CN105912057B - 一种气体自动控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体自动控制系统及其控制方法，包括单向止回阀、质量流量计、三向阀、排气阀、电阻加热丝、热电偶、温度模块、第一气体压力传感器、第二气体压力传感器、PLC控制模块、电源模块；本发明对气路管道进行了合理的设计，对气体的压力及质量流量可以达到非常高的精度控制，并且可以对气体进行加热；同时本气体控制管道集成了多种功能，使得采集的数据不但可以上传到电脑，还可以提供给多种设备进行分析使用，提高数据的利用率，设计简单，适合推广使用。

Description

一种气体自动控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于气体自动控制设备技术领域，具体指一种气体自动控制系统及控制方法。

背景技术

气体压力及质量流量控制在工业生产及实验应用中是非常重要的一个工作，如何准确的控制气体的压力及质量流量对于工业成产有着至关重要的影响，现有的气体自动控制管道，通过输入样品气体，通过调压器设置定值进行调压，对气体流速是通过阀门的阈值大小来设置定值使其进入到容器中，根据实际需求，决定是否需要进行加热。

由于大多数执行机构都是固定值或手动进行调控，电脑软件无法控制执行机构对压强及质量流量变量进行PID反馈调节，导致在控制大规模的气体管路时，增加了巨大的工作量，人工成本增加。除此之外，现有的气体控制管道，气路管道的设计十分不合理，气体在管道中容易发生流动不畅的问题，气体在管道中流动时间越长，气体温度值会越接近室温，减少气体的热量损失，需要合理的对气路管道进行设计。提高气体控制的自动化程度，这是目前急需要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种气体自动控制管道，对气路管道进行了合理的设计，提高气体在流动时的流速控制，减少气体在管道中的热量损失，提高气体对压强的控制；同时本气体自动控制管道集成了多种功能，使得采集的数据不但可以通过上位机HMI监控，还可以对压强、温度、质量流量三个变量进行实时修改，提高数据的利用率，设计简单，适合推广使用。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种气体自动控制管道，包括单向止回阀、质量流量计、三向阀、排气阀、电阻加热丝、热电偶、温度模块、第一气体压力传感器、第二气体压力传感器、PLC控制模块、电源模块；

所述单向止回阀的一端连接进气口1，所述单向止回阀的另一端连接第一气体压力传感器输入端，所述第一气体压力传感器的一个输出端连接质量流量计输入端，所述质量流量计的输出端连接三向阀的一端，所述三向阀连气体容器；

所述三向阀的另一输入端连接进气口2；

所述电阻加热丝安装在三向阀与容器的输送气体管道外壁上，热电偶安装输送气体管道的内壁上；

所述排气阀的输入端连接容器，所述排气阀的输出端连接第二气体压力传感器的一个输入端，所述第二气体压力传感器的输出端连接排气口；

样品气体有进气口1通过单向止回阀后，然后进入第一气体压力传感器，第一气体压力传感器控制样品气体的压强大小，样品气体进入到质量流量计中，控制样品气体的质量和流速大小；

气体在经过三向阀后根据实际需求，确定是否需要电阻加热丝进行加热；气体在容器中进行反应完全后，变成尾气或者废气通过排气阀输出，连接到第二气体压力传感器，通过第二气体压力传感器控制废气的输出快慢；

三向阀的进气口2输入不与前述样品气体反应的惰性气体，惰性气体可以起到缓冲、清洗管道及容器的作用。

所述PLC控制中的模块数字量输入/输出和模拟量输入/输出模块、通讯模块通过Modbus数据连接线分别与电磁阀、质量流量计、压力传感器、热电偶、温度模块、上位机HMI还与电源模块相连。PLC控制模块采集热电偶、质量流量计、压力传感器的数据，然后进行集中处理。

所述上位机HMI可以与PLC进行数据交换，通过HMI对数据进行实时监控和读写操作。

作为本发明的进一步优化方案，还包括三向阀在同时打开阀门进气口1与进气口2所输入气体不能进行反应。

作为本发明的进一步优化方案，还包括显示屏，还包括上位机HMI，所述上位机HMI与PLC相连，可以直接对数据进行监控和读写操作。

作为本发明的进一步优化方案，还包括Modbus数据连接线，所述Modbus数据连接线连接数据采集器和PLC。

作为本发明的进一步优化方案，还包括温度模块，所述热电偶与温度模块相连。

作为本发明的进一步优化方案，还包括电源模块，所述电源模块与PLC相连。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明对气路管道进行了合理的设计，对气体的压力及质量流量可以达到非常高的精度控制，并且可以对气体进行加热；同时本气体控制管道集成了多种功能，使得采集的数据不但可以上传到电脑，还可以提供给多种设备进行分析使用，提高数据的利用率，设计简单，适合推广使用。

