基於虛擬儀器技術的微反應器控制系統的製作方法
2023-06-07 11:02:11
專利名稱：基於虛擬儀器技術的微反應器控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種化工技術領域微反應器的控制系統，具體地說，涉及的 是一種基於虛擬儀器技術的微反應器控制系統。
背景技術：
微反應器，就是一種單元反應界面寬度為微米量級的微型化的化學反應系 統，微反應技術是當今精細化工，製藥等行業一個最具創新的技術之一，它為開 發新的生產工藝、建立極具經濟效益的新型化工廠開闢了嶄新的道路，提供了工 藝研發和建造工廠的新概念，新方法。特別是模塊化的微反應器技術，它使必要 的基礎化學工程操作得以實施，例如混合、反應、換熱及更多通過微結構方式實 施的操作。通過這些微型模塊可以適應裝置可變、可控的要求，使各種化學合成 反應實施起來簡潔、快速、節約成本。而微反應器的精細特點，也決定了對其控 制有精度高、穩定性好等要求，這就需要對微反應器設計特殊的控制器，來對其 化學反應過程進行精確的控制。
經過對現有技術文獻的檢索發現，中國專利申請號200610154338.8，公開 號CN1935352，
公開日2007.03.28，該專利申請公開了一種化學微反應器裝置 的設計方法以及實施方式。化學微反應器用於使液體源例如氨、甲醇和丁烷與適 宜量的水混合併且通過蒸汽重整過程而產生氫燃料。微反應器包含毛細微通道， 後者集成有電阻加熱器，以便於發生催化蒸汽重整反應。 一種實施方式採用了一 個填裝了催化劑的毛細微通道和至少一個多孔膜，另一種實施方式採用了一個具 有大表面積的多孔膜或一個包含具有大的總表面積的多個多孔膜的多孔膜承載 結。該技術只提出了對於微反應器的設計，但並未提出對微反應器控制的問題。
發明內容
本發明針對現有技術的不足，提供了一種基於虛擬儀器技術的微反應器控制 系統，該系統結合微反應器的精細特性，實時採集微反應器中的反應參數，在上 位機的程序界面上進行實時顯示，並將採集數據保存在資料庫中用以日後査詢，同時通過PID控制算法對反應過程實行反饋控制，以達到對反應過程的精確控 制。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括數據採集模塊、數據處理 和分析模塊、資料庫模塊、數據顯示模塊、控制模塊、報警模塊以及電子天平通 信模塊。其中
數據採集模塊負責實時採集微反應器中的各項數據，並將數據發送到數據處 理和分析模塊進行分析，同時在數據顯示模塊中顯示數據波形；
數據處理和分析模塊接收數據採集模塊傳輸過來的數據，對原始數據進行放 大和量程轉換等處理，並根據監測數據進行故障判斷；
資料庫模塊接收監測數據，並將所有數據保存在本地資料庫中，方便日後調 用查看；
數據顯示模塊從數據處理和分析模塊接收經過處理之後的數據，然後使用波 形圖、數字指示控制項等多種方式對採集上來的數據進行界面顯示，幫助操作人員 更加直觀地了解化學反應的情況；
控制模塊從數據處理和分析模塊接收控制量的數據，如反應溫度等，並與預 先的設定值進行比較，根據自動調整控制量，使得化學反應按照設定的方式進行；
報警模塊從數據處理和分析模塊接收需要納入報警範圍的數據，如閥門開度 等，並對數據進行判斷，如果超出預先設定範圍則提示報警；
電子天平通信模塊負責從電子天平獲取測量值，並且通過串口通信將測量值 上傳到PC機，並在數據顯示模塊中顯示。
所述的數據採集模塊包括總線端子模塊、1/0模塊、1/0軟體接口。其中， I/O模塊從微反應器中獲取監測數據，總線端子模塊將數據通過乙太網傳輸到上 位機的I/O軟體接口，並由I/O軟體接口將數據傳遞給數據處理和分析模塊進行 處理。所監測的數據包括反應物濃度、溫度、反應器壓力、閥門開度等物理量。
所述的數據處理和分析模塊主要實現程序初始化、建立I/O軟體接口與主程 序通信、信號量的量程轉換等。這是本系統的核心模塊，所有的輸入輸出數據均 通過本模塊進行處理，最終才能反映化學反應過程的真實情況。其中
程序初始化包括對主程序中變量的初始化，讀取配置文件，讀取輸入輸出通 道名，打開I/0通道並與1/0軟體接口建立連接，其目的是為了能順利地運行數據採集的程序；
