一种基于标准冷凝曲线的冷凝系统状态监控方法

摘要

本发明涉及复合材料成型技术领域，公开了一种基于标准冷凝曲线的冷凝系统状态监控方法，通过找到泄压操作点后判定有效降温截止温度，进而确定有效降温截止时间的方法，得到在热压罐下降固定温度的情况下，主冷凝水消耗的总体积、带走的热量和主冷凝水散热功率，由此监控热压罐冷凝系统状态，为冷凝泵维修、冷凝塔清洗及冷凝水更换等预防性维修提供判据，降低了产品因设备故障导致的不合格率。

权利要求

1.一种基于标准冷凝曲线的冷凝系统状态监控方法，其特征在于，包括：以固定频率采集热压罐主冷凝水进水口温度、主冷凝水出水口温度、热压罐内真实温度、热压罐内设置温度以及热压罐主冷凝水水流量的历史数据，利用历史数据统计分析得出关键参数的阈值，定义为标准参数，制作形成一条标准冷凝曲线；

通过标准冷凝曲线判断热压罐在每一个降温周期内的泄压操作点，泄压操作点处温度判定为其有效降温截止温度；

对于每一个降温周期，以相同的频率实时采集热压罐主冷凝水进水口温度、热压罐主冷凝水出水口温度、热压罐内真实温度、热压罐内设置温度以及热压罐主冷凝水水流量数据并进行分析，计算得出热压罐的有效降温截止时间、主冷凝水开启时间、主冷凝水消耗总体积、主冷凝水消耗总热量和主冷凝水散热功率；根据热压罐所有降温周期的有效降温截止时间、主冷凝水开启时间、主冷凝水消耗总体积、主冷凝水消耗总热量和主冷凝水散热功率制作形成相应的状态监控曲线；

根据标准冷凝曲线，判定状态监控曲线的预警线，实时监测状态监控曲线，当状态监控曲线超出预警线则进行异常和风险提示报警；

所述泄压操作点的初判点是指：在降温周期内，温度曲线平稳下降过程中某一时间点出现温度下降突变，则该点作为泄压操作点的初判点；

所述泄压操作点的判定方式为：在降温周期内，当某一个时间点初步判定为泄压操作点时，从泄压判定临界时间，当且仅当满足以下三个条件时，该点判定为泄压操作点：该点温度低于泄压判定临界温度；

前后三分钟降温差值超过10倍；

该点之后三分钟内温度三连降；

所述泄压判定临界温度确定方式为：在获得所有历史降温周期的泄压操作点后，选择一个大于所有历史降温周期泄压操作点的温度作为泄压判定临界温度；

所述有效降温截止时间是指：热罐内温度真实值从开始降温至有效降温截止温度所需时长，定义为有效降温截止时间；

所述主冷凝水开启时间判定方式为：对于每一个降温周期内的主冷凝水进水口温度、主冷凝水出水口温度以及主冷凝水水流量数据采集曲线，某一个时间点当且仅当满足以下四个条件时，判定为主冷凝水开启时间：该时刻之前水流量10分钟内处于稳定状态，且波动范围在±10立方米/小时；

该时刻水流量小于1立方米每小时；

该时刻之后五分钟水流量均值大于主冷凝水开启第一判定流量；

该时刻之后五到十分钟水流量均值大于主冷凝水开启第二判定流量；

所述计算得出热压罐的主冷凝水消耗总体积，包括：从主冷凝水开启时间开始，到该降温周期的有效降温截止时间，对每分钟的热压罐主冷凝水水流量乘以60再求和，最终得到主冷凝水消耗总体积；