附图说明

图1：本发明的连接结构示意图。

具体实施方式：

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

单向止回阀型号采用世伟洛克提升单向阀(工作压力最大达413bar，工作温度为-53℃至482℃)、质量流量计型号采用布鲁克斯EL-FLOW Base F-201CB(工作压力0-10bar，最小流速0-10mln/min，最大流速0-20ln/min)、三向阀型号采用世伟洛克高纯波纹管多空阀6LV-BNA111-C(常闭，工作最高温度93℃，最大压力可达8.6bar)、排气阀型号采用世伟洛克阀组SS-4BK-V51-1C(常闭型)、电阻加热丝(功率0-1000W可调)、热电偶采用1级精度的T型热电偶(-40℃-125℃，精度为0.5℃)、温度模块采用西门子公司的6ES7 331-7NF10-0AB0(模拟量输入模块，支持热电偶测量)、第一气体压力传感器和第二气体压力传感器型号均采用MKS公司的722B13TCE(最大工作压力为1000mmHg)、PLC控制模块采用西门子S7-315PLC、电源模块型号采用西门子SITOP电源(交流120/230V)；

所述单向止回阀(型号提升单向阀)的一端连接进气口1，所述单向止回阀(型号提升单向阀)的另一端连接第一气体压力传感器(型号722B13TCE)输入端，所述第一气体压力传感器(型号722B13TCE)的一个输出端连接质量流量计(型号F-201CB)的输入端，所述质量流量计(型号F-201CB)的另一个输出端连接三向阀(型号6LV-BNA111-C)的一端，所述三向阀(型号6LV-BNA111-C)的一端连接反应容器；

所述三向阀(型号6LV-BNA111-C)的另一输入端连接进气口2；

所述电阻加热丝安装在三向阀(型号6LV-BNA111-C)与容器之间的输气管道外壁上，所述热电偶(1级精度T型热电偶)安装在与热电阻丝对应位置管道内壁上；

所述排气阀(型号SS-4BK-V51-1C)的输入端连接反应容器，所述排气阀(型号SS-4BK-V51-1C)的输出端连接第二气体压力传感器(型号722B13TCE)的一个输入端，所述第二气体压力传感器(型号722B13TCE)的输出端连接出气口；

样品气体通过单向止回阀(型号提升单向阀)后，然后进入第一气体压力传感器(型号722B13TCE)，第一气体压力传感器(型号722B13TCE)控制样品气体的压强大小，样品气体进入到质量流量计(型号F-201CB)中，质量流量计(型号F-201CB)控制样品气体的质量和流速大小；

经过电阻加热丝后的气体进去到反应容器中，在容器中进行反应完全后，尾气或者废气通过排气阀(型号SS-4BK-V51-1C)输出，连接到第二气体压力传感器(型号722B13TCE)控制废气的输出快慢；

三向阀(型号6LV-BNA111-C)的进气口2输入不与前述样品气体反应的惰性气体，惰性气体可以起到缓冲、清洗管道及容器的作用。

样品气体在单向止回阀(型号提升单向阀)的作用下，只能进行单向输送，防止当气体管道内部压力大于样品气体进入管道之前的压力，造成气体的反向输出。单向止回阀(型号提升单向阀)只有开和关两种方式，用电平的高低来控制，其中“1”表示高电平，阀门开；“0”表示低电平，阀门关。此开关量通过PLC的数字输入/输出模块来控制。

样品气体进入第一气体压力传感器(型号722B13TCE)，压力值经过模数转换，通过数据线传入到PLC模拟量输入/输出控制模块中。此处根据压力传感器仪表的通讯方式，来选择最合适的通讯模式。包括常见的Modbus协议、Profibus、模拟量输入输出等方式。所述气体自动控制管道采用Modbus协议，对数据进行传输发送。压力单位为mbar或torr。

