基于虛擬儀器的輪胎硫化溫度、壓力控制系統(tǒng)設計測量控制部分軟硬件設計

1、內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）題 目：基于虛擬儀器的輪胎硫化溫度、壓力控制系統(tǒng)設計-測量控制部分軟硬件設計55基于虛擬儀器的輪胎硫化溫度、壓力控制系統(tǒng)設計-測量控制部分軟硬件設計摘 要本設計是基于labview設計的輪胎硫化的溫度、壓力控制系統(tǒng)，采用了現(xiàn)在國際上比較先進的技術(shù)-虛擬儀器。虛擬儀器是指通過應用程序?qū)⒂嬎銠C、軟件的功能模塊和儀器硬件結(jié)合起來，用戶可以通過友好的圖形界面（簡稱前面板）來操作這臺計算機就像在操作自己定義、自己設計的一臺個人儀器一樣，從而完成對被測信號的采集、分析、顯示、數(shù)據(jù)存儲等。本文簡要介紹了輪胎硫化生產(chǎn)過程，主要闡述了一種輪胎硫化控制系統(tǒng)的控制方法及其實現(xiàn)

2、。硫化是輪胎生產(chǎn)中影響輪胎質(zhì)量的一個重要環(huán)節(jié)。硫化過程受多種因素的影響，其中，溫度、壓力、時間被稱為硫化的三要素。影響輪胎硫化的三要素中由于對溫度的控制比較復雜，所以在輪胎硫化控制系統(tǒng)中，它就成為系統(tǒng)控制的關鍵。該控制系統(tǒng)，包括溫度壓力給定信號的設定、現(xiàn)場溫度壓力信號的采集以及溫度壓力的調(diào)節(jié)等等。最終通過計算機輸出的控制信號去驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)來控制閥門的開度，進而實現(xiàn)現(xiàn)場溫度的控制。關鍵詞：輪胎硫化；數(shù)據(jù)采集；pid控制；labview內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）the tire curing temperature, pressure control system design pa

3、rt based on the virtual instrument - measurement hardware and software control designabstractthis design is based on temperature, pressure control systems of tire curing which is designed by labview ,this design has used the present internationally quite advanced technology-virtual instrument. virtu

4、al instrument is through the application of the process to combine with computer, software modules and instrument hardware, the user can, through a friendly graphical interface (the front panel) to operate this computer as defined in the operation of their own design of a personal the same apparatus

5、 in order to complete the test signal collection, analysis, display, data storage and so on.this paper introduces the tire curing process, mainly on the control method and its implementation of a tire curing control system. sulfuration is an important link of impact of tire quality on the production

6、 of tire curing process is affected by many factors, including temperature, pressure, time were named the three elements of vulcanization. in the three elements of tire curing, control temperature is more complicated , so in the tire curing control system, it has become a key control system. the con

7、trol system, including temperature and pressure settings for a given signal, on-site temperature and pressure of the collected signal and the regulation of temperature and pressure and so on. the ultimate control of the computer output signal to drive the implementation of institutions to control th

8、e opening of the valve, and proceed to realize the temperature control at the scene.key words: tire curing; data acquisition; pid control; labview內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）目 錄摘 要iabstractii目 錄1第一章 輪胎硫化41.1 輪胎硫化的背景41.2 輪胎硫化的工藝要求41.3 輪胎硫化的方式、方法及步驟61.3.1 輪胎硫化的方式61.3.2 輪胎硫化的方法71.3.3 輪胎硫化的步驟71.4 硫化過程的主要問題8第二章

9、labview的簡介102.1 虛擬儀器的產(chǎn)生102.2 虛擬儀器的概況102.2.1 虛擬儀器的特點112.2.2 labview的優(yōu)勢122.3 虛擬儀器的構(gòu)成13第三章 系統(tǒng)的總體設計163.1 系統(tǒng)的總原理框圖163.2 labview的總面板及程序設計18第四章 硬件設計224.1 傳感器和變送器選擇224.1.1 測溫原理224.1.2 pt100熱電阻簡介224.1.3 pt100溫度傳感器的主要參數(shù)234.1.4 擴散硅式差壓變送器244.2 信號調(diào)理模塊244.2.1 信號調(diào)理的方法244.2.2 rtd01簡介264.2.3 rtd噪聲的考慮264.3 數(shù)據(jù)采集卡的選擇27

10、4.3.1 數(shù)據(jù)采集卡的主要性能指標274.3.2 數(shù)據(jù)采集卡（daq）卡的組成284.3.3 ni pci-6221數(shù)據(jù)采集卡284.4 伺服放大器294.4.1 伺服放大器概述294.4.2 主要技術(shù)參數(shù)294.4.3 工作原理與結(jié)構(gòu)304.4.4 模擬調(diào)試314.4.5 接入系統(tǒng)調(diào)試324.5 電動伺服操作器dfd-0500324.6 電動執(zhí)行機構(gòu)dkz5500m344.7 執(zhí)行部分接線圖35第五章 軟件設計365.1 模塊設計365.2 溫度、壓力的采集顯示存儲輸出子程序375.2.1 溫度、壓力設定375.2.2 溫度壓力采集子程序385.2.3 溫度顯示轉(zhuǎn)換框圖385.2.4 數(shù)據(jù)

11、保存回放模塊395.2.5 輸出模塊395.3 pid控制器設計405.3.1 控制系統(tǒng)的分類405.3.2 pid控制的原理和特點415.3.3 pid控制算法435.3.4 pid控制器的參數(shù)整定455.4 溫度、壓力的模擬控制465.4.1 溫度的pid模擬控制465.4.2 壓力的模擬控制475.5 系統(tǒng)調(diào)試485.5.1 找出語法錯誤495.5.2 慢速跟蹤495.5.3 斷點與單步執(zhí)行495.5.4 設置探針49總 結(jié)51參考文獻52附錄53致謝54第一章 輪胎硫化1.1 輪胎硫化的背景輪胎硫化是輪胎加工生產(chǎn)過程中很重要的一部分,橡膠在未硫化之前，分子之間沒有產(chǎn)生交聯(lián)，因此缺乏良好

