CN114688450A - 一种迪瓦瓶液氮自动灌装控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于氮气控制系统，具体涉及一种迪瓦瓶液氮自动灌装控制系统及控制方法，系统包括主电磁阀、次电磁阀、泄压电磁阀、液位传感器、压力传感器以及DCS系统；方法中，首先液位传感器对迪瓦瓶内液位进行实时测量，液位信号送入DCS系统，液位到达低限时，打开液位传感器对应的次电磁阀对迪瓦瓶进行灌装，到达高限时，对应的次电磁阀断电关闭，停止液氮灌装；压力传感器对液氮瓶内压力进行实时测量，压力信号送入DCS系统，压力到达安全高限时，打开泄压电磁阀对液氮瓶进行泄压，并电磁阀状态进行实时监控。本方法及系统可以有效减少人力需求，提高迪瓦瓶冷冻维护质量。

Description

一种迪瓦瓶液氮自动灌装控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于氮气控制系统，具体涉及一种迪瓦瓶液氮自动灌装控制系统及控制方法。
背景技术
迪瓦瓶是一种常见的制冷收料设备，如图1所示，其工作原理是使用-196℃的液态氮加入保温迪瓦瓶中，由液体挥发至气体过程中吸收热量来使容器内物料温度下降，从而使物料冷凝至容器底部及容器壁，在容器壁中形成低压区，使物料源源不断的流向容器，达到收料目的。
在这一过程中，操作人员将需要冷冻的容器放入迪瓦瓶中，液氮瓶通过输液管对迪瓦瓶加入液氮，使容器部分沉浸在液氮中，达到同液氮相同的低温。容器本身随液氮液面的距离远近温度有所变化，所以要求液氮的液面维持在容器1/3～2/3的高度之间，过高，会使容器入口处温度降低，引起通过工作物质冷凝；过低，会使为容器上部温度达不到相应低温，影响工作物质收取。投入和维护冷冻的过程全程需要工艺人员手动操作，且受工艺人员操作的影响较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种迪瓦瓶液氮自动灌装控制方法，解决在迪瓦瓶工作时，投入和维护冷冻的过程全程需要工艺人员手动操作的问题，可以有效减少人力需求，提高迪瓦瓶冷冻维护质量。
本发明的技术方案如下：
一种迪瓦瓶液氮自动灌装控制系统，包括主电磁阀、次电磁阀、泄压电磁阀、液位传感器、压力传感器以及DCS系统；
主电磁阀安装在液氮瓶与迪瓦瓶之间的输液管线上，用以切断输液管线中的液氮供应；
次电磁阀安装在迪瓦瓶入口管线处，通过开关控制单个迪瓦瓶的液氮充填；
泄压电磁阀安装在液氮瓶出口处，当液氮瓶内压力到达安全高限时，打开进行泄压；
液位传感器安装在迪瓦瓶内部，对迪瓦瓶内液位进行实时测量；
压力传感器安装在液氮瓶内部，对液氮瓶内压力进行实时测量。
所述的DCS系统包括AI模块、DI模块、DO模块和控制器；
所述的AI模块与压力传感器和液位传感器的输出端分别连接相连，并向控制器发送压力信号与液位信号；
所述的DI模块与主电磁阀、次电磁阀和泄压电磁阀相连，并向控制器发送三种阀门的阀位信号；
所述的DO模块与控制器的输出端连接，并向主电磁阀、次电磁阀和泄压电磁阀发送打开信号或关闭信号。
所述的液位传感器安装在迪瓦瓶内，对迪瓦瓶内液位进行实时测量，其液位测量信号通过AI模块送入DCS系统连接的监控计算机，与设定的液位进行比较。
所述的压力传感器安装在液氮瓶内，对液氮瓶内压力进行实时测量，其测量的压力信号通过AI模块送入DCS系统连接的监控计算机，与设定安全限制进行比较。
所述的控制器由一对冗余控制器模块和一个基座构成。控制器模块型号为FCU711-S，配套基座型号为MB712-S，所述的基座作为控制器与其他部件的连接接口，具备供电、连接I/O总线、连接SCnet网络、连接时钟同步秒脉冲信号功能，并可设置控制器过程控制网网络地址。
