CN205540337U - 一种纳米铁粉分解炉级联温度控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于热处理与温度控制技术领域，具体的说是一种纳米铁粉分解炉级联温度控制系统。该系统包括分解炉、测温热电偶、加热器、可编程温度调节器、可控硅功率控制器、变压器、冷凝器和基本控制回路；所述的分解炉有第一、二控制单元；所述的测温热电偶设置在分解炉中；所述的测温热电偶与可编程温度调节器的一端连接，可编程温度调节器的另一端依次与控制器、变压器和加热器连接，可编程温度调节器的再一端与基本控制回路连接，所述的冷凝器设置在分解炉上。本实用新型是一种能够实现纳米铁粉分解炉多段温度区的协调控制，分解炉控温精度达到工作要求，提高了纳米铁粉分解炉的热处理质量，提高生产效率的纳米铁粉分解炉级联温度控制系统。
Description
技术领域
本实用新型属于热处理与温度控制技术领域，具体的说是一种纳米铁粉分解炉级联温度控制系统。
背景技术
热解羰基铁制备纳米铁粉的基本原理为：对羰基铁进行加热使羰基铁受热分解为纳米铁粉，并随着反应的进行，分解反应生成的铁粉逐渐成核长大，最终得到纳米金属铁微粒。在整个分解过程中，分解温度是影响纳米颗粒形貌与粒度的重要因素。纳米铁粉分解炉按工艺要求由多个不同的温度区级联而成。国内一种纳米铁粉分解炉级联温度控制系统大多采用的是各区域分体控制器，不能协调控制,导致最终只能手动控制各区域温度给定，很难取得理想的温度控制精度。
发明内容
本实用新型提供了一种能够实现纳米铁粉分解炉多段温度区的协调控制，提高分解炉热处理质量，最终能获得理想的温度控制精度纳米铁粉分解炉级联温度控制系统，解决了现有纳米铁粉分解炉级联温度控制系统的上述不足。
本实用新型技术方案结合附图说明如下：
一种纳米铁粉分解炉级联温度控制系统，该系统包括分解炉100、测温热电偶200、加热器300、可编程温度调节器400、可控硅功率控制器500、变压器600、冷凝器700和基本控制回路800；其中所述的分解炉100按工艺要求分为一、二、三、四段101、102、103、104级联，所述的一、二段101、102作为第一控制单元，三、四段103、104作为第二控制单元；所述的测温热电偶200包括测量并收集第一控制单元实时温度的第一测温热电偶201和测量并收集第二控制单元实时温度的第二测温热电偶202，所述的第一测温热电偶201设置在第一控制单元内，所述的第二测温热电偶202设置在第二控制单元内；所述的第一测温热电偶201与第二测温热电偶202与可编程温度调节器400的一端连接，可编程温度调节器400的另一端依次与控制器500、变压器600和加热器300连接，可编程温度调节器400的再一端与基本控制回路800连接，所述加热器300设置在分解炉100炉壁上，所述冷凝器700设置在分解炉100下端，为后一级反应机构。
所述的加热器300包括第一加热器301、第二加热器302、第三加热器303和第四加热器304。
所述的可控硅功率控制器500包括第一可控硅功率控制器501和第二可控硅功率控制器502。
所述的变压器600包括用来调节第一控制单元的第一控制单元变压器601和用来调节第二控制单元的第二控制单元变压器602，所述的第一可控硅功率控制器501与第一控制单元变压器601连接，所述的第二可控硅功率控制器502与第二控制单元变压器602连接。
所述的可编程温度调节器400和可控硅功率控制器500均设置在控制柜内。
所述的可编程温度调节器400为双通道PID控制器。
所述的基本控制回路800包括PID1、PID2、第一控制单元模型、第二控制单元模型与级联运算模型；其中所述的第一控制单元模型一端与PID1相连接，另一端与级联运算模型相连接，所述的级联运算模型另一端与PID2相连接，通过级联运算模型将第一控制单元与第二控制单元温度进行级联，所述的第二控制单元模型与PID2相连接，另一端为第二控制单元温度输出信号。
本实用新型的有益效果为：
1、本实用新型能够实现纳米铁粉分解炉多段温度区的协调控制，解决分解炉控温波动大的问题，分解炉第一控制单元与第二控制单元控温精度达到工作要求，提高了纳米铁粉分解炉的热处理质量，避免电能的大量损失，提高生产效率，即低功耗、高效率的特点。
2、在常规各温区分体PID控制基础上，利用数学模型实现纳米铁粉分解炉第一控制单元与第二控制单元PID运算的级联运算，并采用级联控制实现分解炉第一控制单元与第二控制单元温度的协调控制，达到精确控温的设计要求。
附图说明
图1为本实用新型中可编程温度调节器参数调节流程图；
图2为本实用新型结构示意图；
图3为本实用新型中数学运算模型的示意图；
图4为本实用新型中基本控制回路示意图。
具体实施方式
实施例
