一种基于物联网的石墨炭化系统的数据采集系统

1.本发明应用于工业生产过程控制领域，涉及一种基于物联网的石墨炭化系统的数据采集系统，具体涉及炉体温度数据采集以及温度的分段控制，从而提高产品的品质；另外，进料和出料实现精确定量控制。整个系统实现自动化控制。相关数据上传到服务器(云端)，能实现远程的监控，以及手机app的监控。


背景技术：

2.现有的常见的石墨炭化系统，采用人工送料进入炭化炉实现石墨粉的炭化，这种炭化方式的缺点在于：
3.(1)生产效率低，由于人工推进碳舟，效率低。
4.(2)进料机构占用空间大，导致整个石墨炭化系统占地面积大，对厂房等环境因素要求高。
5.(3)由于碳舟装载量有限，也导致生产效率低，产能低。
6.(4)由于加热时碳舟和石墨粉一并加热，因此，碳舟也耗费大量的热量，导致能耗居高不下，生产成本高。
7.而且，现有技术产能低，现有产量是120
‑
130kg/天；投资大，能耗高。
8.另外，还有一种半自动的石墨炭化系统，通过螺旋进料，送进炉体加热，这种方式，虽然能提高产能，但是仍存在控制不便等特点。
9.因此，有必要设计一种用于石墨炭化系统的基于物联网的数据采集系统。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于提供一种基于物联网的数据采集系统，能全程监控石墨炭化系统工作。实现炉体温度数据实时采集以及温度的分段控制，从而提高产品的品质；另外，进料和出料实现精确定量控制，实现整个系统自动化控制，提高生产效率。
11.本发明所采用的技术方案如下：
12.一种基于物联网的数据采集系统，数据采集系统用于石墨炭化系统的数据采集；石墨炭化系统包括炭化炉；炭化炉中设有碳管；
13.数据采集系统包括mcu与数据采集模块；数据采集模块与mcu 相连；
14.数据采集模块包括温度检测模块和成品重量检测模块；
15.成品重量检测模块用于检测出料口输出现有成品的重量；
16.温度检测模块用于采集碳管的温度和炉体表面的温度；
17.温度检测模块包括3组温度检测机构；
18.每一组温度检测机构包括4个测温探管，4个红外测温仪和4 个温度传感器；
19.每一组温度检测机构的安装方式为：
20.石墨碳化加工炉的炉壁上设有4个安装孔；4个安装孔沿石墨碳化加工炉的周向均匀分布；每一个安装孔内插装有一个测温探管；测温探管的内端伸入到加热管内部；测温探
管的外端设有红外测温仪；炉壁上还设有4个温度传感器；红外测温仪和温度传感器均输出温度信号到mcu；
21.4个测温探管中，2个是主测温探管，2个是备用测温探管；4 个红外测温仪中，2个主红外测温仪，2个是备用红外测温仪，测得的数据选择一组送入mcu，或进行平均操作后进入mcu。
22.碳管为双层套管，双层套管由外管和内管套装形成，外管的内壁设有加强层，外管和内管之间设有支架。
23.加热管为双层加热管，内管与外管之间设有用于隔离的支架。作用在于辐射加热，加热更均匀，配合加热管旋转，搅动碳粉，使得碳粉受热均匀度更高。
24.基于物联网的数据采集系统还包括摄像头；
25.摄像头与mcu相连。
26.炭化炉为圆筒形的卧式炉，加热管沿炭化炉的轴线设置，炭化炉以及加热管相对于水平面倾斜设置，倾斜角度为1～6度。
27.优选的，倾斜角度为3或5度。倾斜的作用，让石墨能在重力的作用下自动向前端滑动。避免前端的碳粉被液压推进机构压得很紧实，便于碳粉在加热管旋转的时候翻动。
28.炉体外侧设有水冷装置。
