（控制理论与控制工程专业论文）金刚石压机温度与压力测控系统研制.pdf

摘要 嵌入式系统是一种以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减， 适应对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。随若计 算机软硬件的成熟，嵌入式系统技术日趋成熟和完善，使它在工业控制、交通 管理、环境监测等众多领域中获得了广泛的应用。 本文侧重于介绍嵌入式硬件与软件技术在金刚石压机测控系统中的应用。 结合理学院开发项目“金刚石压机系统改造”，在深入研究嵌入式系统技术的基 础上选择具体的硬件平台和软件平台进行金刚石压机测控系统的研发，期待能 在金刚石压机测控系统的可靠性、稳定性、功能多样性：温度与压力的监测与 控制精度上取得更好的效果。本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 简要介绍了目前金刚石压机温度与压力钡控系统发展现状，嵌入式系 统的发展现状。国内外对金刚石合成控制系统研究设计的还不是很成 熟，且国内的自动化水平与国外相比还有很大的差距。 ( 2 ) 研究了金刚石压机测控系统的主要结构，金刚石的制造工艺及控制参 数；给出了温度、压力的检测方法和控制方法等。 ( 3 ) 讨论了金刚石压机温度与压力测控系统硬件系统的设计。给出了主控 板和监测板的硬件方案，并对部分硬件模块作了详细介绍，最后就系 统的硬件可靠性设计给出了设计方案。 ( 4 ) 讨论了金剐石压机温度与压力测控系统软件设计，给出了主控板的程 序流程图，软件可靠性设计方案，以及用q x 8 0 c 2 5 6 界面设计。接着 重点介绍了时间触发式软件架构，给出了时间触发式软件架构在监测 板上的程序实现过程。这种软件大大提高了系统的稳定性，可靠性。 同时介绍了在液晶设计中的一些实践技巧。 最后，对本文所做的工作以及实验结论进行了简短的总结。提出了需要继 续完善的地方，以作为后续研究工作的参考。 关键词：金刚石压机，嵌入式技术，液晶，时间触发式，可靠性 a b s t r a c t e m b e d d e d s y s t e m i sak i n do f s p e c i a la p p l i c a t i o n - o r i e n t e dc o m p u t e rs y s t e m i ti s b a s e do nc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dc a nm e e tt h es t r i c t r e q u i r e m e n to ff u n c t i o n ， r e l i a b i l i t y ，c o s t ，v o l u m e ，a n dp o w e rc o n s u m p t i o nb ya d j u s t i n gi t sh a r d w a r ea n d s o f t w a r e w i 血r a p i dd e v e l o p m e n t o f h a r d w a r e t e c h n o l o t yi sg e r i n g m o r er e l i a b l ea n d p e r f e c ts t e pb ys t e p a tp r e s e n t ，e m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n y f i e l d ss u c ha si n d u s t r i a lc o n t r o l ，t r a f f i cc o n t r o l ，a n de t c ，b e c a u s eo f i t s h i g hr e l i a b i l i t y ， h i g hp e r f o r m a n c e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n ds oo n c o m b i n e dw i t ht h e p r o j e c t r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e dc o n t r o l s y s t e m i np r e s sp r o d u c i n ga r t 臻c i a ld i a m o n d 。