所述的AI模块，其型号AI711-S，为8通道的多量程电压/电流信号输入模块。可测量0～5V范围内的电压信号和0～20mA范围内的电流信号。
所述的DI模块，其型号为DI711-S，为24V数字信号输入模块，能够采集16路多种类型的数字信号。
所述的DO模块，其型号DO711-S，为16通道晶体管输出型数字信号输出模块，具有单触发脉宽输出功能，组态时设定的时间范围输出为0.01秒～60秒的单脉冲。
所述的液位传感器，为静压投入式液位变送器。
所述的主电磁阀、次电磁阀、泄压电磁阀均是低温电磁阀。
一种迪瓦瓶液氮自动灌装控制方法，基于所述的一种迪瓦瓶液氮自动灌装控制系统，包括如下步骤：
液位传感器对迪瓦瓶内液位进行实时测量，其液位测量信号送入DCS系统，并与设定液位进行比较；当液位到达低限时，控制DO模块发出打开信号，打开液位传感器对应的次电磁阀对迪瓦瓶进行灌装；当液位到达高限时，关断DO模块，使液位传感器对应的次电磁阀断电关闭，停止液氮灌装；
压力传感器对液氮瓶内压力进行实时测量，其测量的压力信号送入DCS系统，并与设定安全限制进行比较；当液氮瓶内压力到达安全高限时，控制DO模块发出打开信号，打开压力传感器对应的泄压电磁阀对液氮瓶进行泄压；主电磁阀、次电磁阀和泄压电磁阀的阀位信号通过DI模块送入DCS系统，对电磁阀状态进行实时监控。
本发明的显著效果如下：迪瓦瓶液氮自动灌装控制系统，有效的解决了在迪瓦瓶工作时，投入和维护冷冻的过程全程需要工艺人员手动操作，占用了较多人力，且冷冻维持情况受工艺人员操作的影响较大的问题，可以有效减少人力需求，提高迪瓦瓶冷冻维护质量。
附图说明
图1为现有的迪瓦瓶输送物料的原理图；
图2为一种迪瓦瓶液氮自动灌装控制系统示意图；
图3为三个迪瓦瓶和一个液氮容器，以及DCS系统连接示意图；
图中：1.液氮瓶；2.输液管；3.迪瓦瓶；4.容器。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
现有的迪瓦瓶输送物料的原理如图1所示，迪瓦瓶3通过输液管2与液氮瓶1连接，向安装在迪瓦瓶3内部的容器4周围输送液氮。液体挥发至气体过程中吸收热量，因此容器4内的物料温度会下降，从而使物料冷凝至容器4的底部及侧壁上，在容器4中形成低压区，使物料源源不断的流向容器，达到收料目的。
在这一过程中，操作人员将需要冷冻的容器4放入迪瓦瓶3中，液氮瓶1通过输液管2对迪瓦瓶3加入液氮，使容器部分沉浸在液氮中，达到同液氮相同的低温。
本发明的方案包括迪瓦瓶液氮自动灌装控制系统及控制方法
如图2所示，迪瓦瓶液氮自动灌装控制系统包括主电磁阀、次电磁阀、泄压电磁阀、液位传感器、压力传感器以及DCS系统。
主电磁阀安装在液氮瓶与迪瓦瓶之间的输液管线上，用以切断输液管线中的液氮供应；
次电磁阀安装在迪瓦瓶入口管线处，通过开关控制单个迪瓦瓶的液氮充填；泄压电磁阀安装在液氮瓶出口处，当液氮瓶内压力到达安全高限时，打开进行泄压；
液位传感器安装在迪瓦瓶内部，对迪瓦瓶内液位进行实时测量；
压力传感器安装在液氮瓶内部，对液氮瓶内压力进行实时测量。
DCS系统结构如图3所示，其中AI模块与压力传感器和液位传感器相连，向控制器发送压力信号与液位信号；
DI模块与主电磁阀、次电磁阀和泄压电磁阀相连，向控制器发送三种阀门的阀位信号；
DO模块与控制器的输出端连接，向主电磁阀、次电磁阀和泄压电磁阀发送打开信号或关闭信号。
其中液位传感器安装在迪瓦瓶内，对迪瓦瓶内液位进行实时测量，其液位测量信号通过AI模块送入DCS系统连接的监控计算机，与设定的液位进行比较。当液位到达低限时，控制器通过DO模块发出打开信号，打开液位传感器对应的次电磁阀对迪瓦瓶进行灌装。当液位到达高限时，控制软件通过联锁程序关断DO模块使液位传感器对应的次电磁阀断电关闭，停止液氮灌装。
