毕业设计（论文）-密炼机温度巡检控制系统的设计.doc

青岛科技大学本科毕业设计（论文）11绪论密炼机是在开炼机的基础上发展起来的一种高强度间隙性的混炼设备。它在橡胶混炼过程中显示出来比开炼机优异的一系列特征，如：混炼容量大、时间短、生产效率高；较好的克服粉尘飞扬，减少配合剂的损失，改善产品质量和工作环境1；操作安全便利，减轻劳动强度；有益于实现机械与自动化操作等。但是，较之过去，混炼的精确性更高，使用的胶料更硬，粘度更大。加之近几年来研制的新型转子使混炼周期缩减到2至3分钟，允许误差极小2。于是，温度控制就成了关键性问题。而随着产业规模的扩大和作业地域的拓展，使得我国传统的人工管理以及现场简单仪表加人工操作和巡检的密炼机工作模式已无法满足日趋严峻的高效生产工作的需要，密炼机安全高效生产工作也必须遵循“科技兴安”的战略，以技术进步和硬件建设提升企业的安全生产技术水平3，用现代信息技术提升密炼机信息资源采集和处理的效率和能力，预防和控制密炼机安全事故的发生以及提高炼胶的质量，系统建设的总体目标是为密炼机设计一套技术先进、运行成熟、操作简单、扩展性好、容易维护和使用方便的温度监控方案，实现对密炼机温度即时监控4。1.1温度巡检控制系统的现状和进展1.1.1温度检测控制系统的现状密炼机的温度是一个重要的物理参数5。自然界中任何物理化学过程都紧密地与温度相联系。在密炼机的正常运行中，温度检测和控制都直接和安全运营、运行效率、节约能源等重大技术经济指标相联系，因此不仅在密炼机系统中十分重要，在国民经济的各个领域中都受到普遍重视。温度检测控制系统也得到了广泛应用。以单片机为主的嵌入式系统已广泛应用于橡胶生产以及各个领域6。传统的机械式温度检测控制系统在工厂企业中已经有上百年的历史了。近年来由于微电子学的进步以及计算机应用的日益广泛，智能化检测控制系统已经取得了巨大的进步。智能仪表在测量过程自动化，测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展7。目前在研制高箱度、高性能、多密炼机温度巡检控制系统的设计2功能的测量控制仪表时，几乎没有不考虑采用单片机使之成为智能仪表的。我国的单片机开发应用始于80年代，在这二十年中单片机应用向纵深发展，技术日趋成熟。单片机为主体取代常规电子线路，可以熟练的将计算机技术、预测量控制技术结合在一起。单片机为主体取代常规电子线路，可以熟练的将计算机技术、预测量控制技术结合在一起。与国内己经出现的各种各样的智能化测量控制系统相比，国际上更是品种繁多9，而国内的开发规模相对较小，开发费用相对较高，与国际相比还存在很大的差距，在密炼机温度的巡检方式上也是各不相同，往往采取逐点的检测，这种检测方式的巡检非常繁杂，耗时耗力。1.1.2温度巡检控制系统的进展温度巡检控制系统已广泛应用于测量、监测、诊断、控制、科学试验等各个领域中。近二十年来，温度巡检控制技术由于采用了一系列新技术，得到了飞速的发展10。其数据采集的分辨率从4位、8位到现在的24位分辨率；采集的速率从几KBS到现在的最高速率已达2GPS，记录设备从原来的手记的、模拟或数字记录到磁盘记录，一直到现在的硬盘记录。所有这些都是不断采用新技术的成果。所谓温度巡检控制，就是系统按照所定的定时间隔顺序读取各个待测温度点的温度值，读取的温度数据经运算处理后存入数据库，同时将设定的温度限值进行比较，如发现越限，则发出报警信号，显示越限点的名称、地点和温度，并将其自动打印输出，以便工作人员进行检查和处理并通过温度控制电路对越限温度进行控制；如未越限，则顺序显示各个温度点的温度值。温度巡检控制与电子学、精密仪器学、计算机科学密切相关。尽管温度巡检控制技术起步早，应用广，但在核物理试验这样复杂的试验系统中，获得广泛的应用，还是七十年代以后的事情。从七十年代到现在，温度巡检控制技术在核物理试验中不断完善和发展，已形成了一个独立的分支，它们不再是温度检测控制的简单系统，而是包括数据存储、数据采集、数据变换、数据压缩及实时处理等一系列功能的复杂系统11。由于许多物理现象无法通过人的直接观察来了解其规律，这就需要通过一定的仪器设备进行信息转换，成为人能够直接观察的对象，使用计算机进行这种转换时就需要数据采集与处理系统，随着过程控制技术，自动化仪表技术和计算机网络技术的成熟和发展，控制领域又发生了一次技术变革，这次变革使青岛科技大学本科毕业设计（论文）3传统的温度巡检控制系统无论在结构上还是性能上都发生了巨大的飞跃12。1.2课题的意义多路温度的测量、记录、传输及控制在工业及民用领域应用中一直是量大面广的设备之一，所以目前多路温度巡检控制仪并不少见。甚至其中有很多己经作为例题出现在许多关于单片机应用的教科书中，虽然在电路结构、元器件的选择和相应的软件编程上略有区别，但是它们均能以单片机为核心，完成巡检、显示、记录和控制功能。