12、的物理機械性能，實用價值不大。當橡膠進行 硫化以后，經(jīng)熱處理或其他方式能使橡膠分子之間產(chǎn)生交聯(lián)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使其性能大大改善，尤其是橡膠的定伸應力、彈性、硬度、拉伸強度等一系列物理機械性能都會大大提高。1.2 輪胎硫化的工藝要求（1）本控制系統(tǒng)可按設定的硫化曲線，對整個硫化過程進行自動控制，且各段溫度、時間皆可調(diào)。下圖分別為溫度壓力設定曲線。 圖1.1 溫度控制曲線 圖1.2 壓力控制曲線（2）當溫度達不到要求時，根據(jù)公式自動計算等效硫化時間，自動進行等效硫化。等效硫化公式（其中硫化溫度系數(shù)可調(diào)）如下：1/2=k (t2-t1)/101溫度為t1的硫化時間2溫度為t2的硫化時間k硫化

13、溫度系數(shù)（該系數(shù)根據(jù)產(chǎn)品不同為可變值）（3）溫度控制精度為1（0160）（4）蒸汽壓力控制精度0.02mpa（5）測溫輸入點為9點，即罐體上，中，下各3點。每一測溫與同層的實際誤差保證在1以內(nèi)。（6）罐體上、下的溫度差超過輸入的設定溫度時，自動排放罐底冷凝水，保證硫化罐體內(nèi)溫度的平穩(wěn)性、均一性，在排放冷凝水后一分鐘內(nèi)允許有2的誤差。1.3 輪胎硫化的方式、方法及步驟1.3.1 輪胎硫化的方式硫化工藝過程根據(jù)硫化介質(zhì)的不同而有明顯的區(qū)別，硫化介質(zhì)主要給硫化過程提供溫度和壓力，硫化中，內(nèi)溫和外溫通常不為同一熱源，外溫介質(zhì)一般為蒸汽，內(nèi)溫介質(zhì)一般分為“過熱水”、“高溫蒸汽”、“蒸汽/氮氣”和“熱氮”

14、四種。國內(nèi)輪胎廠家一般采用“過熱水”和“蒸汽”作為內(nèi)溫介質(zhì)。下面簡要介紹四種內(nèi)溫硫化方式的基本步驟及優(yōu)缺點。（1）過熱水硫化。首先采用低壓蒸氣使輪胎定型，然后利用高壓過熱水進行硫化，硫化中溫度一般為170180度，內(nèi)壓一般在2.22.6兆帕。它的優(yōu)點是，硫化效果比較均勻，外觀合格率較高，過熱水性質(zhì)穩(wěn)定，不存在溫度衰減等問題；缺點是，硫化溫度低，時間長，效率低，設備不易于安裝和維護。（2）高溫蒸汽硫化。該方式直接將高壓飽和蒸汽通入膠囊中，內(nèi)壓一般為1.61.9兆帕，內(nèi)溫一般為190210度。優(yōu)點是，時間短，硫化效率高，飽和蒸汽使硫化中能耗降低，削減了設備投資；缺點是，對輪胎生產(chǎn)中其它工序的設備和

15、裝置有嚴格的要求，硫化中，內(nèi)壓偏低，容易造成局部壓力不足。（3）蒸汽/氮氣硫化。首先向膠囊中通入低壓氮氣或蒸汽進行定型，然后在通入190210度高壓飽和蒸汽之后，再向膠囊中通入2.02.6兆帕高純氮氣進行增壓硫化。優(yōu)點是，與全蒸汽硫化方式相比，減少了蒸汽耗費，降低了能源消耗，增加了膠囊壽命，提高了合格率。（4）熱氮硫化。將經(jīng)過提純和干燥后的氮氣電加熱至180度左右之后，再用壓縮機將其加壓至3.0兆帕，通過專用循環(huán)裝置使其在膠囊內(nèi)循環(huán)。目前，后兩種硫化方式較前兩種有明顯的優(yōu)勢和更廣闊市場前景。但在實際應用中，它們都有一些共同的問題需要考慮，如氣體泄露、溫差、溫度下降等，其硫化工藝也尚存在一些不完

16、善的地方，有待進一步從理論和實際兩個方面著手改進。硫化工藝過程取決硫化介質(zhì)，而硫化介質(zhì)的選取必須綜合考慮兩個方面的因素，一是對輪胎各項物理機械性能的保證，如抓著力、耐久性能和外觀質(zhì)量等；二是要求能在生產(chǎn)過程中降低成本，提高生產(chǎn)效率，減少能耗和環(huán)境污染。1.3.2 輪胎硫化的方法傳統(tǒng)控制方法：傳統(tǒng)控制硫化過程的方法是定時控制，這種方法是假定橡膠硫化的過程中模柜內(nèi)溫度和壓力保持恒定，但是由于鍋爐蒸汽壓力波動以及蒸汽在管道中傳輸溫度遞減等因素的影響，硫化溫度很不穩(wěn)定。這樣生產(chǎn)出的輪胎，經(jīng)常出現(xiàn)過硫化和欠硫化現(xiàn)象，另外工人的勞動強度大，資源浪費嚴重。 現(xiàn)代控制方法：現(xiàn)代控制硫化過程的方法是根據(jù)蒸汽管道