压力传感器安装在液氮瓶内，对液氮瓶内压力进行实时测量，其测量的压力信号通过AI模块送入DCS系统连接的监控计算机，当液氮瓶内压力到达安全高限时，控制软件通过DO模块发出打开信号，打开压力传感器对应的电磁阀对液氮瓶进行泄压。主、次电磁阀和泄压电磁阀阀位信号通过DI模块送入DCS系统连接的监控计算机，对电磁阀状态进行实时监控。
该系统整体能够实现以下功能：
监控：实时监控迪瓦瓶内液氮液位的高低、液氮瓶压力及电磁阀阀位状态。
启动：分为自动启动和手动启动，自动启动通过SCnet网络读取迪瓦瓶液位信号来判断是否打开或关闭电磁阀进行灌装液氮。
报警：当液位超过高、低限阀值，发出声光报警。在自动状态下并对电磁阀进行相应的控制。
保护：当液氮容器内压力超过高限时可以通过泄压电磁阀对液氮瓶自动泄压，以防止液氮瓶内压力高带来的安全隐患。
以三个迪瓦瓶和一个液氮容器为例，如图3所示，其中液位传感器、压力传感器和阀位传感器、为现场一次仪表，其信号送至现场PS柜内AI模块和DI模块进行信号采集，AI模块和DI模块将采集的参数又通过E-BUS网络传送至PS柜内控制器，控制器通过Scnat网络传送至计算机进行计算与存储。计算机通过参数采集和计算，运行相应的程序由计算机发出与之对应的控制信号给控制器，控制器又通过DO模块控制对应的继电器，以至于达到控制对应电磁阀的开或关。
上述系统中的控制器由一对冗余控制器模块和一个基座构成。控制器模块型号为FCU711-S，配套基座型号为MB712-S。控制器上设有掉电保护电池，面板上设有状态指示灯。基座作为控制器与其他部件的连接接口，具备供电、连接I/O总线、连接SCnet网络、连接时钟同步秒脉冲信号等功能，并可设置控制器过程控制网网络地址。基座上提供了8盏网络连接状态指示灯，指示过程控制网、扩展I/O总线的连接状态。
上述系统中的AI模块，其型号AI711-S，为8通道的多量程电压/电流信号输入模块。可测量(0～5)V范围内的电压信号和(0～20)mA范围内的电流信号，并具备自由量程功能，可根据量程设置自动调整测量范围，实现高精度测量。模块可按1:1冗余配置使用。
上述系统中的DI模块，其型号为DI711-S，为24V数字信号输入模块，能够采集16路多种类型的数字信号。模块可按1:1冗余配置使用；
上述系统中的DO模块，其型号DO711-S，为16通道晶体管输出型数字信号输出模块，可直接或通过配套继电器端子板驱动电动控制装置，模块具有单触发脉宽输出功能，可以根据组态时设定的时间范围输出从0.01秒～60秒的单脉冲。模块可按1:1冗余配置使用。
上述系统中的液位传感器，为静压投入式液位变送器。适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。4～20mA、0～5V、0～10mA等标准信号输出方式由用户根据需要任选。投入式液位变送器利用流体静力学原理测量液位，是压力传感器的一项重要应用。采用特种的中间带有通气导管的电缆及专门的密封技术，既保证了传感器的水密性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。
上述系统中的主电磁阀、次电磁阀、泄压电磁阀均是低温电磁阀，低温电磁阀具有结构简单，故障少，维修方便，寿命长的特点。阀芯由特种不锈钢制成，耐磨性好，密封件采用特种耐低温材料可在-200℃的环境下稳定工作，由交流220V电源供电，用于接通或切断液氮在管道中的流通，并配有开关量阀位反馈信号。
迪瓦瓶液氮自动灌装控制系统运行一段时间后，统计发现在无需任何人工的情况下，迪瓦瓶液氮液位始终处于1/3～2/3之间。

Claims (11)