29.炭化炉的内腔中设有2块隔板，隔板垂直加热管设置，2块隔板将炭化炉内腔分为三个子空腔，加热管分三段设置，对应设置在该三个子空腔中，三段加热管用隔热材料连接；隔热材料优选陶瓷材料。
30.三段加热管分别由三个单独的逆变器供电。
31.炭化炉的前后端均设有轴承，加热管的两端插装在2个轴承中，炭化炉的前端设有用于驱动炭化炉的加热管驱动电机。驱动加热管旋转，作用在于使得加热管中碳粉能在旋转中翻搅，从而受热均匀，提高炭化纯度。
32.三段子空腔中，中间段的温度值高于前端和后端的温度值。后段为预热段，中段为高温炭化段，前端为退热段。热效率高，避免热量损失。而且输出的碳粉温度较低。
33.mcu为单片机或dsp。
34.mcu通过无线通信模块将现场参数上传到云服务器；
35.数据采集系统包括触摸显示屏和无线通信模块；触摸显示屏和无线通信模块均与mcu相连；数据采集模块包括温度检测模块和成品重量检测模块；mcu的输出端口还连接有加热管驱动电机、用于驱动螺旋出料机构的步进电机和用于加热加热管的逆变器；基于物联网的数据采集系统用于监控石墨炭化加工进程，所述的加热管位于炭化炉中；螺旋出料机构位于炭化炉的出料端，加热管驱动电机用于驱动加热管旋转；温度检测模块用于检测加热管温度，无线通信模块为3g、 4g、5g通信模块；基于物联网的数据采集系统用于监控石墨炭化系统的工作过程。
36.用于通过手机app访问云服务器实现远程监控。
37.电机的转轴上装有码盘，用于检测转速。
38.mcu为plc、dsp或单片机。
39.有益效果：
40.本发明的基于物联网的数据采集系统，具有以下特点：
41.(一)数据监测的特点：
42.(1)采用测温探管开展温度检测，采用红外测温仪、温度传感器传输温度信号，有助于生产过程中实时参数。
43.(2)进料和出料实时采集，实现精确定量控制，整个系统实现自动化控制。
44.(3)相关数据上传到服务器(云端)，能实现远程的监控，以及手机app的监控。
45.(二)炉体以及加热管的特点：
46.(1)采用内外管的双层加热管的结构；
47.外管(加热管)与内管非直接接触，具有中空层，因此，外管 (加热管)的发热通过
48.辐射反射传导到内管，而不是直接传导，因此可以保障内管中的温度均一，从而在内管中，形成较为均一稳定的温度场，从而能保障石墨炭化的质量稳定。
49.(2)外观和内管之间设置支撑环
50.支持环采用瓷质或其他不利于导热的材质，如石棉等，这样，既能防止导热，又能支持内管，防止内管与外管太过接近，加之支持环为多个，从而在内管与外管之间形成均一的间距。
51.(3)炉体倾斜设置，以及碳管在电机的驱动下旋转；
52.有利于出料，而且有利于碳粉在碳管内翻动，从而受热更均匀，能提高纯度，这是本发明的核心所在。
53.(二)出料装置，具有以下特点：
54.(1)结构布局科学合理
55.在出料管下端设置基于螺旋推进机构的流量控制装置，在在出料管下方设置自动接料装置，结构紧凑，布局合理。
56.(2)能灵活调节流量
57.通过螺旋推进机构运行速度，能控制出料速度，另外，由于出口设置称重传感器(即重量传感器)，能实施检测出料口的成品重量。
58.(3)其他
59.通过背光调节电路调节显示屏的背光，通过通信模块与远程监控平台通信，实现远程监控。通过触摸显示屏设置参数，查看相关参数。发射管和接收管用于检测下料管与接料箱是否对准，当发射管和接收管对齐时，表示下料管与接料箱接近对准，再控制传输带运行固定的距离，就可以接料。出料口朝侧边开，出料口的底部设有压力传感器，用于感应积累的成品质量，压力传感器(重量传感器)与mcu 相连，具体电路为现有成熟技术。
