（机械电子工程专业论文）密炼机转子端面润滑密封监控系统研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 橡胶工业的快速发展对密炼机的性能要求越来越高密炼机转子端面需要注入高压 润滑油和高压软化剂，保证系统润滑和密封良好。转子端面润滑密封性能的好坏直接影 响着密炼机的工作性能，有必要对其进行准确高效的监测控制。本论文阐述了密炼机转 子端面润滑密封监控系统的工作原理和设计过程中所涉及到的基本知识，并对关键环节 进行了详细分析。 根据实际情况，本论文研制的密炼机转子端面润滑密封监控系统主要分为3 个层次： 底层数据采集单元、中间层本地主控单元和上层远程监控p c 机。分别通过2 级r s 4 8 5 总线实现3 个层次之间的双向通信，并且制定了一套可靠的通信协议。数据采集单元采 集油压、油温、液位等数据并将数据传送给主控单元；接收并执行主控单元发送来的控 制命令信息，控制加油、加热和油泵的运行等。主控单元进行系统运行控制、状态监控、 参数设定等工作。远程p c 机软件对系统进行远程监控管理。利用f p g a 芯片 e p 2 c 5 q 2 0 8 c 8 和v h d l 语言自定义了数码管显示管理电路。 主控单元和数据采集单元都采用了m c 9 s 1 2 d g 2 5 6 微控制器，其片上资源丰富，抗 干扰能力强。在设计上采取了许多措施加强系统的抗干扰性能。基于嵌入式实时操作系 统u c o s - i i 进行系统软件设计，使得应用程序的设计过程大为减化，系统资源得到更好 的利用，系统软件的可扩展性和实时性得到提高。远程p c 机监控程序采用v i s u a lb a s i c 语言编写。 经实际调试验证，该监控系统结构简单，成本低廉，控制灵活，性能可靠，人机交 互界面友好，提高了工作效率和准确度，满足现实生产需要，有很好的应用和推广价值。 关键词：密炼机；监控系统；m c 9 s 1 2 d g 2 5 6 ；u c o s - l l ；i i s 一4 8 5 密炼机转子端面润滑密封监控系统研究 t h er e s e a r c ho fm o n i t o r i n gs y s t e mf o rr o t o rs i d el u b r i c a t i o na n ds e a l s y s t e mo fi n t e r n a lm i x e r a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fr o b b e ri n d u s t r y ，t h er e q u i r e m e n t sf o rt h ep e r f o r m a n c eo f i n t e m a lm i x e ra r em o r ea n dm o r es t r i c t i n0 r d e rt og u a r a r l t e 圮g o o dl u b r i c a t i o na n ds e a lo ft h e s y s t e m , h i g hp r e s s u r el u b r i c a t i o na n ds o f t e n e rn e e dt ob ei n j e e t e di n t oi t sr o t o rs i d e n c p e r f o r m a n c eo ft h er o t o rs i d eh a sad i r e c te f f e c to nt h en o r m a lr u n n i n go fi n t e r n a lm i x e r t h e r e f o r e , i ti sn e c e s s a r yt oc a r r yo na c c u r a t ea n de f f e c t i v em o n i t o r i n gf o ri t sl u b r i c a t i o na n d s e a ls y s t e m 1 m sa r t i c l ee l a b o r a t e so nt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h em o n i t o r i n gs y s t e mf o r r o t o rs i d el u b r i c a t i o na n ds e a ls y s t e mo fi n t e r n a lm i x e ra n dt h eb a s i ck n o w l e d g ei n v o l v e di n i t sd e s i g np r o c e s s ，a n dd e t a i l e da n a l y s i sh a sb e e nc a r r i e do u tt os o m ek e yp a r t so ft h es y s t e m