阀13、开关阀14、喷淋水装置、氯气回收装置7、轴流风机5、百叶窗6和电动门3分别接受PLC输出的信号控制。本发明采用西门子PLC系统。

称重模块9包含重量传感器和校验装置。重量传感器称重储气瓶8和气体总重量，经过校验装置校验后，将准确的重量值输入PLC。

气体存储室内的浓度传感器4在探测到设定的气体浓度值后能够向PLC发送报警信号，然后该PLC输出信号，控制储气瓶8开关、百叶窗6、电动门3和开关阀14关闭，轴流风机5、氯气回收装置7和喷淋水装置开启。在发生泄漏的事故时，储气瓶8的开关关闭，防止进一步泄露。电动门3将自动放下，隔离两间气体存储室以及和外界，自动关闭百叶窗6、轴流风机5，同样是为了隔离外界，防止气体泄漏到外部房间中。打开氯气回收装置7和喷淋水装置，回收泄漏氯气和为储气瓶8降温，防止气体从储气瓶8中泄漏时产生的升温连锁反应。同时关闭输气管道10的开关阀14，防止泄漏气体从输气管道10泄漏到外部环境。在泄漏气体回收完全之后，将首先打开轴流风机5和百叶窗6进行通风，之后打开电动门3，作进一步的处理。泄漏事故的判断主要依靠房间四壁上的数个气体浓度传感器4，当探测到大于设定值的浓度时，判断发生泄漏。

PLC接收温度传感器11、压力传感器12和称重模块9输入的信号，然后输出信号控制调节阀13的开度。依靠称重传感器计算气体实际重量，根据压力、温度传感器11监控输气管道10温度、压力，温度和压力主要为标准气态方程的计算提供参数，根据理想气体状态方程，将流量转换为重量改变量。然后调节阀13将根据PLC的PID给定自动调节阀13门开度。操作人员只需将工艺需求的送气量（单位为kg）和送气时间（单位为h）输入系统，系统将会自动计算后进行送气工艺，自动打开开关阀14，给定PID参数给调节阀13，控制送气量。

炉体15周围的浓度传感器4，探测到设定的气体浓度值后能够向PLC输入报警信号。该浓度传感器4的报警信号分为两级，当气体浓度在0至0.6PPM时发出二级报警信号，当气体浓度超过0.6PPM时发出一级报警信号。PPM表示体积浓度，即一百万体积的空气中所含污染物的体积数。二级报警信号输入PLC后，该PLC输出信号控制调节阀13，减少气体输送量。一级报警信号输入PLC后，该PLC输出信号控制开关阀14，关闭气体输送。

本发明提供的用于石墨纯化的自动化气体输送系统，在应用时，首先将从现场各传感器信号接入分布式I/O站的DI、AI卡件上，之后利用PROFIBUS-DP通讯通过ET-200M集中接入CPU，之后经过PLC处理，等到我们需要的数字量、模拟量参数。利用CPU发出信号，通过DO、AO或者继电器等等驱动或者给出信号到现场的电机、阀门等等，达到控制要求。

其中，自动化系统PLC采用西门子STEP 7语言，标准S7-400冗余套件。

报警信号的数据处理过程为：现场的浓度传感器4探测的浓度转为4-20ma电信号，之后进入西门子标准AI卡件，经过西门子PLC处理之后，转化为浓度数字信号，当这一参数超过设定报警值时，经过西门子DI和DO卡件发出开关量信号的报警信息和驱动继电器响电铃。

标准气态方程的转换：根据理想气体状态方程，可以计算出m=pV*M/RT,得出输气管道10此时的实际重量.再处以时间T得出流量1，与设定流量比较，判断流量是否满足需求，之后进行PLC换算为PID参数给定调节阀13，调节流量，PID转换为西门子标准气体输送模块。

主要设定参数如下：

1.传感器信号500ms扫描一次。

2.重量传感器信号每2s进行一次平均值计算，之后阻尼滤波，滤波深度5~35。

3.动作信号反馈：电机6s，阀门15s。

4.调节阀13的PID设定：P值20~60，I值5000~25000，误差精度3%到12%。

5.报警信号响应时间1s。 

本发明提供的用于石墨纯化的自动化气体输送系统，是一种标准化自动化系统，根据现场实际情况，自动调节送气量，同时在出现泄漏事故时能够进行自动切断和处理，安全性高，稳定可靠。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种用于石墨纯化的自动化气体输送系统，通过可编程逻辑控制器进行控制，其特征在于，该自动化气体输送系统包含气体存储控制系统、气体输送控制系统以及炉体安全控制系统；

所述的气体存储控制系统包含气体存储室，所述的气体存储室分为氯气室（1）和氟利昂气体室（2），室内分别设有储存氯气或氟利昂气体的若干储气瓶（8），每个储气瓶上均设有开关以及称重模块（9）和喷淋水装置；

所述的气体存储室均设有电动门（3），室内分别设有若干浓度传感器（4），所述的氯气室（1）的室壁处还设有轴流风机（5）、百叶窗（6）和氯气回收装置（7）；

所述的气体输送控制系统包含输气管道（10）以及设置在所述输气管道（10）上的温度传感器（11）、压力传感器（12）、调节阀（13）和开关阀（14）；所述的输气管道（10）一端连接所述的储存氯气或氟利昂气体的储气瓶（8），另一端连接石墨纯化炉的炉体（15）；所述的炉体安全控制系统包含设置在石墨纯化炉的炉体（15）周围的若干浓度传感器（4）；所述的炉体周围的浓度传感器，探测到设定的气体浓度值后能够向可编程逻辑控制器输入报警信号；所述的炉体周围的浓度传感器的报警信号分为两级，当气体浓度在0至0.6PPM时发出二级报警信号，当气体浓度超过0.6PPM时发出一级报警信号；所述的二级报警信号输入可编程逻辑控制器后，该可编程逻辑控制器输出信号控制调节阀（13），减少气体输送量；所述的一级报警信号输入可编程逻辑控制器后，该可编程逻辑控制器输出信号控制开关阀（14），关闭气体输送；

所述的温度传感器（11）、压力传感器（12）、浓度传感器（4）以及称重模块（9）能够分别向可编程逻辑控制器输入信号；

所述的储气瓶（8）的开关、调节阀（13）、开关阀（14）、喷淋水装置、氯气回收装置（7）、轴流风机（5）、百叶窗（6）和电动门（3）分别接受可编程逻辑控制器输出的信号控制。

2.如权利要求1所述的用于石墨纯化的自动化气体输送系统，其特征在于，所述的称重模块（9）包含重量传感器和校验装置。

3.如权利要求1所述的用于石墨纯化的自动化气体输送系统，其特征在于，所述的气体存储室内的浓度传感器（4）在探测到设定的气体浓度值后能够向可编程逻辑控制器发送报警信号，然后该可编程逻辑控制器输出信号，控制储气瓶（8）的开关、百叶窗（6）、电动门（3）和开关阀（14）关闭，轴流风机（5）、氯气回收装置（7）和喷淋水装置开启。

4.如权利要求1所述的用于石墨纯化的自动化气体输送系统，其特征在于，所述的可编程逻辑控制器接收温度传感器（11）、压力传感器（12）和称重模块（9）输入的信号，然后输出信号控制所述调节阀（13）的开度。