这是由于温度的检测离不开温度传感器，而传统的温度传感器例如PT-100等都是模拟量输出，需要进行信号的放大和A/D转换只能被单片机接受，如果要增加测试路数，那么必定要增加放大器和A/D转换器的个数，接线将十分复杂。并且它们的准确性易受环境、接线、放大等因素的影响。密炼机温度巡检控制系统的整个工作过程都是在软件程序的控制下自动完成的。装在仪表内部EPROM中的监控程序由许多程序模块组成，每一个模块完成一种特定的功能，例如实现某种算法、执行某一中断服务程序、接受并分析键盘输入命令等。编制完善的监控程序的某些功能模块，能够取代某些硬件电路的功能。这就为设计扩展或改变仪表具体功能给了方便。例如打印的内容、格式，报警值的上、下限，报警的方式(如发光、发声)等就完全可以通过改变具体的某一段程序来实现，同时又不会影响软件中其它程序的功能。仪表在使用上更具有灵活性。密炼机温度巡检系统中引入单片机之后，已经降低了对某些硬件电路的要求。但是测试电路仍然占有很重要的位置，尤其是直接获取被测信号的传感器部分仍应给予充分的重视，有时提高整个系统性能的关键仍然在于测试电路的改进。现在传感器也正在受着微电子技术的影响，不断发展变化。传感器正朝着小型、固态、多功能和集成化的方向发展。有许多国家正致力于将微处理器与传感器集成于一体，以构成超小型、廉价的测量仪器的主体。但是密炼机传统的温度巡检方式一般是网点式检测，这种检测方式的巡检非常繁杂，耗时耗力。这就需要一种使用更加方便，检测更加精确的温度，巡检。而本文的密炼机温度巡检控制系统采用的分层次、分级别巡检就解决了以上的问题，所以意义十分重大。密炼机温度巡检控制系统的设计41.3课题的内容本文介绍一种采用单片机实现对密炼机的温度进行自动监测和显示并进行相应控制的温度巡检系统。我国的密炼机系统中，大部分还采用传统的测温控制方法，这不仅效率低、劳动时间长，而且由于该操作往往存在不合理，不能及时发现异常情况，并采取相应措施，致使危险发生，并使炼胶质量得不到保证，给国家造成重大的经济损失和严重的后果。密炼机温度巡检控制系统要求实现实时测量、显示、控制，以热电偶为温度传感器、以AD590为热电偶的冷端温度补偿、以MCS-51为处理器，以晶闸管为执行器来完成设计任务所做出的控制要求。本系统涉及硬件方案设计，单元电路设计和元器件选择。通过对机内数字PID参数的设置，达到对不同受控对象的不同温度要求进行高精度控制。此系统软件设计的核心是数据采集和处理系统，采用热电偶进行测温并伴有冷端温度补偿电路和先进的单片机技术，采用分段巡检，使系统获得了更高的工作效率和更优良的工作性能。另外，该系统进行了抗干扰性的设计，从而使系统的可靠性得到明显的提高。该系统主要用在密炼机温度巡检系统中，数据通讯准确、可靠，可以有效预报温度情况，提高密炼机炼胶的质量，进而能够取得显著的经济和社会效益。通过对传感器的适当选型，本系统同时也适用于其他方面需要大规模测温的系统，如供暖系统、电站、粮仓等系统。青岛科技大学本科毕业设计（论文）52.系统温度采集部分的设计2.1系统的测温原理本文中采用热电偶进行温度测量，由于热电偶输出的电动势是两节点温度差的函数。如图所示，为了使输出的电动势是被测温度的单一函数，一般将T作为被测温度端，T0作为参比温度端（冷端）。由于要求T0保持为0，但在实际中做到这一点很困难，于是采用热电偶冷端温度补偿。本系统设计中采用了AD590进行温度补偿。将两种不同性质的导体A、B串接成一个闭合回路，如果两结合点的温度不同（T0T），则在两导体间产生热电动势，并在回路中有一定大小的电流，因此产生了热电动势。由这两种导体的组合并将温度转换成热电动势的传感器叫做热电偶，即热电偶是将温度转换为电动势的装置。热电动势是由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势所组成。T0ABT图2-1热电效应Fig.2-1Thermoelectriceffect2.2温度传感器密炼机各测试区点的温度值经过测温元件，被转换为模拟电压信号，这样得到的多路采样信号经放大器及A/D转换电路，由单片机控制多通道A/D转换，分时对电压信号进行循环采样和A/D转换。这是单片机处理非电量信号的传统方法，它的优点是测温范围广。选用合适的测温元件可以检测-3003000的温度。但是一方面，单片机外电路复杂，其传送数据的信号线总是多根的，这样系统连线非常复杂，并且需要额外的接口芯片，其成本也高；另一方面，密炼机温度巡检控制系统的设计6A/D转换器要占用多个I/0口向单片机输入多位的数字量，这使得有限的I/0口在设计时显得较为局促。2.2.1温度传感器热电偶温度传感器对整个系统的精确度非常重要，常用的温度传感器有热电阻、热电偶，半导体集成型等温度传感器。