60.(三)液压推料装置，具有以下优势：
61.(1)采用液压推料机构，实现连续推料。而且，速度可控。
62.(2)料斗中具有搅拌放料机构，能防止石墨原料堵塞，保障生产稳定进行。
63.综上所述，本发明的液压推料装置，能保障系统连续稳定的不间断进料，且易于控制，有利于保障石墨炭化质量。
64.综上所述，该监控终端对应的石墨炭化系统结构紧凑，采用内外双管结构，能保持温度均一，从而保障石墨炭化的质量。
65.(四)用于石墨炭化系统的炉体冷却装置，具有以下特点：
66.(1)基于闭环控制炉外壁温度；
67.对炉体外壁尽快实施冷却散热，避免对外部的设备和人员造成伤害。
68.当温度过高时，增加变频器的频率，或者投入更多的水泵工作，达到显著降温的目的。具体控制策略及其实现方法为现有技术，如采用数字pid控制器等实现。水冷腔的外壁设有4个温度传感器，且关于加工炉的周向均匀布置。
69.采用多个的温度传感器检测温度，可以起到冗余检测，检测可靠性更高。
70.(2)余热利用
71.利用余热给碳粉预热，使得碳粉中的水分尽快挥发，并保持一定的干燥度，特别有利于碳粉(石墨)弹簧的最终质量保证，这是本发明的独创和关键点之一。
72.(3)采用可变放大倍数的放大电路实现炉体外的温度测量，使用灵活方便，且精度高。
73.这种用于石墨炭化系统的炉体冷却装置，能稳定工作，可靠性高，有利于保障炉体的长期使用，且有利于保障生产质量，适合推广实施。
74.综上所述，本发明的石墨炭化处理方案功能丰富，结构紧凑，自动化程度高，生产稳定，可靠性高，易于实施。
附图说明:
75.图1为石墨炭化加工炉的总体结构示意图；
76.图2为加热管的横截面示意图；
77.图3为内管及支撑环结构示意图；
78.图4为支撑环结构示意图；
79.图5为石墨提纯系统的电控框图；
80.图6为倾斜的炭化炉的总体结构示意图；
81.图7为下料推进机构的结构示意图；
82.图8为出料及自动化传送装置的总体结构示意图；
83.图9为出料装置控制电路框图；
84.图10为背光电路原理图；
85.图11为冷却装置的总体结构示意图；
86.图12为原料预热槽的横截面示意图；
87.图13为冷却电路的电原理框图；
88.图14为放大电路原理图；
89.图15为测温模块结构示意图。
90.标号说明：1
‑
炭化炉，2
‑
进料装置，3
‑
出料装置，4
‑
料斗；
91.11
‑
加热管，12
‑
炉体入口，13
‑
炉体出口，111
‑
加热管本体，112
‑
金属加强层；113
‑
支撑环，114
‑
内管，115
‑
环体，116
‑
凸起。
92.14
‑
炉壁，15
‑
主测温加热管，16
‑
主红外测温仪，17
‑
备用碳测温管，18
‑
备用红外测温仪，19
‑
温度传感器。
93.21
‑
螺旋推进器，51
‑
推进轴，52
‑
从动同步轮，53
‑
同步带，54
‑ꢀ
步进电机，55
‑
电机座，56
‑
主动同步轮；
94.61
‑
水冷腔，62
‑
进水口，63
‑
出水口，64
‑
水管，65
‑
原料预热槽，66
‑
物料提升机构，
67
‑
水箱，68
‑
水泵，69
‑
碳粉原料。
95.721
‑
接料箱，722
‑
传送带，723
‑
出料口，73
‑
接收管，79
‑
发射管。
具体实施方式
96.以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：
97.实施例1：