建立I/O軟體接口與數據處理和分析模塊的通信，是為了實現I/O模塊所採 集的信號能快速準確地傳遞到數據處理和分析模塊中，為之後的數據處理、顯示 和控制等模塊做好準備；
信號量的量程轉換是實現將i/o模塊採集到的信號量數據轉換成具有相應物
理意義的數據。由於I/O軟體接口將採集到的數據自動保存成布爾量或者16位 無符號整數，因此讀上來的數值需要經過量程轉換才能得到相應的物理量數據。
所述的資料庫模塊採用Office ACCESS資料庫系統，通過對資料庫進行操作， 其功能是實現大量採樣數據的存儲。
所述的數據顯示模塊是整個系統人機交換的接口，也是系統界面的最主要組 成部分。通過數據顯示模塊的界面，實時顯示監測數據，包括化學反應溫度、濃 度等數據的波形圖顯示，開關量的數位訊號顯示、控制參數調節的交互界面等。 具有放大、縮小等功能，同時用戶可以選定一路特定的信號進行單獨的顯示。
所述的控制模塊主要實現對相關化學反應的控制過程。控制模塊從數據採集 和數據處理和分析模塊獲得需要控制的反應參數，通過與預先設定的期望參數值 比較，按照預先設定的控制算法，輸出相應的控制量。例如，如果以化學反應的 溫度作為控制對象，則以採集到的溫度值作為控制模塊的輸入，與預先設定的溫 度值進行比較，通過控制算法的計算，得出冷卻水閥門的開度作為輸出量，並且 通過輸出模塊將此輸出量作用於微反應器。該控制模塊中的控制算法通過軟體編 程實現。
所述的報警模塊對採集到的監測數據進行檢査和判斷。對於一些有範圍限制 的反應參數，如果採集到的數據超過設定的範圍，系統界面可實現自動報警，提 醒操作人員注意。
所述的電子天平通信模塊將化學反應物質的電子天平測量值實時上傳至上 位機，並且在數據顯示模塊中顯示。
與現有技術相比，本發明首次以微反應器為控制對象，實現了針對微反應器 的控制系統設計，控制系統具有控制精度高、穩定性好、安全性高、功能強大、
操作簡單直觀等優點。本發明控制系統對溫度的控制精度可以達到o. rc，響應
時間達到毫秒級。本發明系統預留了8路數字輸入信號，8路數字輸出信號，16
6路模擬輸入信號，20路溫度模擬輸入信號，8路模擬輸出信號，對於不同的化學 反應具有很強的通用性。
圖1是本發明實施例LabVIEW程序模塊框圖
圖2是本發明實施例硬體框圖
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護 範圍不限於下述的實施例。
如圖1所示，本實施例包括數據採集模塊、數據處理和分析模塊、資料庫
模塊、數據顯示模塊、控制模塊、報警模塊以及電子天平通信模塊。其中數據 採集模塊負責實時採集微反應器中的各項數據，並將數據發送到數據分析模塊進
行分析，同時在數據顯示模塊中顯示數據波形；數據處理和分析模塊接收數據採 集模塊傳輸過來的數據，對原始數據進行放大等處理，並根據監測數據進行故障 判斷；資料庫模塊接收監測數據，並將所有數據保存在本地資料庫中，方便日後 調用査看；數據顯示模塊使用波形、數字等多種方式對採集上來的數據進行界面 顯示，幫助操作人員更加直觀地了解化學反應的情況；控制模塊根據對控制目標 數據的分析，自動調整控制量，使得化學反應按照設定的方式進行；報警模塊負 責對相應數據進行判斷，如果超出設定範圍則提示報警；電子天平通信模塊負責 獲取電子天平的測量值，並在數據顯示模塊中顯示。
本實施例上述模塊中涉及的軟體程序可以在LabVIEW編程平臺上完成。 所述的數據採集模塊包括總線端子模塊、1/0模塊、1/0軟體接口。其中， 總線端子採用Beckhoff公司出產的產品，I/O軟體接口採用TwinCAT軟體。由 信號輸入輸出模塊從微反應器中獲取4-20mA和0-iOV的標準化電流電壓數據， 由總線端子模塊將數據傳輸到EtherCAT乙太網，最後在上位機由TwinCAT I/O 軟體接口接收數據，並傳遞給數據處理和分析模塊進行處理。所監測的數據包括 反應物濃度、溫度、反應器壓力、相關閥門開度等物理量。
所述的數據處理和分析模塊實現程序初始化過程、TwinCAT I/O軟體接口通 信、信號量的量程轉換等過程。整個系統所有的輸入輸出數據均通過本數據處理