a n db a s e do ni n - d e p t h s t u d y o n t e c h n o l o g yo fe m b e d d e ds y s t e m ，t h i s d i s s e r t a t i o nc h o o s e s s p e c i f i cp l a t f o r m o f h a r d w a r ea n ds o f t w a r et or e s e a r c ha n d d e v e l o pt h ee m b e d d e dc o n t r o ls y s e mi np r e s s p r o d u c i n ga r t i f i c i a ld i a m o n d ，a n de x p e c t st og e tg o o dr e s u l ti ns y s t e mr e l i a b i l i t y ， s e c u r i t y ，m o l eu s e f u lf u n c t i o n sa n dp r e c i s i o n c o n t r o li nt e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r e ，t h e f o l l o w i n ga r et h em a i n r e s e a r c hc o n t e n t so f t h ed i s s e r t a t i o n ( 1 ) f i r s t l y ，t h i sd i s s e r t a t i o no u t l i n e st h ed e v e l o p m e n t o f c o n t r o ls y s t e mi np r e s s p r o d u c i n g a r t i f i c i a ld i a m o n da n de m b e d d e d s y s t e m a tp r e s e n t t h e n g i v e t l l em a i nr e s e a r c ho f t h i sd i s s e r t a t i o n ( 2 ) p r i m a r i l yi n f o r m st h e m a i ns t r u c t u r eo ft h ec o n t r o l s y s t e m i np r e s s p r o d u c i n g a r t i f i c i a ld i a m o n d ，d i a m o n d s y n t h e s i z i n gt e c h n i q u e a n d d i s c u s s e st h ec o n t r o lm e t h o d s o f t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ( 3 ) t h e nw ea r g u e st h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ee m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mi n p r e s sp r o d u c i n ga r t i f i c i a ld i a m o n d d i s c u s s e st h em a i nc o n t r o lb o a r da n d t h ei n s p e c tb o a r d sh a r d w a r e d e s i g n ，t h e ng i v e t h ed e t a i l so fs o m e i m p o r t a n tp a r t sa n d t h e r e l i a b i l i t yd e s i g n ( 4 ) t h e s o f t w a r ed e s i g no f t h i sc o n t r o ls y s t e mi sd i s c u s s e d g i v et h ef l o wc h a r t o ft h em a i nb e a r ds o l , r a r ed e s i g na n ds o f td e s i g nc o n c e r n e dw i t l ls y s t e m r e l i a b i l i t y t h e n d i s c u s s e sad e s i g np a r c r n sf o re m b e d d e d s y s t e m sn a m e d t i m e - t r i g g e r e de m b e d d e ds y s t e mw h i c h i sm u c hr e l i a b l e ，a n di n t r o d u c e s t h ed e s i g np r o c e s si no u rc o n t r o ls y s t e mu s i n gt h i ss o f tp a a e m s a l s ow e p r e s e n ts o m ee x p e r i e n c ei nl e dp r o g r a m m i n g a tl a s t ，t h ed i s s e r t a t i o nm a k e sas u m m a r yo ft h ew o r ki nt h ec o u r s eo f s y s t e m d e v e l o p m e n t ，p o i n t so u tw h a tt h