样品气体进入质量流量计(型号F-201CB)，质量流量值经过模数转换，通过数据线传入到PLC模拟量输入/输出控制模块中。此处根据质量流量传感器仪表的通讯方式，来选择最合适的通讯模式。包括常见的Modbus协议、Profibus、模拟量输入输出等方式。所述气体自动控制管道采用Modbus协议，对数据进行传输发送。质量流量单位为sccm。

在管道上还有一个三向阀(型号6LV-BNA111-C)，是用来切换进入反应容器的气体种类的(样品气体，惰性气体，这两种气体的切换，可以同时打开三向阀门，同时输入两种气体。惰性气体可以对反应容器和管道进行清洗及缓冲保护作用)，三向阀同样是由PLC的数字量输入/输出模块对电平的高低“1”、“0”进行开关控制。

在管道上电阻加热丝(功率0-1000W可调)，在某些反应的特殊要求里，需要气体在合适的温度进入到反应容器中，气体管道过长，热量会在传输过程中损失，降低气体温度。在气体进入反应容器前，可对气体进行适当加热。

气体自动控制管道内壁上还安装有热电偶(1级T型热电偶)，热电偶测试管道中的温度，在对采集数据传输给温度模块(型号6ES7 331-7NF10-0AB0)进行模数转换后，发送给PLC，再由PLC进行计算后反馈到控制器，对温度进行PID控制。

在样品气进入反应完成后，尾气或废气通过排气阀输出。为满足反应容器内部压强大小的条件，排气阀后接第二气体压力传感器(型号722B13TCE)对反应容器内部进行压力测量。排气阀的控制方式，同样是由PLC的数字量输入/输出模块对电平的高低“1”、“0”进行开关控制。第二气体压力传感器控制方式同第一气体压力传感器的控制方式。

PLC与上位机HMI连接，设置好与PLC的通讯方式，并编写好上位机程序，这样就能对气体自动控制管道的各个变量进行实时监控和读写。上位机可以对数据进行分析，进行报警、历史记录以及趋势图绘制。并且可以远程对气体管道进行控制。

电源模块(SITOP电源)为工业电源，与PLC相连，为用户提供电源整体解决方案，兼备可靠性，耐用性和可扩用性。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种气体自动控制系统，包括单向止回阀、质量流量计、三向阀、排气阀、电阻加热丝、热电偶、温度模块、第一气体压力传感器、第二气体压力传感器、PLC控制模块、通讯模块、电源模块；其特征在于：

所述单向止回阀的一端连接进气口1，所述单向止回阀的另一端连接第一气体压力传感器输入端，所述第一气体压力传感器的一个输出端连接质量流量计的输入端，所述质量流量计的另一个输出端连接三向阀的输入端，所述三向阀输出端连接容器；所述三向阀的另一输入端连接进气口2；所述三向阀输出端连接容器；所述电阻加热丝安装在三向阀与容器输送气体管路外壁上；所述热电偶安装在与电阻加热丝对应位置管道内壁上；所述排气阀的输入端连接容器，输出端连接第二气体压力传感器的一个输入端；所述第二气体压力传感器的输出端连接气体排气口；

所述PLC控制中的模块数字量输入/输出和模拟量输入/输出模块、通讯模块通过Modbus数据连接线分别与电磁阀、质量流量计、压力传感器、热电偶、温度模块、上位机HMI还与电源模块相连。

2.一种基于权利要求1所述的气体自动控制系统的气体自动控制方法，其特征在于方法如下：

样品气体由进气口1通过单向止回阀后，然后进入第一气体压力传感器，第一气体压力传感器测量并控制气体真空度，再进入质量流量计，通过质量流量计来控制气体的质量流量，再通过三向阀门进入到容器中，三向阀的另一输入端接进气口2，作为其他气体的输气口；

气体在通过三向阀后经安装在输气管道外壁上的电阻加热丝加热后，气体进入容器中，温度依据反应条件进行设定，温度通过安装在与电阻加热丝对应位置管道内壁上热电偶进行测量，通过PLC及温度模块可以进行PID控制；所述温度模块采集热电偶获得的数据，然后发送到控制模块，再由控制模块将数据进行数模转换器处理后反馈到电阻加热丝，完成PID调节。