17、內(nèi)的溫度實時調(diào)整硫化時間的等效硫化控制。1.3.3 輪胎硫化的步驟各輪胎公司采用的硫化步驟不盡相同，但主要由以下步驟組成： （1）通高溫飽和蒸汽 （2）充填水（視情況而定） （3）通過熱水 （4）熱水回收（5）通冷卻水（視情況而定）（6）主排（7）抽真空 （8）開模 第3步可采用3種方式：循環(huán)、半循環(huán)或不循環(huán)，需根據(jù)實際情況進行選取。 第4步可采用兩種方式：用高壓蒸汽把膠囊中的過熱水趕回除氧器或設置一熱水回收罐。 第6和7步可采用單路或雙路。 第8步的開模壓力一般設置為0.03mpa。全蒸汽硫化一般有兩種方式：高溫蒸汽進加熱排或高溫蒸汽進，然后主排，再抽真空；高溫蒸汽進加熱排，然后低壓蒸汽進，

18、再主排、抽真空。其中熱排是為了把膠囊中的冷凝水排出。充氮氣硫化還需要增加兩個步驟，即放氣（排出膠囊下部的低溫氮氣）和查漏（關閉所有閥門，看內(nèi)壓有無下降，以觀察有無閥門泄漏）。由于主排時間的長短直接影響到硫化效率，因此主排管徑的設定和走向以及輔助措施（如安裝排空管）對主排的效果至關重要。抽真空可采用蒸汽或動力水，只需將膠囊從胎里脫出并適當收縮，以便輪胎能輕松取出即可。若抽真空過度，膠囊會緊貼中心機構(gòu)，上環(huán)下降時容易夾破膠囊（b型硫化機）。1.4 硫化過程的主要問題目前，輪胎生產(chǎn)的硫化過程面臨著兩個主要問題。（1）如何提高輪胎內(nèi)部各點硫化程度的均勻性。由于橡膠是熱的不良導體，硫化中，靠近熱源的輪胎

19、表面溫度變化較快，而內(nèi)部溫度變化較慢，造成了輪胎內(nèi)外硫化程度的不均勻。同時，輪胎內(nèi)部各部分的組成材料是不同的，圖1.3為輪胎的截面圖。其中，胎冠是整個輪胎溫度最高、厚度較大的部位，主要包括氣密層、胎體和鋼絲帶束層等幾個部分，各部分材料的物性差別很大；胎肩是輪胎中厚度最大的部位，其組成材料種類較多，傳熱過程很復雜，最容易“欠硫”；胎側(cè)是輪胎中最薄弱的部位，它最易“過硫”。輪胎內(nèi)部組成材料的不均勻必然導致其內(nèi)部溫度上升速度的不均勻，最終使得其內(nèi)部各區(qū)域硫化程度的不均勻。 圖1.3 輪胎截面圖（2）如何準確確定輪胎的硫化時間。硫化中，外界條件一般存在一定的波動，它對輪胎的硫化效應影響很大。常規(guī)硫化時

20、間采用固定周期法，不考慮硫化過程邊界條件的波動情況，每個輪胎的硫化周期都是同一設定值，硫化時間整定按系統(tǒng)參數(shù)變化最壞的情況進行，采取“寧過勿欠”的方針，這必然導致多數(shù)情況下輪胎過硫，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量和硫化效率。對于問題（1），通過國內(nèi)外學者的大量研究，一般從兩方面來解決，一方面通過制定新的材料配方，使硫化過程中輪胎內(nèi)部各區(qū)域的溫度上升速度基本一致；另一方面，通過在硫化前對輪胎進行預熱，使硫化開始時，輪胎內(nèi)部保持較高的溫度，從而加快輪胎內(nèi)部各點的硫化速度，以達到硫化程度的內(nèi)外均。對于問題（2），需將固定周期修改為可變周期，每個輪胎的硫化時間需根據(jù)外界條件的波動而動態(tài)確定。第二章 labview的

21、簡介2.1 虛擬儀器的產(chǎn)生微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)的高度發(fā)展及其在電子測量技術(shù)與儀器上的應用，新的測試理論、新的測試方法、新的測試領域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)突破的傳統(tǒng)儀器的概念，電子測量儀器的功能和作用已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化。在這種背景下，八十年代末美國率先研制成功虛擬儀器（virtual instrument，簡稱vi）。虛擬儀器技術(shù)是當今計算機輔助測試領域的一項重要技術(shù)，它推動著傳統(tǒng)儀器朝著數(shù)字化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。虛擬儀器，它是現(xiàn)代計算機技術(shù)、通信技術(shù)和測量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大變革，是未來儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要方向。

22、虛擬儀器的概念，是美國國家儀器公司（national instruments corp以下簡ni公司）于1986年提出的。ni公司同時也提出了“軟件即儀器”的概念，打破了傳統(tǒng)儀器只能由廠家定義，用戶無法改變的局面。隨著現(xiàn)代軟件和硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器的智能化和虛擬化已經(jīng)成為研究的方向。虛擬儀器，它既具有傳統(tǒng)儀器的功能，又有別于其他傳統(tǒng)儀器，它能夠充分利用和發(fā)揮現(xiàn)有計算機的先進技術(shù)，使儀器的測試和測量及自動化工業(yè)系統(tǒng)的測試和監(jiān)控變得異常方便和快捷。2.2 虛擬儀器的概況所謂虛擬儀器，就是在通用的計算機平臺上定義和設計等同常規(guī)儀器的各種功能，用戶操作計算機的同時就是在使用一臺專門的電子儀器。虛擬