es y s t e mn e e d s t ob ei m p r o v e d ，a n do f f e r st h e r e f e r e n c ef o rf o l l o w i n gt h ed e v e l o p m e n tw o r k k e y w o r d s ：m a n m a d ed i a m o n dm a c h i n e ，e m b e d d e d s y s t e m ，l e d ，t i m e t r i g g e r e d ， r e l i a b i l i t y 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源与研究意义 1 1 1 课题的来源 本论文的课题来源于导师横向科研项目武汉理工大学理学院金刚石压 机系统的测控系统设备改造。 武汉理工大学理学院使用的金刚石压机是由桂林冶金机械总厂生产的铰链 式6 x 1 0 0 0 0 k n 人造金刚石液压机，原系统采用基于p l c 的控制系统，此类系统 可靠性高，但由于原控制系统是用于工业生产金刚石，在数据处理和管理方面 的功能较弱，造成所设计的压机控制系统在可操作性、控制精度、数据存储以 及对运行过程实时监测方面存在很大的不足【l l 。尤其在科学研究过程中，需要对 金刚石合成过程中温度、压力等参数进行精密的膝控。因此需要对原系统进行 改造。 1 1 2 研究的意义 我国的人造金刚石工业正着眼于高品位人造金刚石的生产。高水准的生产 设备的研制追在眉捷。目前我国人造金刚石的生产多采用六面顶压机，然而六 面顶压机的控制系统一直比较落后，虽然近几年有所改进，但对各种工艺参数 的控制仍没多大改善。人造金刚石的合成效果( 产量、质量) 受诸多因素影响， 一定条件下，取决于温度、压力的合理匹配。金刚石合成经历形核、长大这两 个阶段，压力是金刚石合成的驱动力，它影响金刚石形核，也就是影响了金刚 石的产量、转化率，而温度主要是影响金刚石质量。目前大多数压机的压力控 制均为位控，即由电触点压力表发讯控制油泵启停。这种方式必然使压力波动 大，控制精度低，难以改变升降压速率。而加热控制目前大多采用调压器、可 控硅调压，未实现程序控制，难以保证精度。上述压力与加热控制现状很难满 足金刚石生产工艺的要求，不能实现变压、变温工艺曲线的程序控制，精度又 低，必然影响到产品的品级 2 1 。顶锤的位移检测控制和各种故障的自动分析处理， 以及计算机生产管理等方面的技术在人造金刚石生产中也起着非常重要的作 用，但这些技术的应用在人造金刚石行业中目前还很少，也不是本文的讨论范 围。 面对上述状况，寻求一些成本低，技术先进可行，实施方便的改进方案是 i 武汉理_ i ：= 大学硕士学位论文 非常有意义和必要的。故本课题的研究成果具有一定的实际工程意义。为我国 大规模合成超硬材料的进一步提高合成工艺水平、实现各种合成工艺、提高产 品质量、实现现代化管理、促进我国超硬材料合成技术的进步，有一定的借鉴 作用。 1 2 金刚石压机系统概述 当前世界上使用高温高压技术合成金刚石的主要装备有两面顶、六面顶、 凹模3 种形式1 3 j 。 凹模，主要是前苏联研制和使用的装备。随蓑苏联的解体，国内有不少单 位去独联体考察，并有单位引进了此类装备，其情况已基本了解。但在金刚石 生产过程中并没有大规模的使用。 六面顶金刚石压机，由于吨位低、投入少、技术相对容易、见效快，适应我 国市场经济初级阶段的国情，从数量上发展很快，为我国进入人造金刚石工业 生产大国作出了贡献。但是六面顶装备与国际大型两面顶装备相比，在技术水 平、生产能力，产品质量、经济效益方面都有很大差距。我国每年生产的4 5 亿克拉金刚石，也就相当于国际市场上3 4 千万克拉高档金刚石的价值。不仅 远远比不上g e 与d e b e e r s ，就连韩国水平也不如，从技术水平与综合经济效益 来说，我国仍然是工业金刚石生产弱国。 两面顶金刚石压机目前在国外较为流行。它具有最高当量体积和最高的压 力利用率两大特点，因而在合成金刚石压机吨位相同时，金刚石产量高出其余 二种装备的几倍，这是两面顶的产量优势。国产两面顶由于资金投入不够，技 术难度较大，缺乏对两面顶技术复杂性认识等使得两面顶压机没有能够在国内 得到充分的发展。 在本文的研究对象为六面顶金刚石压机。因此所讨论的测控系统都是基于 六面顶金刚石压机的。 1 3 嵌入式系统概述 1 3 1 嵌入式系统的定义及构成要素 嵌入式系统作为计算机的一种应用形式，是指嵌入在宿主设备中的微处理 机系统，它所强调的要点是辅助它所在的宿主设备去实现对被控对象的控制、 监视和管理等功能1 4 1 。通常，嵌入式系统被定义为一种以应用为中一t 3 ，以计算 机为基础，软硬件可剪裁，适应对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求 武汉理= 大学硕士学位论文 的专用计算机系统阻7 1 。从广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都 可称为嵌入式系统。从狭义上讲，嵌入式系统强调是那些使用嵌入式微处理器 构成独立系统，具有自己的操作系统，具有特定功能，用于特定场合的专用计 算机系统。 