一种用于新材料水热法合成的智能系统及控制方法
技术领域
本发明属于智能控制及物联网技术领域，具体涉及一种用于新材料水热法合成的智能系统及控制方法。
背景技术
水热反应因其反应介质为水，具有明显的环境友好的特性。水热法属于液相反应的范畴，是指在特定的密闭反应器中，采用水溶液作为反应体系，通过对反应体系加热、加压而进行无机合成与材料处理的一种有效方法，在水热条件下可以使反应得以实现，在水热反应中，水既可以作为一种化学组分起反应并参与反应，又可以是溶剂和膨化促进剂，同时又是一种压力传递介质，通过加速渗透反应和控制其过程的物理化学因素，实现无机化合物的形成和改进，水热法在合成无机纳米功能材料方面具有如下优势：明显降低反应温度(100-240℃);能够以单一步骤完成产物的形成与晶化，流程简单;能够控制产物配比;制备单一相材料;成本相对较低;容易得到取向好、完美的晶体;在生长的晶体中，能均匀地掺杂;可调节晶体生成的环境气氛。
目前，水热反应实验合成过程，一般需要人为操作实验、观察实验进程、记录数据以及结束实验，整个流程对于人的依赖性严重，劳动强度大、时间长，并且实验过程无干预与实时监控很容易造成较大误差。特别是对于实验记录、实验过程数据的监控缺失，很容易造成实验合成管理不规范、质量不高无法达到实验或合成效果，影响实验进程。同时实时监控的不到位，需要人工转移反应罐等问题很容易造成实验不安全隐患，给实验人员及实验平台带来损害风险。
本发明的目的是：旨在提供一种用于新材料水热法合成的智能系统及控制方法，用于解决新材料水热反应合成过程中数据智能化监测、云端存储、大数据分析及反应设备智能化运行等问题。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于新材料水热法合成的智能系统，包括：水热反应系统、云端数据库、前端网页，所述水热反应系统由水热反应系统、实时监控模块、数据检测记录模块组成，所述云端数据库由大数据分析模块、实验数据处理模块构成，所述前端网页设置有实验预约页面、实验情况查看页面、实验数据查看页面、反应过程查看页面、停止实验页面。
进一步，所述前端网页还包括用于身份识别的登录页面。
进一步，所述实时监控模块设置有用于预警提醒的报警模块。
进一步，所述水热反应系统包括：反应罐、设置有感知传感器的置物架、可实现X、Y、Z、A轴方向移动的机械臂与机械手，以及设置有门控电磁铁的烘箱。
进一步，所述水热反应系统还包括：用于系统控制的MCU控制器，以及实现MCU控制器与机械臂通讯的以太网接口，所述MCU控制器与云端数据库、前端网页实时通讯连接。
一种用于新材料水热法合成的智能系统的控制方法，包括如下步骤：
S1、实验员打开前端网页进入预约页面进行实验预约，并等待审核员审核;
S2、审核通过启动水热反应系统开始反应，审核未通过返回步骤S1;
S3、数据检测记录模块将反应过程中各项检测参数记录并上传至云端数据库;
S4、实现监测模块对反应过程异常参数进行监测并将实时数据上传云端数据库;
S5、反应过程监测无异常执行步骤S4，反应过程监测有异常执行步骤S6;
S6、实时监测模块发出预警提醒实验人员，系统设定时间内预警提醒消除返回步骤S5;
S7、系统设定时间内预警提醒未消除，自动停止本次实验;
S8、整个反应时长达到预设时间，结束本次实验，未达到则返回步骤S2。
进一步，所述S1步骤具体如下：
S101、实验人员进行身份识别，并设定实验名称、反应温度、反应时长以及待反应罐放置位号，通过前端网页设置进入预约页面进行审核信息提交审核。
进一步，还包括如下步骤：
通过前端网页进入实验情况查看页面、实验数据查看页面、反应过程查看页面、停止实验页面可进行如下步骤：
S301、通过实验情况查看网页查看反应实时温度，反应剩余时长数据，并为反应罐选择反应完成后的放置位号;
S302、通过反应过程查看页面根据实验名称以及实验日期进行查找当前反应过程或历史反应过程;
S303、通过实验数据查看网页根据实验名称以及实验日期进行查找当前反应数据或历史反应数据。
进一步，还包括如下步骤：
S401、云端数据库存储反应过程以及实验数据，并对实验数据进行大数据分析处理，提供实验优化数据支持。
进一步，还包括如下步骤：
S501、MCU控制器接收前端网页控制软件的指令，并感应设备工作状态，当设备处于忙状态，忽略控制指令，当设备处于空闲状态，检测指定置物架位号和指定烘箱位号的状态，若两者均空闲，则执行指令;
S502、反应设备复位，MCU控制器控制机械臂向A轴、X轴、Y轴和Z轴方向移动，使机械手对应到目标置物架位号，并利用机械手实现合成材料的反应罐的抓取，并运行到目标烘箱位号，放置反应罐;
S503、固定反应罐退出烘箱并通过门控电磁铁关闭烘箱门，使设备进行材料的自动合成;
S504、在合成完成后，复位机械臂A轴并使之移动到烘箱目标号位，打开烘箱门，并协调机械臂X轴、Y轴和Z轴到烘箱目标位号，配合机械手夹取合成后的反应罐，并移动机械臂X轴、Y轴和Z轴到对应置物架号位，利用机械手放置反应罐;
反应过程数据实时上传云端数据库进行存储与大数据分析，为材料合成优化提供数据支持。
采用上述技术方案的发明，具有如下优点：
1.本发明利用物联网云端技术与水热反应系统的技术结合，有效提升水热反应合成实验过程的规范性与质量;
2.本发明通过特殊机械机构与控制系统的协同控制配合，实现反应设备的智能化抓取与转移，大幅度提升实验合成的工作效率与智能化水平。