23、儀器以計算機為核心，充分利用計算機強大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，提供對測量數(shù)據(jù)的分析處理和顯示功能。虛擬儀器技術(shù)強調(diào)軟件在測控系統(tǒng)中的重要的地位，但也并不排斥測試硬件平臺的重要性。虛擬儀器測控系統(tǒng)通過信號采集設備和調(diào)理設備將計算機硬件和被測量硬件連接起來，再通過軟件取代常規(guī)儀器硬件，將計算機硬件資源與儀器硬件有機地融合為一體，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理。2.2.1 虛擬儀器的特點虛擬儀器是基于計算機的功能化硬件模塊和計算機軟件構(gòu)成的電子測試儀器，而軟件是虛擬儀器的核心678，

24、如圖2.1所示，其中軟件的基礎部分是設備驅(qū)動軟件，而這些標準的儀器驅(qū)動軟件使得系統(tǒng)的開發(fā)與儀器的硬件變化無關。這是虛擬儀器最大的優(yōu)點之一，有了這一點，儀器的開發(fā)和換代時間將大大縮短。虛擬儀器中應用程序?qū)⒖蛇x硬件（如gpib，vxi，rs-232，daq板）和可重復用庫函數(shù)等軟件結(jié)合在一起，實現(xiàn)了儀器模塊間的通信、定時與觸發(fā)。源代碼庫函數(shù)為用戶構(gòu)造自己的虛擬儀器（vi）系統(tǒng)提供了基本的軟件模塊。由于vi的模塊化、開放性和靈活性，以及軟件是關鍵的特點，當用戶的測試要求變化時可以方便地由用戶自己來增減硬、軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測試要求。這樣，當用戶從一個項目轉(zhuǎn)向另一個項目時，就能簡單

25、地構(gòu)造出新的vi系統(tǒng)而不丟失己有的硬件和軟件資源。圖2.1虛擬儀器開發(fā)框圖虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應用面極為廣泛。虛擬儀器技術(shù)十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢，因而常被稱作“軟件儀器” 。它功能強大，可實現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號發(fā)生器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可檢測特定系統(tǒng)的參數(shù)，如汽車發(fā)動機參數(shù)、汽油標號、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種數(shù)據(jù)；它操作靈活，完全圖形化界面，風格簡約，符合傳統(tǒng)設備的使用習慣，用戶不經(jīng)培訓即可迅速掌握操作規(guī)程。2.2.2 labview的優(yōu)勢和常規(guī)儀器技術(shù)相比，n

26、l虛擬儀器技術(shù)有四大優(yōu)勢(1)性能高虛擬儀器技術(shù)是在pc技術(shù)的基礎上發(fā)展起來的，所以完全繼承了以現(xiàn)成即用的pc技術(shù)為主導的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件fo，使您在數(shù)據(jù)高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計算機網(wǎng)絡使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強大的優(yōu)勢。labvlew環(huán)境下溫度測控系統(tǒng)的深入研究與實現(xiàn)(2)擴展性強nl的軟硬件工具使得工程師和科學家們不再受硬件儀器的限制。這些都得益于nl軟件的靈活性，我們要做的只是更新計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進自己的系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，還可以把它們集

27、成到現(xiàn)有的測量設備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品的設計時間。(3)開發(fā)時間少在驅(qū)動和應用兩個層面上，nl高效的軟件構(gòu)架能與計算機、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。nl設計這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使用戶輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。(4)無縫集成虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設備總是要耗費大量的時間。nl的虛擬儀器軟件平臺為所有的fo設備提供了標準的接口，幫助用戶輕松地將多個測量設備

28、集成到單個系統(tǒng)，減少了任務的復雜性。2.3 虛擬儀器的構(gòu)成虛擬儀器從構(gòu)成8要素上講，由計算機、應用軟件和儀器硬件等構(gòu)成；從構(gòu)成方式上講，則由以daq板卡和信號調(diào)理為儀器硬件而組成的pc-daq測試系統(tǒng)，或以gpib，vxi，serial和field bus等標準總線儀器為硬件組成的gpib系統(tǒng)、vxi系統(tǒng)、串口系統(tǒng)和現(xiàn)場總線系統(tǒng)等多種形式。虛擬儀器的構(gòu)成如圖2.1所示。圖2.2 虛擬儀器的構(gòu)成目前，虛擬儀器的構(gòu)成方式有以下幾種：（1）pc-daq插卡式的vi這種方式用數(shù)據(jù)采集卡配以計算機平臺和虛擬儀器軟件，便可構(gòu)成各種數(shù)據(jù)采集和虛擬儀器系統(tǒng)。它充分利用了計算機的總線、機箱、電源以及軟件的便利，

29、其關鍵在于a/d轉(zhuǎn)換技術(shù)。這種方式受pc機機箱、總線限制，存在電源功率不足，機箱內(nèi)噪聲電平較高、無屏蔽，插槽數(shù)目不多、尺寸較小等缺點。但因插卡式儀器價格便宜，因此其用途廣泛，特別適合于工業(yè)測控現(xiàn)場、各種實驗室和教學部門使用。（2）并行口式的vi最新發(fā)展的可連接到計算機并行口的測試裝置，其硬件集成在一個采集盒里或探頭上，軟件裝在計算機上，可以完成各種vi功能。它的最大好處是可以與筆記本計算機相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式pc相連，實現(xiàn)臺式和便攜式兩用，非常方便。（3）gpib總線方式的vigpib(general purpose interface bus)技術(shù)是ieee488標準的vi早期的發(fā)

30、展階段。它的出現(xiàn)使電子測量由獨立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展。典型的gpib系統(tǒng)由一臺pc機，一塊gpib接口卡和若干臺gp1b儀器通過gpib電纜連接而成。在標準情況下，一塊gpib接口卡可帶多達14臺的儀器，電纜長度可達20m。gpib測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡單，造價較低，主要市場在臺式儀器市場。適用于精確度要求高，但對計算機速率要求和總線控制實時性要求不高的場合應用。（4）vxi總線方式的vivxi總線是vmebus extension for instrumentation的縮寫，是高速計算機總線vme在vi領域的擴展，有穩(wěn)定的電源，強有力的冷卻能力和嚴格的rfi/emi屏蔽。