嵌入式系统的三个基本要素1 4 1 ：嵌入式、专用性与计算机系统。 ( 1 ) 嵌入性。嵌入式系统需要嵌入到对象系统中，实现对被控对象的智能 化控制，因此其必须满足对象系统的环境要求，如物理环境( 小型1 、电 气，气氛环境( 可靠) 、成本( 价廉) 等要求； ( 2 ) 专用性。嵌入式系统专用性很强，软件和硬件紧密结合，通常进行系 统的移植时根据产品的具体情况不断修改系统的应用软件和硬件配置 资源，因此嵌入式系统必须具有软硬件的可裁减性，满足被控对象的 最小软、硬件配置等要求； ( 3 ) 计算机系统。嵌入式系统作为能够满足对象系统控制要求的计算机系 统，其必须配置有与对象系统相适应的接口电路。 嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，其中硬件包括嵌入式处理器和外 围硬件设备，软件包括嵌入式操作系统及用户应用软件。 1 3 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的 具体应用相结合的产物，因为它是一个技术密集、资金密集、适用面广、不断 创新的知识集成系统。嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比，具有以下 特点1 6 】： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式c p u 与通用型的最大不同 就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具 有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡 完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化， 移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行 业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密 集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余， 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对 处理器的选择更具有竞争力。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体 产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命 周期。嵌入式系统的应用软件生命周期液和嵌入式产品一样长，和通 用计算机软件不同，其很少发生突然性跳跃，具有良好的可继承性和 技术衔接性，发展比较稳定。嵌入式处理器的发展也体现出稳定性， 一个体系的有效生命周期一般可达8 l o 年。 ( 5 ) 嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不 是存贮于磁盘等载体中。这样做的目的在于提高程序执行速度和系统 可靠性。 ( 6 ) 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也 是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才 能进行开发。这些工具和环境包括基于通用p c 机的软硬件设备，软件 开发所需的r t o s 平台以及用于辅助系统调试和诊断的示波器、数字 万用表、逻辑分析仪等。 1 3 3 嵌入式系统的发展 从2 0 世纪7 0 年代单片机出现倒当今高性能低功耗的嵌入式处理器的大规 模应用，嵌入式系统经历了软件和硬件逐渐发展与成熟的历程f 4 】。其发展大致经 历了四个阶段： ( 1 ) 第一阶段是以8 位单片机为核心的嵌入式系统，它具有开发监测、伺 服、通信、指示等设备的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强 的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对 系统进行控制。这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能相对单 一，处理效率低，存储容量小，几乎没有用户接口。由于其使用简单、 价格低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远不能适应高 效的、需要大容量存储的现代工业控制和新兴信息家电等领域的需求。 ( 2 ) 第二阶段是以高性能的1 6 位、3 2 位或更高位的嵌入式c p u 为基础、 以简单操作系统为核心的嵌入式系统。其主要特点是：c p u 种类繁多， 通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统达到一定的兼容性和 扩展性；应用软件较专业化。 ( 3 ) 第三阶段是以具有较完善的嵌入式操作系统为特征的嵌入式系统。