a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lc o n d i t i o n , t h em o n i t o r i n gs y s t e mi sd i v i d e di n t ot h r e el e v e l s m a i n l y ：t h eb o t t o ml e v e li sd a t aa c q u i s i t i o nu n i t ；t h em i d d l el e v e li sl o c a lm a i nc o n t r o lu n i t ； t h et o p r e m o t em o n i t o r i n gp c t h eb o t h - w a yc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nl e v e l si sr e a l i z e dv i a t w od i f f e r e n tr s 4 8 5b u s t h ed a t aa c q u i s i t i o nu n i tc o l l e c t sd a t aa n dt r a n s m i t st h e mt om a i n c o n t r o lu n i t ；i ta l s or e c e i v e sc o m m a n d sf r o m m a i nc o n t r o lu n i t t h em a i nc e n t r e lu n i tc a l v e s t h r o u g ht h ew o r ko fs y s t e mo p e r a t i o nc o n t r 0 1 r u n n i n gs t a t em o n i t o r , p a r a m e t e rs e ta n ds oo n t h cs y s t e mi sm o n i t o r e db yt h er e m o t ep cs o f t w a r e l e dd i s p l a ya n dm a n a g e m e n tc i r c u i ti s d e s i g n e dw i t h i d la n df p g ac h i po fe p 2 c 5 q 2 0 8 c 8 w i t hr i c hr e s o u r c e so n c h i p a n ds t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c e c a p a c i t y , t h e m c u m c 9 s 1 2 d g 2 5 6h a sb e e na d o p t e db yd a t aa c q u i s i t i o nu n i ta n dm a i nc o n t r o lu n i lm a n y m e a s u r 髂8 t a k e ni no r d e rt oe n h a n c et h ea n t i i n t e r f e r e n c er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m a st h e s o f t w a r ei sb a s e do ne m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mu c o s - i f , t h ea p p l i c a t i o np r o g r a m d e s i g np r o c e d u r em a yb eg r e a t l ys i m p l i f i e d , t h es y s t e m r e s o n l c e sm a yo b t a i nab e t f e rr i s e , a n d t h ee x p a n s i b i l i t ya n dr e a l t i m ec a p a b i l i t ym a yb ei m p r o v e d r e m o t em o n i t o r i n gs o f t w a r eo i l p ci sp r o g r a m m e dw i t hv i s u a lb a s i cl a n g u a g e 1 h cd e b u g g i n ga n dr u n n i n go ft h es y s t e mi n d i c a t et h a ti th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f s i m p l e rs t r u c t u r e , l o w e rc o s t ，e a s i c fo p e r a t i o n , h i g h e