7和分析模塊進行處理，最終才能反映化學反應過程的真實情況。其中程序初始 化過程包括對所有變量的初始化，讀取配置文件，讀取輸入輸出通道名，打開 1/0通道並與TwinCAT 1/0軟體接口建立連接，其目的是為了能順利地運行數據 採集的程序。建立TwinCATI/0軟體接口與數據處理和分析模塊的通信，是為了 實現1/0模塊所採集的信號能快速準確地傳遞到數據處理和分析模塊中，為之後 的數據處理、顯示和控制等模塊做好準備。在LabVIEW中，可以使用動態連結庫 (DLL)技術實現與TwinCAT軟體的通信。在TwinCAT軟體中，Beckhoff公司提 供了名為TcAdsDll的dll文件，在LabVIEW程序中調用這個dll文件即可實現 LabVIEW與TwinCAT之間的通信。信號量的量程轉換是實現將I/O模塊採集到的 信號量數據轉換成具有相應物理意義的數據。在程序初始化時，從配置文件讀取 之前設定的量程轉換的最大和最小設定值，再通過如下公式進行量程轉換 讀取值x量程最大值-量程最小值+難最小值
模擬量實際值= 32767 溫度量實際值=讀取值+10 +量程最小值
所述的控制模塊從數據採集模塊、數據處理和分析模塊獲得需要控制的反應 參數，通過與預先設定的期望參數值比較，按照預先設定的控制算法，輸出相應 的控制量。(例如，如果以化學反應的溫度作為控制對象，則以採集到的溫度值 作為控制模塊的輸入，與預先設定的溫度值進行比較，通過控制算法的計算，得 出冷卻水閥門的開度作為輸出量，並且通過輸出模塊將此輸出量作用於微反應 器。)控制算法採用傳統的PID控制，對於不同的反應對象過程採取不同的PID 參數，這需要事先離線計算。
所述的資料庫模塊採用Office ACCESS資料庫系統，通過LabSQL工具包在 LabVIEW中編寫資料庫操作語句，對ACCESS資料庫進行讀寫等操作，從而實現 大量採樣數據的存儲。
所述的數據顯示模塊是整個系統人機交換的接口，也是系統界面的最主要組 成部分。通過LabVIEW程序界面，實時顯示相關監測數據，包括化學反應溫度、 濃度等數據的波形圖顯示，開關量的數位訊號顯示、控制參數調節的交互界面等。 具有放大、縮小等功能，用戶可以選定一路特定的信號進行單獨的顯示。同時也 是用戶對化學反應過程進行手動控制的交互界面。所述的報警模塊對採集到的監測數據進行檢査和判斷。對於一些有範圍限制 的反應參數，如果採集到的數據超過設定的範圍，系統界面可實現自動報警，提 醒操作人員注意。
所述的電子天平通信模塊採用RS-232C即串口協議與計算機進行通信，將化 學反應物質的電子天平測量值實時上傳至上位機，並且通過數據顯示模塊在程序 主界面中顯示。
如圖2所示，本實施例應用時涉及的硬體包含微反應器、現場總線端子和I/O 模塊、以及上位機。1/0模塊將採集到的微反應器的標準電壓電流信號通過現場 總線端子模塊傳輸到EtherCAT乙太網，數據被工作站上的TwinCAT I/O軟體接 口接收，隨後上傳到UbVIEW程序進行數據的處理、分析和存儲。現場總線端子 採用Beckhoff公司提供的EkllOO總線耦合器，用於將EtherCAT乙太網與 EtherCAT端子(ELxxxx)相連。考慮到未來可能會連接一些PROFIBUS總線協議 的從站，因此我們在設計中加入了 PROFIBUS主站端子EL6731，在之後連接的是 PROFIBUS-DP 〃緊湊型〃 總線耦合器BK3150,這樣，從PROFIBUS到EtherCAT協 議的轉換工作已經在PROFIBUS主站端子中完成了。
選用的信號輸入輸出模塊包括:KL1418 8通道數字量輸入端子1個，KL2404 4通道數字量輸出端子2個，KL3204 4通道模擬量(溫度)輸入端子5個，KL3458 8通道模擬量輸入端子2個，KL4428 8通道模擬量輸出端子1個。
選用的上位機是一般的PC機，安裝TwinCAT和LabVIEW軟體。
本實施例完成了對微反應器的控制。相對於其他同類別控制系統，本實施例 通過擴展I/0端子，實現了控制系統的靈活性和通用性，即對於不同的化學反應 過程都可以使用本實例系統進行控制，只需要在具體實施時連接和配置不同的輸 入輸出端子即可。除此之外，本實施例綜合考慮了化學反應過程所需要監測的各 種物理量的數據信息，實現了對化學反應過程全方位的監測，控制算法簡單易用， 但卻具有很高的精確度和穩定性，對於化學反應的溫度控制，控制精度可以達到 o. rc，對於保溫過程的脈衝擾動，控制系統也表現出很強的穩定性。