参阅图2，一种纳米铁粉分解炉级联温度控制系统，该系统包括分解炉100、测温热电偶200、加热器300、可控硅功率控制器500和可编程温度调节器400；其中所述的分解炉100按工艺要求分为一、二、三、四段101、102、103、104级联，所述的一、二段101、102作为第一控制单元，第一控制单元理想温度为400℃，三、四段103、104作为第二控制单元，第二控制单元理想温度为350℃；所述的测温热电偶200包括第一测温热电偶201和第二测温热电偶202，第一测温热电偶201设置于分解炉100的第一控制单元内，用于测量和收集第一控制单元的实时温度；第二测温热电偶202设置于分解炉100的第二控制单元内，用于测量和收集第二控制单元的实时温度。所述的第一测温热电偶201和第二测温热电偶202的信号分别接入可编程温度调节器400的一端，所述的可编程温度调节器400的另一端与可控硅功率控制器500连接，所述的可控硅功率控制器500经变压器600与加热器300连接；所述加热器300设置在分解炉100炉壁上，所述冷凝器700设置在分解炉100下端，为后一级反应机构。
所述的可控硅功率控制器500包括第一可控硅功率控制器501和第二可控硅功率控制器502。
所述的加热器300包括第一加热器301、第二加热器302、第三加热器303和第四加热器304。
所述的变压器600包括第一控制单元变压器601和第二控制单元变压器602，其中第一控制单元变压器601用来调节第一控制单元，即分解炉100的一、二段温区加热器301与302的输入电压、加热功率；第二控制单元变压器602用来调节第二控制单元，即分解炉100的三、四段的输入电压、加热功率。
所述的可编程温度调节器400和可控硅功率控制器500均设置在控制柜内。
所述的测温热电偶200可以选用WRN(波长路由选择节点)系列热电偶，并选取分度号为K的镍铬－镍硅热电偶，测温范围为0至1200℃。
所述的可控硅功率控制器500可选用S7-300。
所述的变压器600可选用DDG(单相干式低压大电流变压器)。
所述的可编程温度调节器400可选用FM355PID模块组成的双通道PID控制器。
参阅图3，双通道PID控制器的两个输入端，通过预先建立的级联温度控制数学运算模型，使纳米铁粉分解炉100内的第一控制单元，即所述分解炉一段温区101与二段温区102中的“PID运算1”与第二控制单元，即所述分解炉三段温区103与四段温区104中的“PID运算2”之间建立运算联系。
“PID运算1”的输入信号为分解炉100内第一控制单元第一测温热电偶201测量值T1、分解炉100内第一控制单元的温度设定值ST1；“PID运算1”输出信号为Y1。
“级联温度控制数学运算模型”的输入信号为ST1、Y1；“级联温度控制数学运算模型”输出信号为纳米铁粉分解炉100第二控制单元温度设定值ST2，级联温度控制数学运算模型采用ST2＝ST1+C*Y1，使分解炉第一控制单元的“PID运算1”与第二控制单元的“PID运算2”之间建立运算联系。
“PID运算2”的输入信号为纳米铁粉分解炉100第二控制单元内的第二测温热电偶202测量值T2、第二控制单元温度设定值即“PID运算1”的输出信号Y1；“PID运算2”的输出信号为Y2。
“PID运算1”的输出信号Y1可以触发第一可控硅功率控制器501，第一可控硅功率控制器501一端连接第一控制单元变压器601，通过第一控制单元变压器601调节分解炉第一控制单元，即一、二段温区第一加热器301和第二加热器302的输入电压、加热功率。
“PID运算2”的输出信号Y2可以触发第二可控硅功率控制器502，第二可控硅功率控制器502一端连接第二控制单元变压器602，通过第二控制单元变压器602调节分解炉第二控制单元，即三、四段温区第三加热器303和第四加热器304的输入电压、加热功率。
参阅图4，可编程温度调节器400另一端与基本控制回路800相连接，所述的基本控制回路800包括PID1、PID2、第一控制单元模型、第二控制单元模型与级联运算模型；其中所述的第一控制单元模型一端与PID1相连接，另一端与级联运算模型相连接，所述的级联运算模型另一端与PID2相连接，通过级联运算模型将第一控制单元与第二控制单元温度进行级联，所述的第二控制单元模型与PID2相连接，另一端为第二控制单元温度输出信号。基本控制回路800用以实现纳米铁粉分解炉100内的第一控制单元，即所述分解炉一段温区101与二段温区102和第二控制单元，即所述分解炉三段温区103与四段温区104的温度之间的级联。其中，Y1为“PID1”的输出信号，ST2为“级联运算模型”的输出信号，ST2与Y1通过数学运算ST2＝ST1+C*Y1建立级联关系，ST2能够作为“PID2”的输入处理，并最终实现输出信号Y2的控制。
在本实施例中，基本控制回路800的PID1与PID2的参数调整包括如下步骤：
参阅图1，步骤一、分解炉100温度区初始值设定；
分解炉100按工艺要求分为四段级联而成，其中一、二段即101、102作为一个控制单元，三、四段即103、104作为一个控制单元，必须实现精确控制。根据现场数据与历史生产状态曲线，确定第一控制单元与第二控制单元的温度初始值ST1和ST2；