所述计算得出热压罐的主冷凝水消耗总热量，包括：首先根据比热容公式

；

；

；

为热量， 为比热容， 为质量， 为温度差， 为密度， 为体积， 为流量，为时间，则有：；

则在第1到第 分钟，主冷凝水消耗总热量为：；

其中， 为采样频率，  为第n时刻流量， 为第n时刻的温度， 为第n‑1时刻的温度，n为当前时刻；

所述主冷凝水散热功率为单位体积主冷凝水从热压罐内带走的热量为主冷凝水的散热功率。

说明书

一种基于标准冷凝曲线的冷凝系统状态监控方法

技术领域

[0001] 本发明涉及飞机制造领域，尤其涉及复合材料成型，更具体的说涉及一种基于标准冷凝曲线的冷凝系统状态监控方法。

背景技术

[0002] 先进复合材料（Advanced composite materials，简称ACM）主要指高性能纤维（如硼纤维、碳纤维和芳纶）等增强的树脂基复合材料，以其耐高温、耐疲劳、阻尼减震性号、破损安全性好、性能可设计等优势，逐渐取代金属部件，在现代飞行器表面上取得重要应用。热压罐是复合材料成型工艺中最主要的一种关键设备，是一个具有整体加热系统的压力容器。在零件固化过程中，热压罐需保证零件以一定的升温速率进行升温、恒温或降温，其中，依靠冷凝水吸热降温的主冷凝器在热压罐降温过程中具有重要作用。

[0003] 热压罐内的主冷凝器以及与之配套的冷凝系统对热压罐降温功能具有重要影响，但是主冷凝器和冷凝系统具有封闭式结构，存在检修困难的问题，一旦出现明显性故障则有可能影响整罐复材零部件的成型质量，造成巨大损失。当前热压罐设备虽然对罐内温度、压力有实时监控，但并没有对冷凝水温度与流量进行实时监控并分析。又因在实际生产过程中，热压罐每次进罐的零件种类和数量有较大的不确定性，如何对采集到的实时监控数据进行有效处理与分析，提取有效特征曲线，进而监控热压罐冷凝系统的实时状态，若有异常和风险及时提示报警，成为了亟待解决的问题。

发明内容

[0004] 为了解决上述现有技术中存在的问题和不足，本发明提出了一种基于标准冷凝曲线的冷凝系统状态监控方法，能够快速、有效且科学地解决热压罐冷凝系统的状态监控问题。

[0005] 为了实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：

[0006] 一种基于标准冷凝曲线的冷凝系统状态监控方法，包括以下步骤：

[0007] 以固定频率采集热压罐主冷凝水进水口温度、主冷凝水出水口温度、热压罐内真实温度、热压罐内设置温度以及热压罐主冷凝水水流量的历史数据，利用历史数据统计分析得出关键参数的阈值，定义为标准参数，制作形成一条标准冷凝曲线；

[0008] 通过标准冷凝曲线判断热压罐在每一个降温周期内的泄压操作点，泄压操作点处温度可判定为其有效降温截止温度；

[0009] 对于每一个降温周期，以相同的频率实时采集热压罐主冷凝水进水口温度、热压罐主冷凝水出水口温度、热压罐内真实温度、热压罐内设置温度以及热压罐主冷凝水水流量数据进行拟合分析，计算得出热压罐的有效降温截止时间、主冷凝水开启时间、主冷凝水消耗总体积、主冷凝水消耗总热量和主冷凝水散热功率；根据热压罐所有降温周期的有效降温截止时间、主冷凝水开启时间、主冷凝水消耗总体积、主冷凝水消耗总热量和主冷凝水散热功率制作形成相应的状态监控曲线；

[0010] 根据标准冷凝曲线，判定状态监控曲线的预警线，实时监测状态监控曲线，当状态监控曲线超出预警线则进行异常和风险提示报警。

[0011] 作为优选地，在降温周期内，温度曲线平稳下降过程中某一时间点出现温度下降突变，则该点可作为泄压操作点的初判点。

[0012] 作为优选地，在降温周期内，当某一个时间点初步判定为泄压操作点时，从泄压判定临界时间，当且仅当满足以下三个条件时，该点可判定为泄压操作点：

[0013]  1)该点温度低于泄压判定临界温度；

[0014]  2)前后三分钟降温差值超过10倍；

[0015]  3)该点之后三分钟内温度三连降。

[0016] 作为优选地，热罐内温度真实值从开始降温至有效降温截止温度所需时长，定义为有效降温截止时间。

[0017] 作为优选地，对于每一个降温周期内的主冷凝水进水口温度、主冷凝水出水口温度以及主冷凝水水流量数据采集曲线，某一个时间点当且仅当满足以下四个条件时，可判定为主冷凝水开启时间：