其 主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上， 兼容性好：操作系统内核小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展 武汉理1 ：大学硕士学位论文 性；具备文件和目录管理、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界 面等功能；具有大量的应用程序接口a p i ，开发应用程序较简单；嵌 入式应用软件丰富。 ( 4 ) 第四阶段是在第三阶段的基础上增强并完善i n t e m e t 功能的嵌入式系 统。这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于 i n t e m e t 之夕 ，但随着i n t e r a c t 的迅速发展以及i n t e m e t 技术与信息家电、 工业控制技术结合日益密切，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合将代表嵌入 式系统的未来。 1 3 4 嵌入式系统的应用 嵌入式系统具有可靠性高、实时性强、功耗低等优点，其已在家用电器、 手持通用设备、信息终端、仪器仪表、汽车、航天航空、军事装备、制造工业、 过程控制等领域的到了广泛的应用【7 。 f 1 ) 工业控制。基于嵌入式处理器的工业控制系统具有广阔的应用范围， 目前其已在工业过程控制、数控机床、电路系统、电网设备监控、石 油化工系统等领域获得广泛应用，逐渐取代传统基于8 位或1 6 位单片 机的工业控制装置而成为工业控制设备的主流。 ( 2 ) 交通管理。嵌入式系统在车辆导航、流量控制和信息监控等方面获得 广泛应用，目前内嵌g p s 模块、g s m 模块的移动定位终端已成功使 用在交通运输行业。 ( 3 ) 信息家电。嵌入式系统技术在冰箱、空调、彩电等传统家电产品的应 用，将使家电具有良好的用户界面、智能管理、远程控制，从而进一 步推动家电产品的网络化、智能化、信息化。 ( 4 ) 环境监控。环境监控包括水文资料实时监控、防洪体系及水土质量监 控、地震监控网、实时气象信息网、水源和空气污染监控等。嵌入式 系统在环境监控上的应用，将实现对环境恶劣、地况复杂的地区进行 无入监控。 ( 5 ) 机器人控制。嵌入式处理器在机器人控制方面的应用，进一步推动了 机器入向微型化、智能化方面的发展，拓宽其在工业领域和服务领域 的应用空间。 除了以上提到的这些领域外，嵌入式系统在其他方面也有着广泛的应用。 目前嵌入式系统带来的工业年产值已超过1 万亿美元。美国著名未来学家尼葛 洛庞帝于1 9 9 9 年访华时曾预言，4 5 年后嵌入式智能工具将是p c 和因特网之 武汉理工大学硕士学位论文 后最伟大的发明。根据美国嵌入式系统专业杂志r t c 报道，2 1 世纪初的1 0 年 中，全球嵌入式系统市场需求量具有比p c 市场大1 0 至1 0 0 倍的商机。随着信 息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术必将获得更为广阔的发展空间。 1 4 国内外发展与研究现状 1 4 1 人造金刚石行业发展概况 我国1 9 6 0 年1 0 月作为国家重点科研项目下达了人造金刚石的研制任务， 该任务由原第一机械工业部磨料磨具磨削研究所、通用机械研究所和原地质科 学研究院共同承担。经过通力合作，1 9 6 3 年1 2 月6 日，在国产3 0 0 吨6 1 型两 面顶超高装置上，以高纯石墨粉为原料，以镍铬合金为触媒研制成功了我国第 一颗人造金刚石。1 9 6 4 年4 月由磨料磨具磨削研究所与铸造锻压研究所开始设 计6 x 6 m n d s - - 0 2 3 a 型铰链式六面顶压机。1 9 6 5 年8 月六面顶压机制成并在磨 料磨具磨削研究所完成安装，1 9 6 6 年7 月3 日正式进行合成工艺试验，并投入 批量生产，当年生产人造金刚石一万克拉，同时由磨料磨具磨削研究所参与选 址、设计、筹建我国第一个人造金刚石及其制品专业化生产厂一一第六砂轮厂， 第六砂轮厂于1 9 6 9 年建成投产。至此，我国逐步形成了6 x 6 兆牛顿( m n ) 六 面顶设备为特色的人造金剐石工业体系。 3 0 多年来，我国人造金刚石的产量逐年增加，特别是进入9 0 年代后，呈直 线上升趋势，发展势头强劲。目前世界工业用金刚石产量约1 5 亿克拉( 含部分 天然金刚石、立方氮化硼) 。我国人造金刚石产量已达1 0 亿克拉，占世界总产 量的6 0 以上，堪称生产人造金刚石第一大国。仅石材加工耗用金刚石约为3 亿克拉，可以说金刚石制品产量我国也堪称大国。但无论是金刚石还是其制品， 质量均属中低档，与发达国家质量水平差别较大。按我国标准的d m d 级高档 金刚石成品国内基本无产品供应。 总体来说，一方面，我国人造金刚石产品的产量和品位在逐年提高，这说 明行业整体技术水平有了明显上升。这得益于近年来人造金刚石行业中对 6 x 1 2 m n 以上的大型压机的研制开发。另一方面，这种迅猛的发展有喜有忧，喜 的是大压机大腔体能够促进金刚石质量的提高，忧的是这种超常规发展( 近3 年来新装6 1 2 v i n 以上压机总数已超过8 0 0 台，加上原有6 x 8 m n 及以下压机 4 0 0 0 台，总数接近5 0 0 0 台) ，使中低档产品严重过剩，市场混乱。