本系统对传感器的测量精度、线性度要求较高，且信号采集与处理电路的距离变化较大，温度传感器热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：测量精度高；因温度传感器热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广；常用的温度传感器热电偶从-100+1800均可测量，某些特殊温度传感器热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）；构造简单，使用方便。温度传感器热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个接触点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一定大小的电流,这种现象称为热电效应。温度传感器热电偶就是利用这一效应来工作的。2.热电偶的种类及结构形式1）温度传感器热电偶的种类常用温度传感器热电偶可分为标准温度传感器热电偶和非标准温度传感器热电偶两大类。所调用标准温度传感器热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的温度传感器热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化温度传感器热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化温度传感器热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化温度传感器热电偶我国从1988年1月1日起，温度传感器热电偶和温度传感器热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化温度传感器热电偶为我国统一设计型温度传感器热电偶。2）温度传感器热电偶的结构形式为了保证温度传感器热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：组成温度传感器热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；补偿导线与温度传感器热电偶自由端的连接要方便可靠；青岛科技大学本科毕业设计（论文）7保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。3温度传感器热电偶冷端的温度补偿由于温度传感器热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把温度传感器热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，温度传感器热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使温度传感器热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t00时对测温的影响。在使用温度传感器热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与温度传感器热电偶连接端的温度不能超过100。2.2.2热电偶的冷端温度补偿热电偶的冷端补偿经常应用补偿电桥法，也有利用二极管正向电压随温度上升而减小的特性进行冷端补偿的。1补偿原理在热电偶冷热端电势关系中，有如下公式存在EAB(t,0)=EAB(t,tn)+EAB(tn,0)其中，t为实测温度；tn为冷端温度；EAB(t,0)为冷端温度为0时，热电偶电势输出；EAB(t，tn)冷端温度为tn时，热电偶电势输出；EAB(tn，0)冷端补偿电势。上式中，EAB(t，tn)可直接从热电偶输出中检测到，只要获取冷端温度tn，就可以由分度表换算出EAB(tn,0)，进而求出EAB(t,0)。于是完成了冷端电势补偿，并可换算出实测温度t。2冷端温度的获取冷端温度的影响是不可忽略的，且热电偶冷端暴露于作业环境中，因而可以认为冷端温度与作业环境温度一致。作业环境温度随季节气候变化而变化，因此冷端温度的测定是动态测定，冷端电势补偿是动态补偿。由于电位补偿法和电桥补偿法都对电阻要求较高，尤其在多路温度测量中不易调试，因而随着芯片技术的发展出现了用集成温度传感器精密测量冷端温度对冷端进行补偿的方法。从原理上讲，这种方法就是由集成温度传感器测得冷端温度(电势)，再与热电偶所测温度(电势)叠加。电路实现主要有两种形式，即模拟信号叠加形式和数字信号叠加形式。