附图说明
本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明;
图1为本发明一种用于新材料水热法合成的智能系统框架图;
图2为本发明一种用于新材料水热法合成的水热反应系统框架图;
图3为本发明一种用于新材料水热法合成的智能系统控制流程图;
图4为本发明一种用于新材料水热法合成的智能系统反应罐转移流程图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种用于新材料水热法合成的智能系统，包括：水热反应系统、云端数据库、前端网页，所述水热反应系统由水热反应系统、实时监控模块、数据检测记录模块组成，所述云端数据库由大数据分析模块、实验数据处理模块构成，所述前端网页设置有实验预约页面、实验情况查看页面、实验数据查看页面、反应过程查看页面、停止实验页面。前端网页还包括用于身份识别的登录页面。实时监控模块设置有用于预警提醒的报警模块。
水热反应系统：水热反应设备进行纳米材料合成实验;实时监视模块在实验中记录反应过程，并将记录上传到云端，当实验过程中出现异常时，监视模块自动报警，提醒实验人员，若实验人员未在系统设定的报警时间内归位关闭报警器，则自动停止实验;数据检测记录模块将被检测的各项参数上传至云端。
云端数据库：存储反应过程以及实验数据;对实验数据进行大数据分析;实验数据处理。
前端网页：实验预约(设定实验名称、实验温度、时长等参数，待反应罐放置位号，等待管理员通过该预约);实验情况查看(可看到反应实时温度，反应剩余时长等数据，并为反应罐选择反应完成后的放置位号);反应过程查看(可看到当前反应过程，历史反应过程通过实验名称以及实验日期进行查找);实验数据查看(可看到当前反应数据，历史反应数据通过实验名称以及实验日期进行查找);停止实验(只有管理员级别的用户有此权限)。
如图2所示，水热反应系统包括：反应罐、设置有感知传感器的置物架、可实现X、Y、Z、A轴方向移动的机械臂与机械手，以及设置有门控电磁铁的烘箱。水热反应系统还包括：用于系统控制的MCU控制器，以及实现MCU控制器与机械臂通讯的以太网接口，所述MCU控制器与云端数据库、前端网页实时通讯连接。
如图3所示，一种用于新材料水热法合成的智能系统的控制方法，包括如下步骤：
S1、实验员打开前端网页进入预约页面进行实验预约，并等待审核员审核;
S2、审核通过启动水热反应系统开始反应，审核未通过返回步骤S1;
S3、数据检测记录模块将反应过程中各项检测参数记录并上传至云端数据库;
S4、实现监测模块对反应过程异常参数进行监测并将实时数据上传云端数据库;
S5、反应过程监测无异常执行步骤S4，反应过程监测有异常执行步骤S6;
S6、实时监测模块发出预警提醒实验人员，系统设定时间内预警提醒消除返回步骤S5;
S7、系统设定时间内预警提醒未消除，自动停止本次实验;
S8、整个反应时长达到预设时间，结束本次实验，未达到则返回步骤S2。
其中，S1步骤具体如下：
S101、实验人员进行身份识别，并设定实验名称、反应温度、反应时长以及待反应罐放置位号，通过前端网页设置进入预约页面进行审核信息提交审核。
为进一步优化实验管理，还包括如下步骤：
通过前端网页进入实验情况查看页面、实验数据查看页面、反应过程查看页面、停止实验页面可进行如下步骤：
S301、通过实验情况查看网页查看反应实时温度，反应剩余时长数据，并为反应罐选择反应完成后的放置位号;
S302、通过反应过程查看页面根据实验名称以及实验日期进行查找当前反应过程或历史反应过程;
S303、通过实验数据查看网页根据实验名称以及实验日期进行查找当前反应数据或历史反应数据。
S401、云端数据库存储反应过程以及实验数据，并对实验数据进行大数据分析处理，提供实验优化数据支持。
如图4所示，热水反应系统中反应罐具体转移流程如下：
S501、MCU控制器接收前端网页控制软件的指令，并感应设备工作状态，当设备处于忙状态，忽略控制指令，当设备处于空闲状态，检测指定置物架位号和指定烘箱位号的状态，若两者均空闲，则执行指令;
S502、反应设备复位，MCU控制器控制机械臂向A轴、X轴、Y轴和Z轴方向移动，使机械手对应到目标置物架位号，并利用机械手实现合成材料的反应罐的抓取，并运行到目标烘箱位号，放置反应罐;
S503、固定反应罐退出烘箱并通过门控电磁铁关闭烘箱门，使设备进行材料的自动合成;
S504、在合成完成后，复位机械臂A轴并使之移动到烘箱目标号位，打开烘箱门，并协调机械臂X轴、Y轴和Z轴到烘箱目标位号，配合机械手夹取合成后的反应罐，并移动机械臂X轴、Y轴和Z轴到对应置物架号位，利用机械手放置反应罐;
反应过程数据实时上传云端数据库进行存储与大数据分析，为材料合成优化提供数据支持。
置物架上有16个位号，第一个位号上放有一个光电传感器，用以感知位号的状态，当位号上有反应罐放置时，光电传感器输出高电平信号到MCU控制器的GPIO口，依此类推，可以统计置物架上的十六个位号的状态，为控制提供条件。门控电磁铁用于吸附烘箱门，使之紧闭，主要通过MCU控制器的GPIO口输出高低电平信号，使门控电磁铁通过配合检测烘箱门的限位开关信号，同样用MCU控制器的GPIO口控制烘箱门的开关。
以上对本发明提供的一种用于新材料水热法合成的智能系统及控制方法进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