从技术角度 看，国内以六面顶压机、片状触媒与石墨及工艺技术生产金剐石为主，其产量 占总量的9 8 左右，以国产两面顶压机、片状触媒与石墨和以引进两面顶压机、 粉状触媒与石墨生产中高档金刚石为辅，其产量占总量的l 2 。利用粉状 6 武汉理工大学硕士学位论文 触媒与石墨在六面顶压机上生产中高档金刚石的研究已取得阶段性成果并在逐 步推广应用。从行业企业构成角度看，民营、集体、中外合资、国有企业均有， 属多种经济成分构成，民营、集体企业占绝大多数，国有企业较少，中外合资 企业更少。目前统计到的国内金刚石生产的企业总数为2 4 8 家( 不含诸多个体 企业) ，遍及全国各地，河南、安徽、湖南、河北等省大型生产企业较多【1 0 】。 1 4 2 金刚石压机控制系统研究现状 六面顶压机是我国超硬材料行业主要采用的合成设备。近年来，大吨位压 机以极快的速度得到发展，推动了行业技术装备水平和合成工艺水平的提高。 用六面顶压机合成出高品级人造金刚石产品，实现我国由超硬材料大国变为超 硬材料生产强国的目标，符合我国的国情和金刚石行业的发展方向。六面顶压 机归属液压设备，压机的性能一方面取决于六只铰链梁油缸相互铰链在一起构 成的主机的制造、安装精度，另一方面则取决于控制系统。 控制系统在近年的压机制造中也不断得到了改进。现在的电气控制一般以 应用p l c 可编程控制方式居多，s t d 工业总线控制方式、工业p c 机以及嵌入 式处理器控制方式也在一定程度上得到了应用。值得注意的是，金刚石企业目 前为了更好地挖潜，已经有一人看4 台压机的生产试验，已经初步成功，全国 将会很快有一人开3 、4 、5 、6 台或更多台压机的趋势。这就需要我们研究电控 系统的科技人员开发出更自动化的产品。目前此类系统研制者甚多，如桂林奥 特自动控制设备实业公司、黄河旋风电器有限公司等m j 。 纵观行业内金刚石压机的控制系统，存在着这样一个问题：即无论采用何 种控制方式，电控系统的价格可以从几千元到数万元之间。价格低的和价格高 的设备真正对合成效果似乎没有太大差异，价格高的电控系统没有真正使压机 的合成效果产生一个大的提高，其原因就是控制系统的本质性能没有发生根本 的改变，同时也制约着合成工艺的发展和产品品级水平的提高。我们应该重视 压机的控制系统，把实现六面顶压机自动化工艺控制作为行业技术进步的目标， 进而推动合成工艺水平和合成质量的提高。人造金刚石属高新技术产品，合成 压机也是高新技术设备，在压机的造价中，控制系统的造价也应达到合理的比 例。把嵌入式技术应用于六面顶压机的控制，是实现自动化工艺控制的手段之 一，要实现自动化工艺控制，必然要提高压机的控制精度和增加数据采集量， 可充分发挥嵌入式技术的特点灵活选用大量外围板卡和功能元件的配置，满足 功能和精度的要求，压机实现了自动化工艺控制，合成的产量和产品晶级肯定 会得以提高，企业可以获得更好的经济效益，具有自动化工艺控制的六面顶压 武汉理工大学硕士学位论文 机控制系统也应该得到应有的价值定位。 1 5 论文的研究内容 结合原压机控制系统的实际情况，对嵌入式系统的硬件与软件技术做了深 入的研究，采用嵌入式微处理器实现原压机系统温度与压力部分的测量与控制。 并根据理学院老师的要求改进原系统主控板的部分功能，方便研究人员科研工 作的开展。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 深入研究了金刚石合成工艺，讨论了压机温度与压力测量与控制的方 ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 法，给出了本系统的测量控制方案： 金刚石压机温度与压力测控系统硬件的总体结构以及各硬件模块的开 发： 金刚石压机温度与压力测控系统的软件设计： 测控系统硬件和软件两方面的可靠性设计； 新软件编程思想在金刚石压机温度与压力测控系统上的应用。 武汉理1 ：大学硕士学位论文 第2 章压机测控系统结构及热工测量 2 1 六面顶金刚石压机测控系统的组成 人造金刚石压机是由电气控制系统和液压系统两个部分组成。压机的电控 系统由加压控制系统、加热控制系统、顶锤位移控制系统、综合分析处理系统、 现场监控系统、中心监测系统组成，具有逻辑分析、数理计算、最优化动态控 制、状态检测、异常情况分析及处理、工艺自动跟踪、动态显示、人机友好界 面等智能化功能f 2 1 。压机的现场控制和检测用主控板以及监测板连接现场的各种 传感器、执行机构来实现。通过通讯接口联接主控板和安装在现场控制台面上 的触摸式图型显示操作终端，进行现场监测和工作参数、工艺曲线设定。压机 的现场工作状况通过r s 4 8 5 总线传输至安装在生产管理或技术部门的中心监测 计算机。控制系统结构如图2 1 所示。本论文的主要任务是改造压机温度、压 力控制系统。 图2 1 六面顶金刚石压机测控系统结构图 2 2 金刚石合成工艺及控制参数 国内工业人造金刚石单晶生长普遍采用二段升压工艺路线，如图2 2 。首先 升压，当压力到达p 1 时开始加热，一次性将加热功率达到最大值并维持到加热 结束；当压力升高到p 2 时，有一个暂停，之后再升至合成压力( 终态压力p 3 ) 。 - 9 - 武汉理工大学硕十学位论文 在金刚石的成核与生长过程中，一方面叶腊石要部分相变成蓝晶石与柯石英， 导致腔体内传压介质的体积缩小：另一方面，石墨向金刚石转变时发生相变， 由于石墨的摩尔体积比金刚石的摩尔体积大，这一相变也将使反应物体积减小。 