31、由于它的標準開放，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復利用眾多儀器廠家支持的優(yōu)點，得到了廣泛的應用。經(jīng)過多年的發(fā)展，vxi系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢，適用于組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合，但vxi總線要求有專用機箱、零槽管理器及嵌入式控制器造價比較高。（5）pxi總線方式的vipxi總線是pci extension for instrumentation的縮寫，是pci在vi領域的擴展。這種新型模塊化儀器系統(tǒng)是在pci總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，具有多板同步觸發(fā)、精確定時的星形觸發(fā)、相鄰模塊間高速通訊的

32、局部總線以及高度的可擴展性等優(yōu)點，適用于大型高精度集成系統(tǒng)。（6）網(wǎng)絡接口方式的vi盡管internet技術(shù)最初并沒有考慮如何將嵌入式智能儀器設備連接在一起，不過ni等公司己經(jīng)開發(fā)了通過web瀏覽器觀測這些嵌入式儀器設備的產(chǎn)品，使人們可以通過internet操作儀器設備。根據(jù)虛擬儀器的特性，能夠方便的將虛擬儀器組成計算機網(wǎng)絡，利用網(wǎng)絡技術(shù)將分散在不同地理位置不同功能的設備聯(lián)系在一起，使昂貴的硬件設備、軟件在網(wǎng)絡上得以共享，減少了設備重復投資?，F(xiàn)在，有關mcn(measurement and control networks)方面的標準正在積極進行，并取得了一定進展。由此可見，網(wǎng)絡化虛擬儀器將具

33、有廣泛的應用前景。（7）usb接口方式的viuniversal serial bus(usb)因為其在pc機上的廣泛使用、即插即用的易用性和usb2.0高達480mbits/s的傳輸速率，逐漸的成為儀器控制的主流總線技術(shù)。usb接口被廣泛應用，也使得工程師可以很方便的將基于usb的測量儀器連接到整個系統(tǒng)中。但是usb在儀器控制方面亦有一些缺點，比如usb的傳輸線沒有工業(yè)標準的規(guī)格，在惡劣的環(huán)境下，可能造成數(shù)據(jù)的丟失；此外，usb對傳輸線的距離也有一定的限制。無論哪種vi系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦、臺式微機或工作站等各種計算機平臺加上應用軟件而構(gòu)成的。第三章 系統(tǒng)的總體設計3.1 系統(tǒng)

34、的總原理框圖pc機ni pci-6221pt100熱電阻scc-rtd01伺服放大器手操器執(zhí)行機構(gòu)開關閥擴散硅差壓變送器電磁閥圖3.1 系統(tǒng)原理框圖本設計的原理圖如圖3-1，該系統(tǒng)總體上可分為：硬件設計和軟件設計。硬件部分由兩部分組成，即數(shù)據(jù)采集部分和執(zhí)行部分。數(shù)據(jù)采集部分是由傳感器、信號調(diào)理模塊、daq板卡組成。傳感器pt100熱電阻傳感器感器和擴散硅式差壓變送器。信號調(diào)理模塊只有熱電阻調(diào)理模塊，擴散硅式差壓變送器輸出的信號可以直接給daq板卡。daq板卡是選用ni公司的pci-6221數(shù)據(jù)采集卡。執(zhí)行部分是由伺服放大器、電動伺服操作器（手操器）和電動執(zhí)行機構(gòu)組成。伺服放大器對daq板卡輸出

35、的微弱信號進行放大，手操器可以進行手自動切換，電動執(zhí)行機構(gòu)對控制閥進行動作。其中控制閥包括進氣閥和排氣閥。進氣閥是一個電磁閥(開度閥)，而排氣閥是一個氣開閥（開關閥）。其中軟件設計由：溫度壓力設定子程序，溫度壓力采集子程序，溫度壓力控制子程序和曲線回放子程序構(gòu)成。各個子程序的正確連接就可以實現(xiàn)對溫度壓力的調(diào)節(jié)，起到調(diào)節(jié)器的作用。各子程序的具體介紹將在第五章詳細說明。溫度反饋控制系統(tǒng)采用單回路控制系統(tǒng)，方塊圖如下。其中溫度pid調(diào)節(jié)器是由溫度pid控制子程序?qū)崿F(xiàn)的。只有進氣閥工作。在進行溫度控制階段，排氣閥始終處于關閉狀態(tài)。此時，系統(tǒng)輸出的控制量只對硫化罐進氣閥的開度進行調(diào)節(jié)。對象為硫化罐，對其

36、內(nèi)部溫度進行控制。溫度給定也是由程序給定。圖3.2 溫度單回路控制系統(tǒng)方塊圖壓力反饋控制系統(tǒng)也是采用單回路控制系統(tǒng)，其方塊圖如下。其中壓力給定也是由編寫程序給定的。壓力調(diào)節(jié)器同樣由壓力調(diào)節(jié)子程序?qū)崿F(xiàn)。當溫度控制之后，便開始對硫化罐內(nèi)壓力進行控制。此時控制閥還是包括進氣閥和排氣閥。系統(tǒng)對排氣閥的開關狀態(tài)進行控制。使硫化罐內(nèi)壓力嚴格按照給定壓力變化。圖3.3 壓力單回路控制系統(tǒng)方塊圖3.2 labview的總面板及程序設計在現(xiàn)有的實驗條件下，只能實現(xiàn)了一個溫度控制系統(tǒng)。本設計僅以pt100傳感器，scc-rtd01溫度調(diào)理模塊為模型進行說明。本設計前面板才用選項卡結(jié)構(gòu)，包括六部分：溫度壓力設定部分