98.如图5，数据采集系统用于石墨炭化系统的数据采集；石墨炭化系统包括炭化炉；炭化炉中设有碳管；数据采集系统包括mcu与数据采集模块；数据采集模块与mcu相连；数据采集模块包括温度检测模块和成品重量检测模块；成品重量检测模块用于检测出料口输出现有成品的重量；温度检测模块用于采集碳管的温度和炉体表面的温度；温度检测模块包括3组温度检测机构；每一组温度检测机构包括4个测温探管，4个红外测温仪和4个温度传感器；
99.每一组温度检测机构的安装方式为：
100.石墨碳化加工炉的炉壁上设有4个安装孔；4个安装孔沿石墨碳化加工炉的周向均匀分布；每一个安装孔内插装有一个测温探管；测温探管的内端伸入到加热管内部；测温探管的外端设有红外测温仪；炉壁上还设有4个温度传感器；红外测温仪和温度传感器均输出温度信号到mcu；4个测温探管中，2个是主测温探管，2个是备用测温探管；4个红外测温仪中，2个主红外测温仪，2个是备用红外测温仪，测得的数据选择一组送入mcu，或进行平均操作后进入mcu。
101.数据采集系统包括触摸显示屏和无线通信模块；触摸显示屏和无线通信模块均与mcu相连；数据采集模块包括温度检测模块和成品重量检测模块；mcu的输出端口还连接有加热管驱动电机、用于驱动螺旋出料机构的步进电机和用于加热加热管的逆变器；基于物联网的数据采集系统用于监控石墨炭化加工进程，所述的加热管位于炭化炉中；螺旋出料机构位于炭化炉的出料端，加热管驱动电机用于驱动加热管旋转；温度检测模块用于检测加热管温度，无线通信模块为3g、 4g、5g通信模块；基于物联网的数据采集系统用于监控石墨炭化系统的工作过程。
102.温度检测模块用于检测加热管温度，成品重量检测模块用于检测出料口输出现有成品的重量；
103.无线通信模块为3g、4g、5g通信模块。
104.基于物联网的数据采集系统用于监控石墨炭化系统的工作过程。
105.石墨炭化系统的核心是炭化炉；
106.石墨炭化系统包括包括炉体、进料装置和出料装置；炉体采用卧式炉体，进料装置设置在炉体的后端，出料装置设置在炉体的前端；进料装置中具有液压推料装置；
107.(一)加热管结构说明
108.炉体内设有加热管；加热管包括加热管11、内管114和支撑环 113；内管插装在加热管内；支撑环为至少2个；支撑环设置在内管与加热管之间，支撑环套装在内管上；支撑管包括环体115和位于环体外壁的3个凸起116，环体为圆环型部件；所述的支撑环为3
‑
5个，沿内管的长度方向等间距布置；外管的内壁具有一个金属加强层112；凸起的外端为圆弧面。每一个支撑环上具有3个凸起；3个凸起周向等分布置。金属加强层的厚度为2.5mm。
109.(二)进料控制：推料机构
110.进料控制装置为液压推料机构；液压缸周期性的动作，通过柱塞将料斗中漏下的碳粉推入炉体中。
111.(三)炉体温控装置及水冷装置
112.炉体温控装置包括测温探管、红外测温仪以及变流模块；测温探管用于导出炉体内的热量，红外测温仪输出的温度值与mcu的adc 端相连；变流模块受控于mcu；所述的石墨碳化加工炉中沿石墨碳化加工炉的中轴线设有加热管11，加热管为双层加热管；石墨碳化加工炉的炉壁上设有4个安装孔；4个安装孔沿石墨碳化加工炉的周向均匀分布；每一个安装孔内插装有一个测温探管15；测温探管的内端伸入到加热管内部；测温探管的外端设有红外测温仪16；炉壁上还设有4个温度传感器19；红外测温仪和温度传感器均输出温度信号到mcu；水冷模块以及变流模块均与mcu相连；水冷模块水泵和循环水冷管网，变流模块包括整流器和逆变器。总共有3套测温机构，每一子空腔设置一套测温机构，每套测温机构包括2个主测温探管， 2个备用测温探管，2个主红外测温仪，2个备用主红外测温仪和4 个温度传感器；
