碳纤维凝固浴的浓度温度控制仿真系统

【摘要】聚丙烯腈(PAN)原丝质量不高严重阻碍我国碳纤维产业的发展。碳纤维制备的关键步骤是PAN纺丝原液在凝固浴中形成初生纤维的过程,在这个过程中会形成纤维内部和外部的各种缺陷,这些缺陷会使原丝乃至碳纤维的质量受到严重影响,因此获得缺陷较少、结构致密均匀的初生纤维对制备优质的原丝及碳纤维具有十分重要的意义,而凝固浴过程是制备初生纤维的重要工序,所以研究凝固浴过程非常重要。本文以Fick定律为基础分析了溶剂DMSO和非溶剂水在不同凝固时间沿纤维径向的浓度扩散数学模型,得出了溶剂和非溶剂的浓度随时间和径向坐标的变化规律,然后得到溶剂和非溶剂平均浓度随时间的变化规律。进一步分析了温度对溶剂和非溶剂的扩散过程的影响,在一定范围内,温度的升高将加快扩散过程,在模型中体现为扩散系数随着温度的升高而增大。在实际生产的凝固浴过程中,需要保证凝固浴浓度恒定以得到质量较高的初生纤维。然而由于双扩散等因素的影响,导致凝固浴的浓度不断变化,因此需要向凝固浴补充纯水来抵消凝固浴浓度的变化。本文在扩散模型的基础上,建立了补水量—溶剂浓度模型,得到凝固浴中补水量与凝固浴浓度的关系,凝固浴浓度的变化会影响纺丝原液的双扩散过程,反过来会影响凝固浴的浓度和计算出来的补水量,因此这是一个动态平衡的过程。本文建立的模型可以模拟实际生产中溶剂浓度随补水量的变化,根据两者之间的关系,控制补水量,最终可以使凝固浴中溶剂浓度稳定在设定值。利用扩散模型和凝固浴浓度模型,本文建立了凝固浴被控对象模型,并在Matlab中进行仿真。由于凝固浴的浓度影响扩散速度,进而影响补水量,因此被控对象的过程模型具有非线性。本文采用了PID控制器进行调节,当系统存在外界扰动时,仿真的浓度曲线可迅速回到给定的凝固浴浓度值,因此本文采用的补水量前馈和浓度偏差反馈的模式可实现凝固浴浓度稳定到期望值。并且,本文还考虑了温度对扩散过程的影响,建立了温度浓度控制模型以稳定凝固浴浓度。在PCS7中建立符合凝固浴实际生产的控制系统,在工程师站中创建CFC图表和SFC图表,与自动化站相连,然后在操作员站组态,建立凝固浴生产过程的主画面、和关键参数变量报警等,以模拟凝固浴的控制过程。并且通过OPC协议实现Matlab与WinCC的实时通讯,可以将Matlab模型中的仿真数据实时传递到WinCC的监控画面中,实现生产过程的模拟和动画演示。
【作者】卞云鹏；
【导师】齐洁；
【作者基本信息】东华大学，电气工程（专业学位），2014，硕士
【关键词】碳纤维；凝固浴；浓度控制；扩散过程；PCS7；

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