37、，熱電阻及調(diào)理模塊部分，溫度壓力采集部分，溫度壓力控制部分，曲線回放部分和系統(tǒng)說明部分。程序框圖見附錄a。圖3-4溫度壓力設定前面板該面板的功能是設定溫度壓力的值以及時間。圖3-4熱電阻及調(diào)理模塊參數(shù)設定前面板該面板對熱電阻及調(diào)理模塊參數(shù)的設定。圖3-5溫度壓力采集前面板該面板可以對采集通道、采樣頻率、采樣方式進行設置，溫度壓力給定和采集曲線的同步顯示和對數(shù)據(jù)保存。圖3-6溫度壓力控制前面板該面板為溫度pid調(diào)節(jié)部分和壓力的。此面板功能包括：溫度給定和pid控制輸出同步顯示， pid參數(shù)調(diào)節(jié)和出氣閥狀態(tài)顯示。圖3-7輸出端設置該面板可對數(shù)據(jù)輸出的通道最大值、最小值、輸出采樣頻率進行設置圖3-8

38、數(shù)據(jù)曲線回放前面板該面板可以對溫度壓力曲線保存到指定文件夾中，并且從指定文件夾中回放歷史曲線。第四章 硬件設計調(diào)理模塊工業(yè)pc溫度傳感器數(shù)據(jù)采集卡ni-6221 被 測 對 象差壓變送器執(zhí)行機構(gòu)變送器圖4-1溫度、壓力控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖圖為溫度壓力控制硬件結(jié)構(gòu)圖，在本章將詳細的介紹。4.1 傳感器和變送器選擇4.1.1 測溫原理熱電阻的測溫是利用固體材料的電阻隨溫度而變化的原理測量溫度，如鉑電阻、銅電阻和熱敏電阻。采用熱敏電阻，可滿足40攝氏度至90攝氏度測量范圍，但熱敏電阻精度、重復性、可靠性較差，對于檢測小于1攝氏度的信號是不適用的。4.1.2 pt100熱電阻簡介熱電阻是電阻體、絕緣導管

39、和接線盒等主要部件組成，其中，電阻體是熱電阻的最主要組成部分。傳感器采用鉑電阻pt100。鉑熱電阻的物理化學性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定，它能用作工業(yè)測溫元件；且此元件線性較好，在0100攝氏度之間變化時，最大非線性偏差小于0.5攝氏度。鉑熱電阻與溫度關系為： （1）-200t0時， rpt100=1001+at+b*t2+c*t3(t-100)（2）0t650時， rpt100=100*(1+at+b*t2)式中，a=0.00390802；b=-0.000000580；c=0.0000000000042735?？梢妏t100在常溫0150攝氏度之間變化時限性度非常好，其阻值表達式可近似簡化

40、為：rpt=100（1+at），當溫度變化1攝氏度，pt100阻值近似變化0.4歐。4.1.3 pt100溫度傳感器的主要參數(shù)pt100溫度傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下： 測量范圍：-200+850； 允許偏差值：a級（0.150.002t）， b級（0.300.005t）； 熱響應時間 30s； 最小置入深度：熱電阻的最小置入深度200mm； 允通電流 5ma。 另外，pt100溫度傳感器還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準確度高、耐高壓等優(yōu)點。 下表4.1為pt100的分度表（0100） 表4.1 pt100分度 0123456780100.0100.3100.7101.1101.5101.9102.3

41、102.7103.110103.9104.2104.6105.0105.4105.8106.2106.6107.020107.7108.1108.7108.9109.3109.7110.1110.5110.930111.6112.0112.4112.8113.2113.6114.9114.3114.740115.5115.9116.3116.7117.0117.4117.8118.2118.650119.4119.7120.1120.5120.9121.3121.7122.0122.460123.2123.6124.0124.3124.7125.1125.5125.9126.370127.01

42、27.4127.8128.2128.6128.9129.3129.7130.180130.8131.2131.6132.0132.4132.8133.1133.5133.990134.7135.0135.4135.8136.2136.6136.9137.3137.7100138.5138.8139.2139.6140.0140.3140.7141.1141.54.1.4 擴散硅式差壓變送器 壓力測量部分使用擴散硅式差壓變送器，具體介紹如下。擴散硅式差壓變送器是無杠桿的變送器。它采用硅杯壓阻傳感器為敏感元件，同樣具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、線性化和穩(wěn)定性好的優(yōu)點，精度也較高。敏感元件由兩片研磨

43、后膠合成杯狀的硅片組成。當硅杯受壓時，壓阻效應使其上的應變電阻阻值發(fā)生變化，從而使由這些電阻組成的電橋產(chǎn)生不平衡電壓。硅杯兩面浸在硅油中，硅油和被測介質(zhì)之間用金屬隔離膜片分開。當被測差壓輸入到測量室內(nèi)作用于隔離膜片上時，膜片將驅(qū)使硅油移動，并把壓力傳遞給硅杯壓阻傳感器。于是傳感器上的不平衡電橋就有電壓信號輸出給放大器，經(jīng)放大處理輸出420ma直流電流信號。本設計具體使用edr-75-nl型擴散硅式傳感器(95b71004)。其各種參數(shù)如下，測量范圍：0400kpa；輸出信號：420ma.dc；基本誤差：調(diào)校量程的0.2%；電源電壓：24v.dc ；負載電阻：06000；環(huán)境濕度：-40+90；