rr e l i a b i l i t y a n d f r i e n d l yi n t e r f a c e b e t w e e nh u m a na n ds y s t e m i ti m p r o v e st h ew o r k i n ge f f i c i e n c ya n dt h ea c c u r a c y ，m e e t st h e n e e do fp r o d u c t i o n ，p o s s e s s e sg o o dv a l u eo fp r o m o t i o n k e yw o r d s ：i n t e r n a lm i x e r ；m o m t o f i n gs y s t e m ；m c g s l 2 d g 2 5 & u c o s ：r s - 4 8 5 一一 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名至鉴主! 丝 鲨丑年尘月三踊 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1引言 橡胶行业是一个非常重要且产量非常巨大的行业。据不完全统计，目前世界上橡胶 制品的品种与规格都己超过了十万种，橡胶用量和橡胶工业的总产值还在逐年增加。 橡胶机械行业是为橡胶制品提供加工装备的。随着世界橡胶产业，尤其是轮胎工业 不断向现代制造业的方向发展，橡胶机械工业出现了不少新的气象。目前，全球橡胶机 械的销售额已超过2 8 亿美元，年均增长达到1 4 以上。预计未来几年，由于橡胶产业相 继进入新一轮设备更新和技术创新时期，橡机工业鼎盛期有可能延长一段时间并将会继 续呈现同步向前的发展势态i l j 。 我国已经成为世界最大的橡胶消费国，世界最大橡胶机械产销市场之一，全球橡胶 机械的重要制造中心。我国的橡胶工业正以高于世界橡胶工业两倍的速度向前发展。 密炼机已成为当前世界橡胶工业的主要炼胶设备。密炼机是橡胶生产中的一种关键 设备，主要完成橡胶的混炼。在橡胶加工的过程中，第一道也是非常重要的工序是混炼。 它决定着后面诸多工序的功效，并对产品性能具有很大的影响。在整个橡胶行业中，大、 中型规模的橡胶厂一般使用的混炼设备都以密炼机为主【2 】 密炼机转子被称作“密炼机的心脏”，密炼机转子端面润滑密封性能的好坏将影响 炼胶配方的精确性及所生产胶料质量的稳定性。转子端面润滑密封装置，结构如图1 1 所示。密炼机炼胶过程中，密炼室与转子端面间隙处可能产生胶料堆积或硬化，在长时 间内会造成胶料的污染或分解。此处通过软化剂孔注入对胶料有软化性能的高压软化 剂，一方面软化密封圈外的橡胶颗粒，使胶料被搅拌成浆糊状，防止橡胶颗粒进入轴承， 起第一道密封作用；另一方面降低炼胶过程密封圈的发热量，当转子以高速率旋转时， 对热极其敏感的物料不致于形成硫化的颗粒；其次使转子和耐磨板的磨损减缓。高压润 滑油注入到动圈和定圈接触处，在动圈和定圈之间形成油膜保护。减少接触面的摩擦， 起到润滑作用，其次具有第二道密封的作用，同时还可以降低接触面温度【3 】i ”。 密炼机转子端面润滑密封的好坏直接影响着密炼机的工作性能。如果润滑油或软化 剂注入过多，胶料中的含油率升高，影响炼胶质量。在由于油路泄漏或堵塞等情况下， 如果润滑油过少，在动圈和定圈之间形成不了油膜，密封面便会严重磨损、咬合，影响 动、定圈的使用寿命，甚至引起定圈掉落，还会造成漏胶料现象；如果软化剂过少，达 不到对局部胶料软化的效果，形成不了糊状物，会出现漏炭黑现象。 密炼机转子端面高压润滑油孔和高压软化剂孔分布如图1 2 所示。其中，标号为7 、8 、 密炼机转子端面润滑密封监控系统研究 9 、1 0 、l l 、1 2 的孔为高压润滑油孔，标号1 7 、1 8 、1 9 、2 0 的孔为高压软化剂孔。每个 转子的每个端面高压润滑油孔为3 点，高压软化剂孔为2 点。整个密炼机共有2 个转子， 共1 2 点高压润滑油孔，8 点高压软化剂孔。采用2 台出油头数分别为1 2 和8 的柱塞泵，分 别完成高压润滑油和高压软化剂的注入。每台密炼机的高压润滑油和高压软化剂分别具 有各自的油路，按照一定的工作方式协同工作。橡胶混炼车间通常有2 4 台密炼机，具 有各自的转子端面润滑密封系统，彼此独立工作。 注5 1 ) 转子 2 ) 动圈 3 ) 定圈 4 ) 耐磨挡板。 5 ) 软化剂孔 6 ) 润滑油孔 图1 1 转子端面结构示意图 图1 2 油孔分布示意图 f i g 1 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f o i l h o l ed i s t r i b u t i o n 大连理工大学硕士学位论文 密炼机转子端面润滑密封系统对于提高密炼机的工作性能，提高炼胶质量，改善工 人劳动强度，提高企业的管理监控水平。有着重要的影响。有必要对企业密炼机转子端 面润滑密封系统进行准确、高效的监测控制。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 多年来，人们一直将密炼机的高性能化、精密化和效率化列为重要的研发课题。