[0018]  1)该时刻之前水流量10分钟内处于稳定状态，且波动范围在±10立方米/小时；

[0019]  2)该时刻水流量小于1立方米每小时；

[0020]  3)该时刻之后五分钟水流量均值大于主冷凝水开启第一判定流量；

[0021]  4)该时刻之后五到十分钟水流量均值大于主冷凝水开启第二判定流量。

[0022] 作为优选地，所述计算得出热压罐的主冷凝水消耗总体积，包括：

[0023] 从主冷凝水开启时间开始，到该降温周期的有效降温截止时间，对每分钟的热压罐主冷凝水水流量乘以60再求和，最终得到主冷凝水消耗总体积。

[0024] 作为优选地，所述计算得出热压罐的主冷凝水消耗总热量，包括：

[0025] 首先根据比热容公式

[0026]   ；

[0027]   ；

[0028]   ；

[0029]   为热量， 为比热容， 为质量， 为温度差， 为密度， 为体积， 为流量， 为时间，则有：

[0030]   ；

[0031] 则在第1到第 分钟，主冷凝水消耗总热量为：

[0032]   ；

[0033] 其中， 为采样频率， 为第n时刻流量， 为第n时刻的温度， 为第n‑1时刻的温度，n为当前时刻。

[0034] 作为优选地，所述主冷凝水散热功率为单位体积主冷凝水从热压罐内带走的热量为主冷凝水的散热功率。

[0035] 本发明的有益效果：

[0036]  1、本发明通过找到泄压操作点后判定有效降温截止温度，进而确定有效降温截止时间的方法，得到在热压罐下降固定温度的情况下，主冷凝水消耗的总体积、带走的热量和主冷凝水散热功率，由此监控热压罐冷凝系统状态，为冷凝泵维修、冷凝塔清洗及冷凝水更换等预防性维修提供判据，实现产品因设备故障导致的不合格率降低了50%。

[0037] 2、本发明用于精确性监测冷凝系统运行状态，除用于复合材料热压罐成型外，可推广至其他用液体介质进行冷却的降温系统进行精确监控，例如发电工业等。

附图说明

[0038] 本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：

[0039] 图1为本发明标准冷凝曲线图；

[0040] 图2为本发明有效降温截止时间曲线图；

[0041] 图3为本发明主冷凝水开启时间曲线图；

[0042] 图4为本发明主冷凝水消耗总体积曲线图；

[0043] 图5为本发明主冷凝水消耗总热量曲线图；

[0044] 图6为本发明主冷凝水散热功率曲线图。

具体实施方式

[0045] 为了使本领域的技术人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明发明目的的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

[0046] 热压罐是复合材料成型工艺中最主要的一种关键设备，是一个具有整体加热系统的压力容器。在零件固化过程中，热压罐需保证零件以一定的升温速率进行升温、恒温或降温，其中，依靠冷凝水吸热降温的主冷凝器在热压罐降温过程中具有重要作用。热压罐内的主冷凝器以及与之配套的冷凝系统对热压罐降温功能具有重要影响，但是主冷凝器和冷凝系统具有封闭式结构，存在检修困难的问题，一旦出现明显性故障则有可能影响整罐复材零部件的成型质量，造成巨大损失。

[0047] 当前热压罐设备虽然对罐内温度、压力有实时监控，但并没有对冷凝水温度与流量进行实时监控并分析。又因在实际生产过程中，热压罐每次进罐的零件种类和数量有较大的不确定性，如何对采集到的实时监控数据进行有效处理与分析，提取有效特征曲线，进而监控热压罐冷凝系统的实时状态，若有异常和风险及时提示报警，成为了亟待解决的问题。