44、相對溫度：095%；阻尼特性：時間常數(shù)在0.218之間；外形尺寸：233mm231mml48mm。主要應用于石油、化工、冶金、電站等領域。4.2 信號調(diào)理模塊4.2.1 信號調(diào)理的方法從傳感器出來的信號可能會很微弱，或者含有大量噪聲，或者是非線性的等，這種信號在進入采集卡之前必須經(jīng)過信號調(diào)理。信號調(diào)理的方法主要包括放大、衰減、隔離、多路復用、濾波、激勵和數(shù)字信號調(diào)理等。（1）放大放大器提高輸入信號電平以更好地匹配adc的輸入范圍，從而提高測量精度和靈敏度。此外，使用放置在更接近信號源或轉(zhuǎn)換器的外部信號調(diào)理裝置，可以通過在信號被環(huán)境噪聲影響之前提高信號電平來提高測量的信號-噪聲比。（2）衰減衰減

45、即與放大相反的過程。它在電壓（即被數(shù)字化的）超過數(shù)字化儀輸入范圍是十分必要的。這種形式的信號調(diào)理降低了輸入信號的幅度，從而經(jīng)調(diào)理的信號處于adc范圍之內(nèi)。（3）隔離隔離的信號調(diào)理設備通過使用變壓器、光或電容性的耦合技術(shù)，無須物理連接即可將信號從它的源傳輸至測量設備。除了切斷接地回路之外，隔離也阻隔了高電壓浪涌以及較高的共模電壓，從而既保護了操作人員也保護了昂貴的測量設備。（4）多路復用通過多路復用技術(shù)，一個測量系統(tǒng)可以不間斷地將多路信號傳輸至一個單一的數(shù)字化儀，從而提供了一種節(jié)省成本的方式來極大地擴大系統(tǒng)通道數(shù)量。多路復用對于任何高通道數(shù)的應用都是十分必要的。（5）濾波濾波器在一定的頻率范圍內(nèi)

46、去除不希望的噪聲。幾乎所有的數(shù)據(jù)采集應用都會受到一定程度的50hz或60hz的噪聲（來源于電線或機械設備）。大部分信號調(diào)理裝置都包括了為最大程度上抑制50hz或60hz的噪聲而專門設計的低通濾波器。（6）激勵激勵對于一般轉(zhuǎn)換器是必需的。例如應變計、電熱調(diào)節(jié)器和rtd需要外部電壓或電流激勵信號。通常rtd和電熱調(diào)節(jié)器測量都是使用一個電流源來完成的，這個電流源將電阻的變化轉(zhuǎn)化為一個可測量的電壓。應變計是一種超低電阻的設備，通常利用一個電壓激勵源來用于惠斯登電橋配置。（7）線性化許多傳感器感應的電信號和物理量之間并不是呈線性關系，因而需要對輸出信號進行線性化以補償傳感器帶來的誤差。（8）數(shù)字信號調(diào)理

47、數(shù)字信號在某種情況下也要進行調(diào)理才能進入daq卡。譬如，不能將工業(yè)環(huán)境中的數(shù)字信號直接接入daq卡，接入之前必須經(jīng)過隔離來防止可能的高壓放電或者經(jīng)過削減來調(diào)整電平以適應daq卡的輸入要求。4.2.2 rtd01簡介圖4.2 rtd01硬件圖本設計采用ni scc-rtd01，它為雙通道模塊，可連接2、3或4線鉑rtd。 ni scc-rtd01的每一通道都帶有一個增益為25的放大器和一個30 hz低通濾波器。 而且每一模塊還具有一個用于1或2 rtd的1 ma激勵源。4.2.3 rtd噪聲的考慮rtd的輸出信號的典型值為毫伏量級，因而極易受到噪聲的干擾。在rtd數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常常使用低通濾波器

48、，以有效濾除rtd測量結(jié)果中的高頻噪聲。例如，低通濾波器對于濾除在大多數(shù)實驗室和工廠環(huán)境中普遍存在的60 hz電源線噪聲非常有用。也可以通過在信號源附近放大處理電壓水平偏低的rtd電壓，顯著改善系統(tǒng)的噪聲性能。由于rtd輸出的電壓水平是非常之低，所以應當選擇合適的增益，以優(yōu)化模數(shù)轉(zhuǎn)換器（adc）的輸入限制。4.3 數(shù)據(jù)采集卡的選擇數(shù)據(jù)采集板卡的性能與眾多因素相關，要根據(jù)具體情況來具體分析。所以在選擇數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成系統(tǒng)時，首先必須對數(shù)據(jù)采集卡的性能指標有所了解。4.3.1 數(shù)據(jù)采集卡的主要性能指標1）采樣頻率采樣頻率的高低，決定了在一定時間內(nèi)獲取原始信號信息的多少，為了能夠較好的再現(xiàn)原始信號，不

49、產(chǎn)生波形失真，采樣率必須要足夠高才行。根據(jù)奈奎斯特理論采樣頻率至少是原信號的兩倍，但實際中，一般都需要510倍。2）采樣方法采集卡通常都有好幾個數(shù)據(jù)通道，如果所有的數(shù)據(jù)通道都輪流使用同一個放大器和a/d轉(zhuǎn)換器，要比每個通道單獨使用各自的經(jīng)濟的多，但這僅適用于對時間不是很重要的場合。如果采樣系統(tǒng)對時間要求嚴格，則必須同時采集，這就需要每個通道都有自己的放大和a/d轉(zhuǎn)換器。但是處于成本的考慮，現(xiàn)在普遍流行的是各個數(shù)據(jù)通道公用一套放大器和a/d轉(zhuǎn)換器。3）分辨率adc的位數(shù)越多，分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。例如，三位的a/d轉(zhuǎn)換把模擬電壓范圍分成23=8段，每段用二進制代碼在000到111之間