长 期以来，国外的一些著名液压润滑系统厂商在密炼机转子端面润滑密封系统上投入了大 量的人力和物力，同时得益于微机控制技术、通信技术和微电子技术的发展，相关研究 取得了一定的成果，实现了密炼机转子端面润滑密封系统的自动化和智能化，这些产品 品质卓越、外形美观，操作方便，大多具有以下特点m ： ( 1 ) 多采用计算机或者p l c 作为现场控制单元 ( 2 ) 具有良好的通信功能，实现了局域网络集散控制。 ( 3 ) 具有智能故障诊断功能。 ( 4 ) 元件的数字化。 目前国内橡胶工业生产中密炼机转子端面润滑密封系统的监控措施比较简陋，监控 管理水平落后，大多停留在八十年代的水平。这些产品在日益激烈的市场竞争中已经渐 渐显示出了许多劣势，制约影响着密炼机的工作性能，影响到了企业的生产管理水平。 这主要表现在： ( 1 ) 机械式仪表。多采用陈旧的机械式仪表进行参数的检测，显示效果差，精度低， 易于误报警，不便于管理。 ( 2 ) 功能单一。大多数只有润滑油和软化剂的注入功能，少数设备具有多油路压力 昴限监视功能。 ( 3 ) 网络设施差控制设备彼此独立，不便于信息交流：没有组成车间网络，不便 于企业管理。 ( 4 ) 显示界面不友好，不便于操作者监控。 ( 5 ) 系统结构繁琐。系统结构比较混乱，监控不便。 ( 6 ) 故障的指示。无故障指示功能，发生故障后，故障原因检查不便，不便于维修。 ( 7 ) 造价。仪表数量过多，布线复杂、造价过高。 本文所介绍的密炼机转子端面润滑密封监控系统，集数据采集、实时显示、故障指 示、声光报警、参数设置和网络传输等功能于一身，可以灵活的进行系统的移植和扩充。 密炼机转子端面润滑密封监控系统研究 1 3 课题的主要工作 本课题是与大连美德液压气动工程有限公司的合作项目，是要解决橡胶生产过程中 出现的实际问题：密炼机转子端面润滑密封系统监控问题。本课题基于r s - 4 8 5 总线技 术规划系统总体框架结构；选取先进的微控制器芯片及f p g a 芯片，选择合适的外围扩 展设备，设计具有良好性能的硬件电路；基于嵌入式实时操作系统u c o s - i i 进行控制系 统的软件开发；利用v i s u a lb a s i c 编写远程p c 机监控软件。从而使最终研制的产品做 到精度高、操作方便、功能齐全，移植性好等特点，达到同类产品的国内先进水平。 本课题是2 0 0 6 年4 月底，在仔细了解了国内外相关产品的开发现状，进行了充分 的市场调查，认真研究了当前市场上同类型产品的优点和不足，并且很好的结合国内用 户的使用环境及需求后，进行相关开发和设计。本课题为工程实际项目，根据产品的要 求，课题的研究内容如下： ( 1 ) 系统总体结构规划设计。采用r s - 4 9 5 总线构建系统总体框架。 数据采集单元的设计。数据采集单元位于高压油泵处，进行数据采集和控制输 出。需要采集的输入数据有：高压润滑油和软化剂的压力、液位、温度，油泵动作反馈 等。控制输出数据有：润滑油泵和软化剂泵启停信号、速度控制信号，加油电磁阀和加 热器开关信号等。 ( 3 ) 主控单元的设计。主控单元位于操作者监控台，根据本控和遥控信息，对数据 采集单元发送来的数据进行处理，控制整个系统运行。操作者可以对工作参数进行设定。 ( 4 ) 基于f p g a 的数码管显示管理电路的设计。根据产品需要，采用数码管对2 0 路高压油压力进行显示，同时具有闪烁报警提示功能。数码管数量多达6 0 个，且要实 现特定数码管的闪烁功能。选取了f p g a 器件和v h d l 语言，自定义了显示管理电路。 ( 5 ) 本控和遥控工作方式相结合。系统集成了本控和遥控两种工作方式。采用本控 工作方式，可以手动操作，便于安装调试，便于故障检测与维修，可以满足特殊情况需 要。采用遥控工作方式，可以实现无人监控。 ( 6 ) f r c c s c a l c 公司的1 6 位微控制器m c 9 s 1 2 d g 2 5 6 的软硬件开发和使用方法，包括 系统的硬件构成和软件开发方法。 ( 7 ) u c o s i i 在m c 9 s 1 2 d g 2 5 6 芯片上的移植以及使用该操作系统进行系统软件的 设计。 ( 8 ) 远程p c 机监控软件的设计。要实现远程p c 机监控软件与主控单元的通信，实 现在线修改参数、在线标定传感器、压力监控和工作状态监控等功能。 大连理工大学硕士学位论文 2 系统总体方案 密炼机转子端面润滑密封监控系统是一套数据采集和控制决策系统，用于对密炼机 转子端面润滑密封用高压润滑油、软化剂液压系统的数据采集、分析处理和控制决策。 系统要根据遥控或者本控信息，实现多路油压检测显示、温度监控、液位监控和油泵的 运行控制等，并且要具有远程通信功能。 2 1 系统总体结构 本系统最终实现的总体功能是：以密炼机转子端面润滑密封监控系统为核心对密炼 机转子端面的润滑密封系统进行实时监控。 监控系统接收的控制信号，可以是从控制中心( p l c ) 传送来的遥控信号，也可以 是通过按键输入的本地控制信号。与此同时，可以对控制命令与实际液压系统的工作状 况进行显示，便于操作者观察控制效果。