步骤二、PID控制器参数初始值设定；
根据步骤一设定的第一控制单元与第二控制单元初始值ST1和ST2，不考虑控制单元之间的温度耦合，将达到设定值ST1，即Y1＝ST1时的PID1参数作为“PID运算1”的参数初始值；将达到设定值ST2，即Y2＝ST2时的PID2参数作为“PID运算2”的参数初始值。
步骤三、采用级联控制后调节PID控制器参数；
在步骤二获得的“PID运算1”与“PID运算2”的参数初始值的基础上，利用所述双通道可编程温度调节器400实现控制单元之间的级联控制，重新整定PID控制器的参数，使第一控制单元测温热电偶201控制输出值Y1和第二控制电源测温热电偶202的控制输出值Y2达到第一控制单元的温度设定值ST1和第二控制单元的温度设定值ST2。
本实用新型中第一测温热电偶201与第二测温热电偶202设置于第一控制单元与第二控制单元，两个控制单元按照工艺保持一定的温差，同时该温差随着两个控制单元的温度变化而动态变化，并通过数学模型实现两个控制单元温度的级联控制，从而实现分解炉温度的协调控制，到达精确控温的设计要求。
本实用新型采用电热加热方式，第一控制单元，即分解炉一、二段温区加热器301与302总功率为20KW，理想温度为400℃；第二控制单元，即分解炉三、四段温区加热器303与304总功率为15KW，理想温度为350℃。采用本实用新型所述纳米铁粉分解炉级联温度控制系统后，分解炉第一控制单元与第二控制单元控温精度明显提升，到达设计要求，提高了分解炉热处理质量。
Claims (7)
1.一种纳米铁粉分解炉级联温度控制系统，该系统包括分解炉(100)，其特征在于，该系统还包括测温热电偶(200)、加热器(300)、可编程温度调节器(400)、可控硅功率控制器(500)、变压器(600)、冷凝器(700)和基本控制回路(800)；其中所述的分解炉(100)按工艺要求分为一、二、三、四段(101、102、103、104)级联，所述的一、二段(101、102)作为第一控制单元，三、四段(103、104)作为第二控制单元；所述的测温热电偶(200)包括测量并收集第一控制单元实时温度的第一测温热电偶(201)和测量并收集第二控制单元实时温度的第二测温热电偶(202)，所述的第一测温热电偶(201)设置在第一控制单元内，所述的第二测温热电偶(202)设置在第二控制单元内；所述的第一测温热电偶(201)与第二测温热电偶(202)与可编程温度调节器(400)的一端连接，可编程温度调节器(400)的另一端依次与控制器(500)、变压器(600)和加热器(300)连接，可编程温度调节器(400)的再一端与基本控制回路(800)连接，所述加热器(300)设置在分解炉(100)炉壁上，所述冷凝器(700)设置在分解炉(100)下端，为后一级反应机构。
2.根据权利要求1所述的一种纳米铁粉分解炉级联温度控制系统，其特征在于，所述的加热器(300)包括第一加热器(301)、第二加热器(302)、第三加热器(303)和第四加热器(304)。
3.根据权利要求1所述的一种纳米铁粉分解炉级联温度控制系统，其特征在于，所述的可控硅功率控制器(500)包括第一可控硅功率控制器(501)和第二可控硅功率控制器(502)。
4.根据权利要求3所述的一种纳米铁粉分解炉级联温度控制系统，其特征在于，所述的变压器(600)包括用来调节第一控制单元的第一控制单元变压器(601)和用来调节第二控制单元的第二控制单元变压器(602)，所述的第一可控硅功率控制器(501)与第一控制单元变压器(601)连接，所述的第二可控硅功率控制器(502)与第二控制单元变压器(602连接。
5.根据权利要求1所述的一种纳米铁粉分解炉级联温度控制系统，其特征在于，所述的可编程温度调节器(400)和可控硅功率控制器(500)均设置在控制柜内。
6.根据权利要求1所述的一种纳米铁粉分解炉级联温度控制系统，其特征在于，所述的可编程温度调节器(400)为双通道PID控制器。
7.根据权利要求1所述的一种纳米铁粉分解炉级联温度控制系统，其特征在于，所述的基本控制回路(800)包括PID1、PID2、第一控制单元模型、第二控制单元模型与级联运算模型；其中所述的第一控制单元模型一端与PID1相连接，另一端与级联运算模型相连接，所述的级联运算模型另一端与PID2相连接，通过级联运算模型将第一控制单元与第二控制单元温度进行级联，所述的第二控制单元模型与PID2相连接，另一端为第二控制单元温度输出信号。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106444919A (zh) * | 2016-11-10 | 2017-02-22 | 长春工业大学 | 一种羰基铁热解炉温度控制柜及其控制方法 |
-
2016
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