113.炉体温控装置还包括水冷控制装置；水冷控制装置包括包括温度检测模块、放大电路、变频器和水泵；温度检测模块包括多个温度传感器，温度传感器通过放大电路与mcu的adc接口相连；变频器受控于mcu，变频器用于驱动水泵；水泵为3台，且并联设置；每台水泵由独立的变频器驱动；炭化炉的外壁设有水冷腔；水冷腔的顶部和底部分别设有出水口63和进水口62；进水口通过水泵68和水管64 与用于存储冷却水的水箱相连；出水口通过水管与原料预热槽相连，原料预热槽与水箱通过水管相连；温度传感器设置在水冷腔和原料预热槽的外壁。
114.如图11～13，一种用于石墨炭化系统的炉体冷却装置，包括水箱、水泵、水冷腔和原料预热槽；
115.原料预热槽用于盛放碳粉原料；原料预热槽的底部和侧壁具有空腔；热水流经所述空腔，能对碳粉原料起到干燥的作用；
116.水冷腔位于炭化炉的外壁；水冷腔的顶部和底部分别设有出水口和进水口；进水口通过水泵和水管与水箱相连；出水口通过水管与原料预热槽相连，原料预热槽与水箱通过水管相连；
117.水泵为3台，且并联设置；每台水泵由独立的变频器驱动。
118.水冷腔和原料预热槽的外壁均设有温度传感器；温度传感器经放大电路与mcu的adc接口相连，变频器受控于mcu。
119.水冷腔的外壁均设有多个温度传感器。
120.石墨炭化系统具有料斗，原料预热槽与料斗之间具有斜坡式的物料提升机构。
121.物料提升机构为同步带式传输机构。
122.温控电路：
123.用于石墨炭化系统的炉体冷却控制电路，包括mcu、温度检测模块、放大电路、触摸显示屏、变频器和水泵；温度检测模块包括多个温度传感器，温度传感器通过放大电路与mcu的adc接口相连；变频器受控于mcu，变频器用于驱动水泵；水泵为3台，且并联设置；每台水泵由独立的变频器驱动；触摸显示屏与mcu相连；放大电路为可调放大倍数的放大电路，
温度传感器为热电偶。mcu为单片机、dsp 或plc处理器。mcu还连接有触摸显示屏和无线通信模块；无线通信模块为3g，4g或5g通信模块。
124.(四)出料装置
125.参见图7和8，出料控制装置包括对准控制模块、下料控制模块和传输带控制模块；对准控制模块包括与mcu的io端口相连的发射管和接收管；触摸显示屏与mcu相连；下料控制模块包括螺旋推送机构；mcu通过步进电机驱动螺旋托送机构工作，将物料从侧部的出料口推出；电机受控于mcu；所述的发射管为多个，均设置在传送带上，接收管设置在下料管的平直段上。发射管和接收管用于检测下料管与接料箱是否对准，当发射管和接收管对齐时，表示下料管与接料箱接近对准，再控制传输带运行固定的距离，就可以接料。
126.(五)加工炉
127.参见6，炉体倾斜设置，炭化炉为圆筒形的卧式炉，加热管沿炭化炉的轴线设置，炭化炉以及加热管相对于水平面倾斜设置，倾斜角度为3或5度。倾斜的作用，让石墨能在重力的作用下自动向前端滑动。避免前端的碳粉被液压推进机构压得很紧实，便于碳粉在加热管旋转的时候翻动。炭化炉的前后端均设有轴承，加热管的两端插装在 2个轴承中，炭化炉的前端设有用于驱动炭化炉的加热管驱动电机。驱动加热管旋转，作用在于使得加热管中碳粉能在旋转中翻搅，从而受热均匀，提高炭化纯度。炭化炉的内腔中设有2块隔板，隔板垂直加热管设置，2块隔板将炭化炉内腔分为三个子空腔，加热管分三段设置，对应设置在该三个子空腔中，三段加热管用隔热材料连接；隔热材料优选陶瓷材料。