另外，也可以通过双绞线与远程p c 机相连接， 进行远程参数设定和远程监控管理，提高系统的智能化水平。 炼胶车间设备现场实际布局如图2 1 所示。车间通常为4 层楼层结构。 图2 1 车间现场布局图 f i g 2 1 f i e l dl a y o u ti nw o r k s h o p 密炼机转子端面润滑密封监控系统研究 ( 1 ) 第4 楼层：胶料和炭黑等原料在此楼层暂存、称量，完成配料。 ( 2 ) 第3 楼层：加料设备在这个楼层进行加料；现场监控设备也在这个楼层，完成 对设备运行的监控。 ( 3 ) 第2 楼层：液压泵站等设备在这个楼层，为密炼机提供液压动力，对密炼机进 行润滑和密封。 ( 4 ) 第1 楼层：在这个楼层完成卸料，通过传送带将混炼完毕的胶料传送到下一步 工序处。 根据实际情况，需要在第2 楼层对密炼机转子端面润滑密封液压系统进行数据采集 和控制输出；在第3 楼层实现数据显示和系统监控等功能；在车间更远处的车间监控站 进行远程监控管理。 系统总体结构示意图如图2 2 所示。监控系统主要分为3 个层次。 q 灭 操作者 图2 2 系统示意图 f i g 2 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fs y s t e m ( 1 ) 底层是数据采集仪表层，完成被监测对象的数据采集和控制命令的输出。同液 压设备一同放在第2 楼层。数据采集单元通过r s 4 8 5 总线与中间层主控单元通信。 ( 2 ) 中间层是现场自动控制设备层，完成监控系统的主要监控功能。同控制中心 ( p l c ) 一同放在第3 楼层。该层主控单元通过r s - 4 8 5 总线接收底层数据采集单元的 数据，显示压力和工作状态等；根据控制中心( p l c ) 的遥控信号或者按键输入的本控 信号，进行系统的监控；同时和远程f c 机监控软件通信。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 上层是车间监控层，是对监控系统的运行状况进行整体监控和管理操作。这一 层从中间层主控单元获取数据，完成各种控制操作、运行状态和参数等的监控管理和报 警输出。监管人员可以直接实时了解生产现场的工作状态，及时解决出现的问题。该层 p c 机通过r s - 4 8 5 总线与中间层主控单元通信。 2 2 液压系统 密炼机转子端面润滑密封用液压系统由2 个分系统组成，分别是润滑油液压系统和 软化剂液压系统。润滑油液压系统，主要实现对密炼机转子端面的润滑工作，有1 2 个 出油口；软化剂液压系统，主要实现对密炼机转子端面的密封工作，有8 个出油口。润 滑油液压系统组成示意图如图2 3 所示，软化剂液压系统组成与此大致相同，不同之处 仅仅在于软化剂泵的出油头数为8 。 图2 3 润滑油液压系统示意圉 f i g 2 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo f l u b r i c a t i o nh y d r a u m a t i cs y s t e m 一，一 密炼机转子端面润滑密封监控系统研究 2 3 数据采集单元总体方案 数据采集单元位于密炼机转子端面润滑密封用液压系统泵站处，可以精确、方便的 采集所需要的监控数据，同时将控制信息输出，控制液压系统工作。 根据系统需要，该课题开发了功能丰富、操作方便、通用性好的数据采集单元。该 数据采集单元所实现的功能主要有： ( 1 ) 数据采集：包括1 2 路润滑油压力、8 路软化剂压力、2 路油温、2 路液位、2 路 油泵状态反馈信号等。 ( 2 ) 控制输出：包括2 个油泵的启停控制和转速控制、2 个加油电磁阀动作、2 个加 热器的动作等。 ( 3 ) 与主控单元通过r s - 4 8 5 总线通信。 ( 4 ) 传感器输入信号的软件调零、调满。 ( 5 ) d a 输出的调零、调满。 数据采集单元总体设计方案如图2 4 所示。 图2 4 数据采集单元设计方案 f i g 2 4d e s i g ns c h e m eo f d a t aa c q u i s i t i o nu n i t 大连理工大学硕士学位论文 2 4 主控单元总体方案 主控单元将控制器、r s 4 8 5 通信，按键输入、光电隔离l ，0 、显示单元、报警输出 和电源等有机的结合在一起，所实现的主要功能有： ( 1 ) 接收遥控控制命令：通过光电隔离，接收控制中心( p l c ) 发送来的润滑油泵 启停信号、软化剂泵启停信号、密炼机节油触发信号等开光量输入信号；通过a d 采集 油泵转速信号( o l o v 模拟量) ，从而控制流量。 ( 2 ) 接收本控控制命令：通过按键实现本控和遥控工作状态的切换。在本控状态下， 通过本地按键实行系统的控制，包括滑油泵启停控制、软化剂泵启停控制等。 ( 3 ) 接收按键输入的参数设定命令：操作者可以通过按键，使主控单元进入参数设 定模式。设定参数包括软化剂保持温度设定、压力上限报警值、压力上限预警值、压力 下限报警值等。 ( 4 ) 通过r s - 4 8 5 总线与数据采集单元通信：接收来自数据采集单元的信息，包括油 压、油温、液位高度、油泵运行状态反馈信号等；将控制信息发送给数据采集单元，控 制油泵运行、加油、加热等动作 ( 5 ) 对压力和工作状态进行显示和监控，及时报警。 旧通过r s - 4 8 5 总线，与远程监控中心p c 机通信，实现远程监控功能。 监控系统主控单元总体设计方案如图2 5 所示。 远程计算机终端i 一h4 8 5 f l 信2 卜- 叫光电隔离 控制中心光电隔离 按键 拨码开关 s 1 2 d g 2 5 6 控制器 h 懂口 z o 路压力显示 工作状态显示 继电器隔离 苎苎墨苎兰至| + 叫：! ! 兰! ! r - 叫查皇竺苎ii 堡竺竺堂 图2 5 主控单元设计方案图 f i g 2 5d e s i g ns c h e m eo f m a i nc o n t r o lu n i t 密炼机转子端面润滑密封监控系统研究 2 5 压力显示模块 根据客户需要，我们要采用数码管对2 0 路液体压力进行显示。润滑油和软化剂的 压力在0 8 0 m p a 之间，要求显示到0 1 m p a 。每3 位8 段数码管组成一个小的显示块， 用于显示一个测试点的压力数值；一共有2 0 个这样的小的显示块，按照与被测量泵轴 的实际相对位置放置，显示2 0 个测试点的压力数值：对于每个测试点，如果油压超过 高压预警值或者低于低压报警值，要将该点的实际压力用闪烁的方式显示，用于提醒操 作者，引起操作者注意。 可以看出，数码管数量多，静态显示功耗比较大，特定数码管的闪烁功能的实现比 较复杂。为了驱动众多数码管显示，同时减轻主控单元控制器的工作量，使主控单元能 够更好实时地进行控制操作，我们采用了f p g a 芯片自定义数码管动态显示驱动管理电 路。 2 6 远程p c 机软件 根据需求，课题采用r s - 4 8 5 总线技术，实现微控制器与远程p c 机之间的通信，同 时开发了功能丰富，操作简便的p c 机监控软件。其主要功能如下： ( 1 ) 在线参数修改：包括软化剂保持温度设定、压力上限报警值、压力上限预警值、 压力下限报警值等，以适应不同的系统要求。 ( 2 ) 在一定范围内对传感器进行标定：系统除可在硬件上进行标定外，还可以通过 远程p c 机软件来进行软件标定。 ( 3 ) 实时数据显示：上位机实时采集润滑油和软化剂压力以及系统工作状态信息等， 并给予显示，便于监控。 ( 4 ) 远程控制：远程操作者可以通过p c 机软件管理控制现场监控系统，实现远程 监管。 ( 5 ) 提供良好的人机界面。 上位机程序在w i n d o w s 操作环境中采用v i s u a lb a s i c 语言编制。 大连理工大学硕士学位论文 3 数据采集单元的研制 数据采集单元位于系统底层现场仪表处，进行所需数据的采集和控制信号的输出。 数据采集单元的总体设计方案如图2 4 所示。数据采集单元主要由以下几个部分组成： 第一部分：前向通道 ( 1 ) 润滑油和软化剂的压力、油温和液位，其中压力和浊温都是模拟信号输入，液 位是开关信号输入。 ( 2 ) 油泵的运行反馈信号，用来得到油泵启停状态的反馈。 第二部分：中央控制器 ( 1 ) 进行信号的采集。 ( 2 ) 命令的控制输出。 ( 3 ) 控制系统通信。 第三部分：后向通道 ( 1 ) 通过光电隔离，控制加热设备、加油电磁阀和变频器的启停。 ( 2 ) 通过d a 转换和线性光电隔离，控割变频器的运行速度。 第四部分：通信通道 ( 1 ) 通过r s - 4 8 5 接口与主控单元通信，完成数据的传输。 ( 2 ) 通过b d m 接口与调试设备进行数据通信。 3 。1m c 9 s 12 d g 2 5 6 微控制器 在当今的微控制器市场，各种微控制器都有其独有特点，至于具体选择哪种微控制 器型号，则完全遵循工程应用的实际需要和经济性原则。 本系统采用f r e e s c a l e 公司的m c 9 s 1 2 d g 2 5 6 微控制器作为系统的c p u 。 m c 9 s 1 2 d g 2 5 6 微控制器，由于其性能卓越，得到了广泛的应用。m c 9 s 1 2 d g 2 5 6 微控 制器有如下特点嘲： ( 1 ) 以h c s l 2c p u 为核心，内部总线频率可达2 5 m h z 采用优化的指令集，指令的 运算速度得到了很大的提高。 ( 2 ) 片上集成了许多标准模块，包括一个1 6 位中央处理器( h c s l 2c p u ) 、3 个同 步串行通信m s p i 、2 个异步串行通信u s c i 、2 个c a n 总线接口( 兼容c a n 2 0 a b 协议) ， 1 个i i c 总线接口、2 个1 0 位8 通道a d 转换模块、8 路输入捕捉输出比较通道、1 个8 通道 p w m 输出模块、众多独立数字l o 口( 其中某些具有外部输入中断及唤醒功能) 。 ( 3 ) 具有较大的存储空间，在片内拥有2 5 6 k 字节的f l a s h 、4 k 字节的e e p r o m 、1 2 k 密炼机转子端面润滑密封监控系统研究 字节的r a m ，因此可以存储大量的数据并可移植一些嵌入式操作系统。 ( 4 ) 其内部具有1 个p l l 模块，应用锁相环技术提高了系统的电磁兼容性，降低了对 外辐射干扰，提高了系统的稳定性。 ( 5 ) 具有1 个b d m 调试模块，开发人员可以通过它将代码下载到微控制器中并进行 在线软件调试，使得现场开发与系统升级变得更加方便。 ( 回它可以在4 0 1 2 5 3 2 的温度范围下工作，恶劣环境对其应用的限制很小。 m c 9 s 1 2 d g 2 5 6 微控制器拥有这些丰富的内部资源和外部接口资源，功能强大、运 行速度较快、抗干扰能力强，并且具有较高的性能价格比，在汽车电子、测量仪表、自 动控制等各个领域都得到广泛应用。 m c 9 s 1 2 d g 2 5 6 微控制器的结构框图如图3 1 所示。 图3 1m c 9 s 1 2 1 ) g 2 5 6 结构图 f i g 3 1 s w a e t t t r ed i a g r a mo f m c 9 s 1 2 d g 2 5 6 m c g s l 2 d g 2 5 6 片内自带4 ke e p r o m ，被称为e e t s 4 k 模块，可用来保存需要掉 电保存的参数，如传感器的调零调满信息，其主要特点【9 l ： 最小擦除单位是4 个字节； 单电源供电撩写； 命令执行完毕中断或者命令寄存器空都可以产生中断： 大连理工大学硕士学位论文 可以软件设定保护地址，具有保密性。 m c 9 s 1 2 d g 2 5 6 内部含有2 个l o 位8 路a d 转换器，被称为a t d模块， 其主要特点如下”0 】： i o b s c 1 0 位单次转换时间仅霜7 u s ； 采样缓冲放大器； 可编程采样时间： 数据左右对齐，有符号无符号结果； 外部触发控制； 转换完成中断； 模拟数字输入引脚复用； l 到8 顺序转换长度； 连续转换模式； 多通道扫描方式。 3 2 数据采集单元前向通道 所谓微控制器的前向通道，指的是微控制器应用系统的信号采集通道，从信号的传 感、变换、直到输入微控制器。前向通道的设计与被测对象的状态、特征、所处环境密 切相关。在前向通道的设计中要考虑到传感器或敏感元件选择、通道结构、信号调节、 电源配置和抗干扰设计等。 3 2 1 压力变送器 要检测1 2 路润滑油压力和8 路软化剂压力。为此制作了2 0 个压力变送器压力变 送器集成了压力传感器和压力信号放大处理电路。 选择合理的压力传感器是正确有效的采集实际压力信号的保证。在此选择了瑞士生 产的5 0 1 型陶瓷压阻式压力传感器。陶瓷是一种公认的高弹性，抗腐蚀、抗冲击和震动 的材料。陶瓷的热稳定性可以使他的工作温度范围高达- 4 0 + 8 5 c ，具有测量的高精度、 高稳定性，且输出信号强，长期稳定性佳。高特性、价格低的陶瓷传感器在业界得到广 泛应用，逐渐成为压力传感器的主流产品。抗腐蚀的陶瓷压阻压力传感器没有液体的传 递，压力直接作用在陶瓷膜片前表面，使膜片产生微小的形交。后膜电阻印刷在陶瓷膜 片的背面，连成一个惠斯通电桥，由于压敏电阻之压阻效应，使电桥产生一个与压力成 正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号n 】5 0 1 型陶瓷压阻式压力传感器引 脚图如图3 ，2 所示。 密炼机转子端面润滑密封监控系统研究 图3 z5 0 1 传感器引脚图 f i g 3 2 p i nc o n f i g u r a t i o n so f s e n s o r5 0 1 a d 6 2 3 仪表放大器是美国模拟器件公司推出的一种低价格、单电源、输出摆幅能达 到电源电压的仪表放大器。低功耗、宽电源电压范围、满电源幅度输出，使a d 6 2 3 成 为电池供电应用的理想选掣1 2 】。a d 6 2 3 可取代分立的仪表放大器设计，且在最小的空 间内提供很好的线性度、温度稳定性和可靠性。基于a d 6 2 3 的信号调理电路图如图3 3 所示。靠近电源引脚处加去耦电容，选用0 1 心的瓷片电容和l o t f 的电解电容，放大 倍数由r 3 决定。r e f 作为调节电压，约为o 2 5 v ，使整个输出电压都正向偏移0 2 5 v ， 确保压力变送器不会输出负电压。 图3 3 信号调理电路 f i g 3 3s i g n a l c o n d i t i o n i n gc i r c u i t 供电电压的变化会直接影响传感器的输出电压，还会影响到运算放大器a d 6 2 3 的 精度，因此，希望电压变动要小。本文使用t l a t 3 1 产生9 2 5 v 电压对传感器和运算放大 器a d 6 2 3 进行供电电路如图3 4 所示。t l 4 3 1 精密可调基准电源有如下特点：稳压值 芷正负负负慷籼棚籼槭 4 5 大连理工大学硕士学位论文 从2 5 3 6 v 连续可调；参考电压误差1 o ，低动态输出电阻，典型值为0 2 2 n ；输出 电流1 0 1 0 0 m a ；全温度范围内温度特性平坦；低输出电压噪声口3 1 。 五 圈3 4 电压产生电路 f i g 3 4v o l t a g eg e n e r a t i o nc i r “i t 最终设计得到的压力变送器如图3 5 所示。 