1.一种迪瓦瓶液氮自动灌装控制系统，其特征在于：包括主电磁阀、次电磁阀、泄压电磁阀、液位传感器、压力传感器以及DCS系统；
主电磁阀安装在液氮瓶与迪瓦瓶之间的输液管线上，用以切断输液管线中的液氮供应；
次电磁阀安装在迪瓦瓶入口管线处，通过开关控制单个迪瓦瓶的液氮充填；
泄压电磁阀安装在液氮瓶出口处，当液氮瓶内压力到达安全高限时，打开进行泄压；
液位传感器安装在迪瓦瓶内部，对迪瓦瓶内液位进行实时测量；
压力传感器安装在液氮瓶内部，对液氮瓶内压力进行实时测量。
2.如权利要求1所述的一种迪瓦瓶液氮自动灌装控制系统，其特征在于：所述的DCS系统包括AI模块、DI模块、DO模块和控制器；
所述的AI模块与压力传感器和液位传感器的输出端分别连接相连，并向控制器发送压力信号与液位信号；
所述的DI模块与主电磁阀、次电磁阀和泄压电磁阀相连，并向控制器发送三种阀门的阀位信号；
所述的DO模块与控制器的输出端连接，并向主电磁阀、次电磁阀和泄压电磁阀发送打开信号或关闭信号。
3.如权利要求2所述的一种迪瓦瓶液氮自动灌装控制系统，其特征在于：所述的液位传感器安装在迪瓦瓶内，对迪瓦瓶内液位进行实时测量，其液位测量信号通过AI模块送入DCS系统连接的监控计算机，与设定的液位进行比较。
4.如权利要求2所述的一种迪瓦瓶液氮自动灌装控制系统，其特征在于：所述的压力传感器安装在液氮瓶内，对液氮瓶内压力进行实时测量，其测量的压力信号通过AI模块送入DCS系统连接的监控计算机，与设定安全限制进行比较。
5.如权利要求2所述的一种迪瓦瓶液氮自动灌装控制系统，其特征在于：所述的控制器由一对冗余控制器模块和一个基座构成。控制器模块型号为FCU711-S，配套基座型号为MB712-S，所述的基座作为控制器与其他部件的连接接口，具备供电、连接I/O总线、连接SCnet网络、连接时钟同步秒脉冲信号功能，并可设置控制器过程控制网网络地址。
6.如权利要求2所述的一种迪瓦瓶液氮自动灌装控制系统，其特征在于：所述的AI模块，其型号AI711-S，为8通道的多量程电压/电流信号输入模块。可测量0～5V范围内的电压信号和0～20mA范围内的电流信号。
7.如权利要求2所述的一种迪瓦瓶液氮自动灌装控制系统，其特征在于：所述的DI模块，其型号为DI711-S，为24V数字信号输入模块，能够采集16路多种类型的数字信号。
8.如权利要求2所述的一种迪瓦瓶液氮自动灌装控制系统，其特征在于：所述的DO模块，其型号DO711-S，为16通道晶体管输出型数字信号输出模块，具有单触发脉宽输出功能，组态时设定的时间范围输出为0.01秒～60秒的单脉冲。
9.如权利要求2所述的一种迪瓦瓶液氮自动灌装控制系统，其特征在于：所述的液位传感器，为静压投入式液位变送器。
10.如权利要求2所述的一种迪瓦瓶液氮自动灌装控制系统，其特征在于：所述的主电磁阀、次电磁阀、泄压电磁阀均是低温电磁阀。
11.一种迪瓦瓶液氮自动灌装控制方法，其特征在于，基于所述的一种迪瓦瓶液氮自动灌装控制系统，包括如下步骤：
液位传感器对迪瓦瓶内液位进行实时测量，其液位测量信号送入DCS系统，并与设定液位进行比较；当液位到达低限时，控制DO模块发出打开信号，打开液位传感器对应的次电磁阀对迪瓦瓶进行灌装；当液位到达高限时，关断DO模块，使液位传感器对应的次电磁阀断电关闭，停止液氮灌装；
压力传感器对液氮瓶内压力进行实时测量，其测量的压力信号送入DCS系统，并与设定安全限制进行比较；当液氮瓶内压力到达安全高限时，控制DO模块发出打开信号，打开压力传感器对应的泄压电磁阀对液氮瓶进行泄压；主电磁阀、次电磁阀和泄压电磁阀的阀位信号通过DI模块送入DCS系统，对电磁阀状态进行实时监控。
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