三段加热管分别由三个单独的逆变器供电。三段子空腔中，中间段的温度值高于前端和后端的温度值。后段为预热段，中段为高温炭化段，前端为退热段。热效率高，避免热量损失。而且输出的碳粉温度较低。加热管为双层加热管，内管与外管之间设有用于隔离的支架。作用在于辐射加热，加热更均匀，配合加热管旋转，搅动碳粉，使得碳粉受热均匀度更高。mcu通过无线通信模块将现场参数上传到云服务器，加热管为碳管。用于通过手机app访问云服务器实现远程监控。电机的转轴上装有码盘，用于检测转速。
128.参见图10,所述的背光调节电路包括led灯串、三极管、电位器 rx和a/d转换器；三极管为npn型三极管；在控制箱上设有旋钮开关与电位器rx同轴相连；控制箱的前侧是触摸显示屏，内部具有电路板，电路板上设有mcu；
129.电位器rx和第一电阻r1串接形成分压支路，分压支路一端接电源正极vcc，分压支路的另一端接地；电位器rx和第一电阻r1的连接点接a/d转换器的输入端；a/d转换器的输出端接mcu的数据输入端口；
130.led灯串包括多个串接的led灯；led灯串的正极接电源正极 vcc；led灯串的负极接三极管的c极，三极管的e极经第二电阻r2 接地；三极管的b极的接mcu的输出端。电源正极vcc为5v，a/d转换器为8位串行输出型转换器。
131.mcu还连接有无线通信模块。
132.mcu为plc、dsp或单片机。
133.如图5，mcu为主控模块，首先，温度检测模块用于检测炉体中的温度，温度数据送入mcu；背光亮度调节电路是指触摸屏的背光亮度调节电路，为现有成熟技术。触摸显示屏与mcu连接，用于显示状态数据或进行参数设置。交流电经整流器后转换成直流电，再经过逆变器进行调压给加热管加热；mcu输出脉冲控制逆变器工作，具体技术为现有成熟技术。
mcu通过无线通信模块(如3g，4g，5g模块) 输出状态信号到监控中心，实现远程监控。报警模块用于提供高温报警等。步进电机用于控制进料机构的进料速度，搅拌电机用于控制下料速度。
134.如图14，可调放大倍数的放大器包括运算放大器u1和多路开关u2；多路开关u2为四选一选择器；
135.温度传感器(或重量传感器)的输出端vin经电阻r0接运算放大器u1的反相输入端；运算放大器u1的同相输入端经电阻r06接地，运算放大器u1的同向输入端还分别经4个电阻r01
‑
r04接四选一选择器的4个输入通道，四选一选择器的输出通道接运算放大器u1的输出端vout，vout接mcu的adc端；
136.mcu的2个输出端口分别接四选一选择器的通道选端a和b；
137.运算放大器u1采用lm358器件。
138.vout与vin的计算公式：
139.vout＝vin*(rx+r0)/r0；其中，rx＝r01，r02，r03或r04；基于选通端ab来确定选择哪一个电阻；且r01，r02，r03和r04各不相同；优选的r04＝5*r03＝25*r02＝100*r01；r01＝5*r0。可以方便地实现量程和精度切换。
140.(六)提纯方法：
141.步骤1：下料及推料；
142.采用下料机构(带搅拌机构的料斗)以及液压推料机构，将碳粉原料沿着水平进料管推入卧式石墨炭化炉的双层加热管中；
143.步骤2：高温炭化；
144.碳粉在卧式石墨炭化炉的双层加热管中被加热；
145.步骤3：出料；
146.加热后的碳粉从卧式石墨炭化炉的出料管并经下料机构送至容器中。
147.具体的加热温度以及推料进度等设置为现有成熟技术。