權利要求
1. 一種基於虛擬儀器技術的微反應器控制系統，其特徵在於包括數據採集模塊、數據處理和分析模塊、資料庫模塊、數據顯示模塊、控制模塊、報警模塊以及電子天平通信模塊，其中數據採集模塊負責實時採集微反應器中的各項數據，並將數據發送到數據處理和分析模塊進行分析，同時在數據顯示模塊中顯示數據波形；數據處理和分析模塊接收數據採集模塊傳輸過來的數據，對原始數據進行放大和量程轉換處理，並根據監測數據進行故障判斷；資料庫模塊接收監測數據，並將所有數據保存在本地資料庫中，以調用查看；數據顯示模塊從數據處理和分析模塊接收經過處理之後的數據，然後使用波形圖、數字指示控制項方式對採集上來的數據進行界面顯示；控制模塊從數據處理和分析模塊接收控制量的數據，並與預先的設定值進行比較，根據自動調整控制量，使得化學反應按照設定的方式進行；報警模塊從數據處理和分析模塊接收需要納入報警範圍的數據，並對數據進行判斷，或者提示報警；電子天平通信模塊負責從電子天平獲取測量值，通過串口通信將測量值上傳到PC機，並在程序界面上顯示。
2. 根據權利要求1所述的基於虛擬儀器技術的微反應器控制系統，其特徵 是，所述的數據採集模塊包括總線端子模塊、1/0模塊、1/0軟體接口，其中， I/O模塊從微反應器中獲取監測數據，總線端子模塊將數據通過乙太網傳輸到上 位機的I/O軟體接口，並由I/O軟體接口將數據傳遞給數據處理和分析模塊進行 處理，所監測的數據包括反應物濃度、溫度、反應器壓力、閥門開度。
3. 根據權利要求1所述的基於虛擬儀器技術的微反應器控制系統，其特徵 是，所述的數據處理和分析模塊實現程序初始化、建立1/0軟體接口與主程序通 信、信號量的量程轉換，其中-程序初始化包括對主程序中變量的初始化，讀取配置文件，讀取輸入輸出通 道名，打開1/0通道並與I/O軟體接口建立連接，以順利地運行數據採集的程序; 建立I/O軟體接口與數據處理和分析模塊的通信，實現I/O模塊所採集的信號能快速準確地傳遞到數據處理和分析模塊中；信號量的量程轉換實現將i/o模塊採集到的信號量數據轉換成具有相應物理意義的數據。
4. 根據權利要求1所述的基於虛擬儀器技術的微反應器控制系統，其特徵 是，所述的資料庫模塊採用Office ACCESS資料庫系統，通過對資料庫進行操作， 實現採樣數據的存儲。
5. 根據權利要求1所述的基於虛擬儀器技術的微反應器控制系統，其特徵 是，所述的數據顯示模塊是整個系統人機交換的接口 ，通過數據顯示模塊的界面， 實時顯示監測數據，包括化學反應溫度、濃度數據的波形圖顯示，開關量的數字 信號顯示、控制參數調節的交互界面，具有放大、縮小功能，同時用戶能選定一 路信號進行單獨的顯示。
6. 根據權利要求1所述的基於虛擬儀器技術的微反應器控制系統，其特徵 是，所述的控制模塊實現對相關化學反應的控制過程，控制模塊從數據採集和數 據處理和分析模塊獲得需要控制的反應參數，通過與預先設定的期望參數值比 較，按照預先設定的控制算法，輸出相應的控制量，該控制模塊中的控制算法通 過軟體編程實現。
7. 根據權利要求1所述的基於虛擬儀器技術的微反應器控制系統，其特徵 是，所述的報警模塊對採集到的監測數據進行檢査和判斷，對於有範圍限制的反 應參數，如果採集到的數據超過設定的範圍，系統界面可實現自動報警。
全文摘要
本發明涉及一種微化工技術的基於虛擬儀器技術的微反應器控制系統，包括數據採集模塊、數據處理和分析模塊、資料庫模塊、數據顯示模塊、控制模塊、報警模塊以及電子天平通信模塊，其中數據採集模塊負責實時採集微反應器中的各項數據，並將數據發送到數據處理和分析模塊進行分析，同時在數據顯示模塊中顯示數據波形；數據處理和分析模塊對原始數據進行放大和量程轉換處理，並根據監測數據進行故障判斷；數據顯示模塊對採集的數據進行界面顯示；控制模塊自動調整控制量，使得化學反應按照設定的方式進行；報警模塊負責提示報警。本發明控制系統具有控制精度高、穩定性好、安全性高、功能強大、操作簡單直觀等優點。
文檔編號G05B19/048GK101477343SQ20091004503
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月8日 優先權日2009年1月8日
發明者何黎明, 山 華, 田作華 申請人:上海交通大學