[0048] 基于此，本发明的实施例提出了一种基于标准冷凝曲线的冷凝系统状态监控方法，能够快速、有效且科学地解决热压罐冷凝系统的状态监控问题。本发明中的标准冷凝曲线包括的基础要素是：主冷凝水进水口温度、主冷凝水出水口温度、热压罐内真实温度、热压罐内设置温度以及主冷凝水水流量这五个数据组成的五条“数据采集曲线”，热压罐内真实温度曲线具有明显的泄压操作点，主冷凝水水流量曲线具有明显可区分的主冷凝水开启点和主冷凝水稳定点。本发明在此基础上，提出一种针对热压罐冷凝系统状态的监控方法，所述方法具体包括以下步骤：

[0049] 步骤S1.在每一个降温周期内，以固定频率（例如1次/min）采集与热压罐相关的降温阶段特征参数，包括热压罐主冷凝水进水口温度、主冷凝水出水口温度、热压罐内真实温度、热压罐内设置温度以及热压罐主冷凝水水流量这几个参数的历史数据，然后对这些历史数据进行统计分析，得到这些关键参数的阈值，将其定义为标准参数，最后根据这些标准参数制作形成一条标准冷凝曲线，标准冷凝曲线图参照说明书附图1所示；

[0050] 步骤S2.通过制作得到的标准冷凝曲线判断热压罐每一个降温周期内的泄压操作点，进一步地，泄压操作点处对应的温度可判定为热压罐的有效降温截止温度。

[0051] 在本实施例中，需要说明的是，在降温周期内，热压罐内真实温度数据采集曲线平稳下降过程中若出现下降突变，则突变对应的点可作为泄压操作点的判据（泄压操作点的初判点）。进一步地，当降温周期内，某一个时间点被初步判定为泄压操作点时，从该时刻起，当且仅当满足以下三个条件时，该点才可最终被判定为泄压操作点：

[0052]  1）该点温度低于泄压判定临界温度；

[0053]  2）前后三分钟降温差值超过10倍；

[0054]  3）该点之后三分钟内温度三连降。

[0055] 在本实施例中，泄压判定临界温度的确定方式具体如下：

[0056] 在获得所有历史降温周期的泄压操作点后，为排除无关变量/手工泄压操作的影响，需选择一个大于所有历史降温周期泄压操作点的温度作为泄压判定临界温度。

[0057] 例如，本案例通过对某热压罐连续300个降温周期，计算泄压操作点。泄压操作点指在热压罐罐内零件或工装降至一定温度后，操作工人手动对热压罐执行泄压操作，在曲线图上体现为热压罐真实温度曲线会出现一个明显的剧烈下降。通过以上泄压操作点判断逻辑可知，在本工况中300个历史降温周期的泄压操作点所对应的有效降温截止温度均小于40℃，则确定40℃为泄压判定临界温度。泄压判定临界温度一定要大于该设备所有正常降温的泄压操作点温度，若设备及固化参数不同，泄压判定临界温度可以不同。也可以所有泄压操作点温度的上限作为泄压判定临界温度。

[0058] 步骤S3.以相同的频率实时采集热压罐主冷凝水进水口温度、热压罐主冷凝水出水口温度、热压罐内真实温度、热压罐内设置温度以及热压罐主冷凝水水流量数据并进行分析计算，通过计算得到每一个降温周期内热压罐的有效降温截止时间、主冷凝水开启时间、主冷凝水消耗总体积、主冷凝水消耗总热量和主冷凝水散热功率；根据热压罐所有降温周期的有效降温截止时间、主冷凝水开启时间、主冷凝水消耗总体积、主冷凝水消耗总热量和主冷凝水散热功率制作形成相应的状态监控曲线。

[0059] 在本实施例中，对于有效降温截止时间，热压罐内温度真实值从开始降温至温度降至有效降温截止温度所需的时长，定义为有效降温截止时间。有效降温截止时间对应的状态监控曲线参照说明书附图2所示，本案例中，由图中300个降温周期有效降温截止时间及预警线可知，绝大部分有效降温截止时间均在85±10min，但是110到140个周期有效降温截止时间突然高于100min，显示热压罐降温功能（例如风机）出现故障，需进行预防性维修。

[0060] 在本实施例中，对于热压罐的主冷凝水开启时间，根据每一个降温周期内的主冷凝水进水口温度、主冷凝水出水口温度以及主冷凝水水流量这三个数据采集曲线，当其中某一个时间点当且仅当满足以下四个条件时，该时刻可判定为主冷凝水开启时间：