因此，恒压力保压并不能保证合成腔体反应物体积减小。因此，恒压力保压并 不能保证合成腔内反应物的压力恒定，实际上反应腔内的合成压力是逐步下降 的。恒功率加热只是给一个初始功率( 电流) 值，并不考虑腔体内的相变与电 阻变化。石墨转化成金剐石，电阻是在不断变化的，随着合成反应时间的延长， 温度愈来愈高，这种加热方式无法使反应腔体内保持稳定的温度场【l ”。 r ( r a i n ) 图2 2 六面顶金刚石压机合成金刚石的经典工艺 根据经典工艺存在的缺陷，我国国内科研工作者提出了二次暂停分段加压 的金刚石合成工艺，使第二次压力暂停点靠近石墨一金刚石相平衡线，保压压 力略高于暂停压力，较好地防止了二次成核。这种工艺虽然改善了金刚石生长 的压力场环境，但温度场的分布并未改进。此外，采用静态保压的方法保持合 成压力稳定，由于高压腔体物质的体积变化与密封件泄漏等因素，压力下降是 不可避免的，因此金刚石生长过程中合成压力仍然始终处于波动状态之中。我 们考虑在合成过程中采用动态补压与降功率的方案以抑制合成压力的下降与温 度的上升。借助非恒压力加压和非恒功率加热控制技术，设计了如图2 3 的工 艺( 简称u i r 工艺) ，以进行稳定金刚石生长过程中合成腔体内的压力场与温度 场，为金刚石生长创造良好的环境1 2 ”。 武汉理丁大学硕士学位论文 图2 3 非恒压力加压和非恒功率加热工艺 由上可见，在金刚石压机工作过程中温度、压力也正是我们需要测控的参 数。本文研究的六面顶金刚石压机采用的合成工艺为经典工艺，可以设想采用 新型的合成工艺，预期会对金刚石质量的提高起到积极的作用。由于本文着重 于温度和压力测控系统的研究，对测控系统中合成工艺的改进不是本文的重点， 在此不再作具体的论述。我们在进行金刚石合成时必须严格按照经典工艺的合 成曲线对温度和压力进行控制，这样才能保证金刚石的品质1 2 引。 2 3 金刚石压机的热工测量 在金刚石压机的工作过程中，为确保设备的正常操作，以达到优质、高产、 低消耗的目的，就必须按照金刚石压机制造工艺规范来维持一些热工参数( 如 温度、压力等) 的相对稳定【2 1 1 。因此，必须对这些参数进行测量，以便及时发 现各参数的变化情况，从而通过人工或自动调节设备，改变设备的工作状态。 金刚石压机热工测量主要包括温度测量、压力测量等， 2 3 1 温度测量 温度是金刚石生成过程中最重要的热工参数之一，在选择温度测量节点上， 我们将熟电偶分别嵌入到六面顶压机的六个铁锤上，间接测量铁锤的温度后， 再根据实验得出的经验公式，计算出合成块的实际湿度。 热电偶是化工生产中用于热工监测与测试所必备的计量工具，在生产过程 中发挥着重要的作用。在工业温度控制系统中，热电偶是基于物体的热电效应， 将温度信号转换成电压信号进行传递，这种测温方式不仅可以远距离传递，而 且能够集中检测和控制【l “。 热电偶的种类很多，分类如表l 所示。 武汉理工大学硕十学位论文 表1 热电偶的分类 按热电极材料按温度范嗣按结构按用途 难熔金属热电偶：钨铼s 钨铼2 0高温热电偶：普通热电偶标准热电偶： 责金属热电偶：铂铑”铂铑6钨铼j 一钨铼2 0铠装热电偶标准铂锗j o - 铂 廉金属热电偶：镍铬镍硅中温热电偶：薄膜热电偶工业热电偶： 菲金属熟电偶：石墨一碳化硅镍铬镍硅表面熟电偶 低温热电偶： 铜康铜 根据合成工艺要求，压机的测温范围在常温1 2 0 0 * c 。因此我们选择镍铬 镍硅作为温度传感器。镍铬- 镍硅的测温范围在- 2 0 0 1 3 0 0 。它是非贵重金属 中性能最稳定的种，应用很广，正极为镍铬。短期工作温度为1 2 0 0 ，长期 工作温度为9 0 0 。此种热电偶的热电势比铂铑l o 铂大4 到5 倍，而且线性度 更好，误差一般在( 6 8 ) 。但其热电极不易做得很均匀，较易氧化，稳定 性差，分度号为“1 3 】。具体参数表如下表： 表2 镍铬镍硅热电偶( k 型) 分度表( i t s 9 0 ) 分度号：k参考温度：0 。c i t i - 2 0 0- 1 0 001 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 e m v一5 8 9 1- 3 5 5 4o 0 0 04 0 9 68 1 3 81 2 2 0 91 6 3 9 72 0 6 4 42 4 9 0 52 9 1 2 9 t - 8 0 09 0 01 0 0 01 1 0 01 2 0 01 3 0 0 e m v3 3 2 7 53 7 3 2 64 1 ，2 7 64 5 1 1 94 8 8 3 85 2 4 1 0 2 , 3 2 压力测量 在考虑到实际的量程、满量程输出、准确度和温度补偿等，系统中采用了 广州森纳士压力仪器有限公司的压力变送器，型号为：d g l 3 0 0 b z a 2 1 5 0 1 g z ， 量程：1 5 0 m p a 。精度：0 5 f s 。输出4 - 2 0m a 圭o 5 f s 。它具有小体积、高性 能、高性价比、高稳定性、高灵敏度等特点。系统中将压力变送器安装在金剐 石压机液压系统的电磁换向阀上。通过测量液压缸内的压力传送至监测板，经 过前置放大电路、a d 转换后将压力值送至主控板。 