图3 5 压力变送器 f i g 3 5 p r e s s u r et r a n s d u c e r 3 2 2 温度输入信号接口 润滑油和软化剂的温度检测，采用的是集成了p t l 0 0 铂阻的温度变送器，其供电电 压为直流2 4 v ，输出信号为标准4 2 0 m a 的电流信号为了能够将这个电流信号变换 成a d 转换电路可以识别的电压信号，需要有一个电流电压自动转换装置，将送来的 电流模拟量转换为电压量。如图3 6 所示的电路将4 2 0 m a 的电流信号转换为1 5 v 的电压信号。r 2 采用高精密线绕电阻，它决定了转换精度。4 2 0 m a 的电流环经过r 2 流向地，这样o i l t i 的电压为：2 5 0 f i x ( 4 2 0 m a ) = l 5 v ，属a d 转换器件正常输入 密炼机转子端面润滑密封监控系统研究 电压范围。电阻r i 和瓷片电容c i 构成r c 低通滤波电路，对输入信号进行滤波，以滤 掉高频干扰信号。二极管d 1 和d 1 9 ，这两个二极管均采用i n 5 8 1 9 ，这种型号的二极管 的特点是响应速度快，导通压降低( 大约0 3 v 左右) 。由图可知。当输入电压信号高于 “a v c c + - - 极管导通压降”时，d l 导通，从而将输入电压钳位在该电压值上，大概是 5 3 v ，保护a d 转换器兔遭过高的电压破坏；而当输入电压低于“a g n d - 一- 极管导通 压降”时，d 1 9 导通，从而会将输入电压钳位在该低电平电位上。这个低电平钳位值大 约为0 3 v 。 隋 。互 m u 8 l c ( a 叮 图3 6 电流电压转换电路 f i g 3 6 c u r r e n t - t o - v o l t a g ec o n v e r s i o nc i r c u i t 3 2 3 液位输入信号接口 采用液位开关进行液位检测，其输出信号是开关量信号。如图3 6 为开关量输入信 号接口电路。为了避免引入外部干扰，采用了t l p 5 2 1 进行光电隔离，t l p 5 2 1 的隔离 电压为2 5 0 0 v r m s ：同时采用了施密特触发器对输入信号进行整形。 为了得到油泵的启停状态信息，需要将启停状态通过继电器反馈回系统。为了避免 引入外部干扰，同样采用了图3 7 电路。 图3 7 开关输入信号接口设计 f i g 3 7 i n t e r f a c eo f s w i t c hi i l p ms i g n a l 大连理工大学硕士学位论文 3 2 4 _ d 转换及a i ) 转换器t i c l 5 4 3 对于本系统，润滑油和软化剂的压力以及温度信号需要经过a d 转换为微控制器可 以接收处理的数字信号。由于系统需要采集2 0 路压力信号和2 路温度信号，需要2 2 路 模拟量输入通道。m c 9 s 1 2 d g 2 5 6 微控制器内部的2 个a t d1 0 8 8 c 模块共包含有1 6 路模拟量输入通道，还缺少6 路模拟量输入通道，为此，有必要扩展外围的a d 转换器。 为了节省微控制器管脚资源，在满足要求的情况下，最终选择了美国德州仪器公司( 1 1 ) 的t l c l 5 4 3 芯片。t l c l 5 4 3 是1 1 公司生产的众多串行a d 转换器中的一种，具有以下 特点1 14 】【1 5 】： 1 0 位转换精度； 1 0 峪转换时间； 1 1 路模拟输入； 3 种内建自测模式； 内建采样保持器： 内部有片内时钟系统； 具有转换结束引脚，方便使用查询和中断方式编程； 有极性或无极性二进制输出。 t l c l 5 4 3 为c m o s 、1 0 位开关电容逐次逼近a d 转换器。它有3 个控制输入端： 片选( c s ) 、输入输出时钟( i oc l o c k ) 和数据输入( d a t a1 n p l 玎) 端。通过一 个串行的三态输出端与主处理器或其外围的串行口通信，可与主机高速传输数据，输出 数据长度和格式可编程。片内含有一个1 4 通道多路器可从1 1 个模拟输入或3 个内部自 测电压中选择一个。片内设有采样一保持电路。“转换结束”信号e o c 指示转换的完成。 系统时钟由片内产生并由i oc l o c k 同步。正、负基准电压( 1 也f + 、r e f - ) 由外部提 供，通常为a v c c 和a g n d ，两者差值决定输入电压范围。 基准电压源是a d 转换器的辅助电路部分，其作用是向a d 转换器提供工作所需 的精确参考电压。基准电压源主要由高精度集成电压基准源l m 3 3 6 - 5 及微调电阻等器 件构成【嘲，输入+ 2 4 v 电压，输出高精度的+ 5 v 电压。 t l c l 5 4 3 与微控制器的接口电路如图3 8 所示。其中片选( c s ) 与微控制器p s 7 管脚连接，输入输出时钟( i o c l o c k ) 与微控制器p s 6 管脚连接，数据输入( d a t a i n p u t ) 端与微控制器p s 5 管脚连接，数据输出( d a t ao u t ) 与微控制器p s 4 管脚连 接。