50、表示。因而，數(shù)字信號不能真實地反映原始信號，因為一部分信息被漏掉了。如果增加到十二位，代碼數(shù)從8增加到212=4096，這樣就可以獲得就能獲得十分精確的模擬信號數(shù)字化表示。4）i/o通道數(shù)該參數(shù)表明了數(shù)據(jù)采集卡所能夠采集的最多的信號路數(shù)。4.3.2 數(shù)據(jù)采集卡（daq）卡的組成1）多路開關。將各路信號輪流切換至放大器的輸入端，實現(xiàn)多參數(shù)多路信號的分時采集。2）放大器。將切換進入采集卡的信號放大至需要的量程內(nèi)。通常中的放大器都是增益可調(diào)的，使用者可根據(jù)需要來選擇不同的增益倍數(shù)。3）采樣保持器。把采集到的信號瞬間值，保持在a/d轉(zhuǎn)換的過程中不變化。4）a/d轉(zhuǎn)換器。將模擬的輸入信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出

51、，完成信號幅值的量化。目前，通常將采樣保持器和a/d轉(zhuǎn)換器集成在同一塊芯片上。以上四個部分是數(shù)據(jù)采集卡的重要組成部分，與其他的電路如定時/計數(shù)器、總線接口等電路儀器組成daq。4.3.3 ni pci-6221數(shù)據(jù)采集卡本設計采用的是ni pci-6221數(shù)據(jù)采集卡，它是ni公司的m系列多功能數(shù)據(jù)采集卡，采用的是一個a/d轉(zhuǎn)換器，雖然是多路采集，實際上是分時工作的，所有在多路同時工作時采樣率會成倍降低。該板卡的主要性能如下：l 16路模擬信號輸入通道，采樣率為250ks/s，輸入范圍為-10v+10v；l 2路模擬量輸出通道，分辨率為16位；l 24路數(shù)字i/o，數(shù)字觸發(fā)；l 2個32位定時計

52、數(shù)器；l ni-daqmx測試軟件和硬件配置支持；l ni-mcal校準支持；l nist校準證書和多于70多種的信號調(diào)理模塊選擇。整個系統(tǒng)從被測對象開始，通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過信號調(diào)理模塊進行簡單的信號出來，比如scc-rtd01熱電阻調(diào)理模塊，將信號送至數(shù)據(jù)采集卡進行采集，然后用軟件進行處理。系統(tǒng)采用的是ni pci-6221采集卡，由于該卡支持daqmx驅(qū)動程序，所以本設計是直接使用daqmx-data acquisition開發(fā)的，在這部分中，主要是采集參數(shù)的設置，其中包括物理通道的選擇，采樣模式、采樣率、每通道采樣數(shù)、輸入方式的配置，采樣最大最小值的設置。隨后通過采集卡采集到所

53、需信號，并在pc機上進行分析處理，從而得到我們所需的溫度之后再通過采集卡對加熱設備發(fā)送控制信號，來達到對被測對象的實時測溫與控制的目的。4.4 伺服放大器4.4.1 伺服放大器概述dfc-型系列伺服放大器（以下簡稱伺放）是電動執(zhí)行機構(gòu)的配套裝置，也是工業(yè)過程控制自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心部件之一。它與電動執(zhí)行機構(gòu)配合，廣泛用于電力、冶金、化工等工業(yè)過程控制自動化調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。本伺服采用固態(tài)繼電器做功率輸出部件，體積小，耐振動，可靠性高，dfc-1200型產(chǎn)品還具有信號斷失保護功能，可提高系統(tǒng)運行的安全性。伺放還設有狀態(tài)指示，便于觀察和調(diào)試。4.4.2 主要技術(shù)參數(shù)（1）輸入信號dfc -110型：010

54、ma dc dfc -1100型：420ma dc dfc -1200型：420ma dc (帶斷信號保護)（2）輸入電阻dfc -110型：200dfc -1100型：250dfc -1200型：250（3）死區(qū)可調(diào)節(jié)范圍：1%3%（4）額定負載電流：5a（交流有效值）（5）斷信號識別：2ma，dc（僅對dfc -1200）（6）工作電源：220v，50hz（7）使用環(huán)境：溫度：050 相對溫度0（且超過死區(qū)）時，伺放有正向輸出。當ic-if0（且超過死區(qū)）時，伺放有反向輸出。當ic-if=0（或不超過死區(qū)）時，伺放無輸出。伺放的接線端子如下圖：圖4-3 接線端子排列圖4.4.4 模擬調(diào)試伺

55、放在接入系統(tǒng)使用前，一般應進行調(diào)試。調(diào)試接線方法如下圖： 圖4-4 伺放效驗接線圖調(diào)試步驟如下：（1）調(diào)試平衡（即調(diào)零）出廠時已調(diào)好，一般無需調(diào)整。a、分別調(diào)整ic和if，使兩輸入信號相等（推薦在輸入信號量程的20%50%點調(diào)平衡）；b、用數(shù)字式電壓表從伺放電路板上的“調(diào)零”測試孔上測量前置級的輸出電壓vo。c、調(diào)整調(diào)零電位器rs，使vo的值為數(shù)毫伏即可。（2）調(diào)死區(qū)a、保持調(diào)平衡時的if不變，改變ic，使ic增加（或減少）0.150.2ma。b、調(diào)整調(diào)死區(qū)電位器r1s，至h1或h2剛好不亮（ic是增加的，則h1亮，若ic是減少的，則h2亮）；c、改變ic，h1、h2應交替亮（但不應有同時亮的現(xiàn)象）。（3）斷信號保護檢查調(diào)整ic和if使h1或h2亮，然后分別斷開s1和s2，h1和h2均應熄滅。4.4.5 接入系統(tǒng)調(diào)試經(jīng)以上模擬調(diào)試，如無異常情況，可將伺放接入系統(tǒng)使用。當伺放接入系統(tǒng)后，若執(zhí)行機構(gòu)的阻尼特性不符合要求，在確定執(zhí)行機構(gòu)制動部件及位置發(fā)送器