[0061]  1）该时刻之前热压罐内水流量10分钟内处于稳定状态，且波动范围在±10立方米/小时；

[0062]  2）该时刻热压罐内水流量小于1立方米每小时；

[0063]  3）该时刻之后热压罐五分钟水流量均值大于主冷凝水开启第一判定流量；

[0064]  4）该时刻之后热压罐五到十分钟水流量均值大于主冷凝水开启第二判定流量。

[0065] 在本案例中，主冷凝水开启第一判定流量设定为10立方米/小时；主冷凝水开启第二判定流量设定为70立方米/小时。

[0066] 在本案例中，300个降温周期主冷凝水开启时间状态监控曲线参照说明书附图3所示，主冷凝水开启时间应维持在一个相对的高位，可用于辅助判定预冷设备的实际降温功率。

[0067] 在本实施例中，针对主冷凝水消耗总体积，计算主冷凝水消耗的体积的逻辑判据为：

[0068] 从主冷凝水开启时间开始，到该降温周期的有效降温截止点，对每分钟的水流量乘以60再求和，得到主冷凝水消耗的体积，单位为立方米。（水流量单位立方米每小时，数据采集间隔为1min，故有60倍的单位换算）。

[0069] 在本案例中，300个降温周期主冷凝水消耗总体积状态监测曲线参照说明书附图4，消耗冷凝水体积应维持在一个相对的高位，本设备为120±15立方米。若突然高于此范围，则可能是热压罐降温功能（例如风机）出现故障；若低于此范围，则可能是冷凝塔需要清洗、水泵需要维修、冷凝水需要更换等原因。冷凝器的酸洗对主冷凝水消耗总体积影响相对较少。

[0070] 在本实施例中，主冷凝水消耗总热量即为主冷凝水带走的热压罐内的总热量，具体计算过程如下：

[0071] 首先根据比热容公式有：

[0072]   ；

[0073]   ；

[0074]   ；

[0075] 其中， 为热量， 为比热容（水的比热容为4200J/(kg·℃)，密度1000kg/m³），为质量， 为温度差， 为密度， 为体积， 为流量， 为时间，则有：

[0076]   ；

[0077] 进一步地，因数据采集频率为每分钟，在第1到第 分钟，主冷凝水消耗总热量为：

[0078]   ；

[0079]   ；

[0080] 其中， 为采样频率， 为第n时刻流量， 为第n时刻的温度， 为第n‑1时刻的温度，n为当前时刻；

[0081] 由此计算每个降温周期内，热压罐中主冷凝水消耗的总热量。

[0082] 本案例中，300个降温周期主冷凝水消耗总热量状态监测曲线参照说明书附图5所示。

[0083] 在本实施例中，针对主冷凝水散热功率，定义单位体积主冷凝水从热压罐内带走的热量为主冷凝水的散热功率，故主冷凝水的平均散热功率等于主冷凝水带走总热量除以主冷凝水消耗总体积。本案例中，300个降温周期的主冷凝水散热功率状态监测曲线参照说明书附图6所示。

[0084] 步骤S4.根据标准冷凝曲线，判定状态监控曲线的预警线，实时监测状态监控曲线，当状态监控曲线超出预警线则进行异常和风险提示报警。

[0085] 在本发明中，预警线为通过标准冷凝曲线经计算分析后得到的相应的特征参数的阈值，特征参数包括有效降温截止时间、主冷凝水开启时间、主冷凝水消耗总体积、主冷凝水消耗总热量和主冷凝水散热功率，特征参数阈值的计算方法参照以上所述的方法执行。

[0086] 本发明通过找到泄压操作点后判定有效降温截止温度，进而确定有效降温截止时间的方法，得到在热压罐下降固定温度的情况下，主冷凝水消耗的总体积、带走的热量和主冷凝水散热功率，由此监控热压罐冷凝系统状态，为冷凝泵维修、冷凝塔清洗及冷凝水更换等预防性维修提供判据。

[0087] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的阻碍，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。