目前液压设备使用的指针式电接点压力表，存在精度低、寿命短，重复性 差的缺点，在本文的设计中选用了高精度d 转换器和采取各种抗工业干扰措 施，采用嵌入式技术能大大提高压力测量精度、实时性、稳定性等【2 2 j 。 武汉理j = 大学硕士学位论文 2 4 温度与压力的控制方法 2 4 i 金剐石压机温度控制方法 金剐石合成过程中的温度控制是通过控制电流变化来实现的。六面顶金刚 石压机的上下两个相对的锤头通以电流，电流流经合成块，合成块因自身有电 阻而发热。因此，控制合成块中电流的通断可以控制合成块的温度【l 5 。”1 。 电流控制部分，其主回路供电可以由调压器控制，但它设备笨重、效率低、 难于实现自动调节。因此目前大多采用如图2 - 4 所示的晶闸管供电控制( 本系 统即采用此种控制方法) 。它克服了调压器的上述缺点，由检测系统对合成块中 通过的电流进行控制，然后通过计算处理，驱动触发板，从而控制晶闸管的通 断，进而达到控制合成块温度的目的。人造金刚石压机的加热电源采用工频交 流电供电，只能用单相供电。配以晶闸管移相调节控制的方式。 但是这种控制方法也带来了一个特殊的问题，必须实现有效值控制问题口”。 因为发热量是由电流有效值反映的，要维持恒定发热量必须维持恒定的电流有 效值。当电流波形为标准的正弦波时，有效值与平均值之间维持固定的关系， 即波形因数1 1 1 。但当采用图2 - 4 的晶闸管移相控制时，波形因数将随移相角 的变化而非线性的、大幅的变化，当移相角很大时，波形因数甚至可达4 以上。 根据图2 4 的情况，晶闸管的负载是强感性的变压器原方线圈，它的运行状态 必须使移相角处于大于n 2 ，否则将失控。这样，在运行状态下波形因数均大于 2 ，与1 1 1 相差很远，因此不使用有效值控制而采用通常的平均值控制，当给定 值变化，或者电压波动，其它扰动时是无法实现准确控制的。 j 1 - = = 甩性酬 融境脉冲 厂下电涮 ll ；l 、 ，l _ j r _ 1 图2 _ 4 温度控制电路 目前的系统一般电流检测信号均是取自于电流互感器的平均值，或者再另 加一部分模拟补偿电路，采取模拟p i d 调节器，有效值控制性能差，对提高产 品质量很不利，目前这个问题尚未得到很好的解决。 本系统采用单片微机，对电流实现有效值检测，其原理是在一个周波内连续 均匀采样数十个( 如8 0 个) 电流瞬时值，再根据有效值算式进行计算得到，其 1 3 武汉理t 大学硕士学位论文 ( 式2 - 1 ) 式中，n 为一个完整周期的采样次数，例如取n = 8 0 ；i ( k ) 为各个采样值。实 践证明，这种方法可以得到足够的有效值精度，而且不必要增加硬件线路。但 也要指出的是，这种采样将造成至少2 0 m s 的延迟，它会明显增加控制系统的纹 波，可在软件设计时考虑到这一点，进行一定的处理。 2 4 2 金刚石压机压力控制方法 压力控制是通过2 台交流油泵和1 台直流油泵来调节，交流主( 大) 泵控 制超压，直流副( 小) 泵控制补压。液压油经油路管道及增压器输入6 面顶压 机的活塞，油路中的油的通断是通过输油管道中电磁阀的开关来控制的。因此， 在金刚石的合成过程中压力的控制是由一系列开关量所构成的。 下面简要介绍金刚石压机工作过程中一个工步的控制过程：在进行动态补 压时，当增压器压力升到保压点( 如9 0 o m p a ) 后，油泵停止，压机自然泄漏， 当压差大于设定的补压差( 如o 2 m p a ) 时，压机开始补压至保压点9 0 o m p a ， 因为压机补压从静态到动态要克服密封件的摩擦力，对压力有一定的消耗，腔 体内的实际压力会越来越低，为了解决这个问题，当加压子程序对压机补压到 保压点以后，再利用变频器控制的小泵继续对压机进行补压使补压后的压力比 前次略高出一个设定值，以此克服压机摩擦力对腔体压力的影响，令腔体内部 的压力始终一致。当实际压力和保压压力的差值在设定压差之内时，大泵停止， 由系统根据当前的压力值按照设定的控制方案控制变频器输出相应的频率，利 用小泵对增压器进行动态补压。通过微控制器控制的大泵和变频器控制的小泵 的共同控制从而实现了动态的优化补压【l 6 】。 根据金刚石合成工艺，要求压力按预定的规律完成加压、卸压、空进、退 回等操作，其执行部件是依靠控制油路阀门的开闭，推动油压活塞实现的1 1 7 1 。 根据以上的控制规律。要求油路的1 3 个阀门电磁铁在工艺进程中按图2 5 ，图 2 - 6 所示的逻辑动作。 电磁阀 l23456789l o1 11 2 右缸前进 + 前缸前迸 上 + 上缸前进 + 上 + 左缸前进 + 武汉理工大学硕士学位论文 后缸前进 + 上 + 下缸前进 +4 -+ 空程前进 + 超压 + 卸压 + 上 增压器回程 + 快速回程 斗 + 图2 5 手动状态电磁阀的工作时序 电磁阀123456 7 891 0 1 11 2 空程前进 + + 暂停 充液 + 上 + 上 + 超压 + 加热 + 上 暂停 二次超压 + 保压 补压 + + 停热 卸压 + 增压器回程 + 快速回程 + 图2 击自动状态电磁阀的工作时序 由上可见，加热和加压虽然在工艺上是紧密配合的，但是在电气控制上却 是2 个相互独立的部分，其中自动状态电磁阀的工作流程的程序流程图将在第 四章里介绍。本系统的设计中，将电磁铁的顺序控制也合为一体，由微控制芯 片实现，使硬件更加简单，降低了成本。只要在系统的可靠性上下足功夫，其 可靠性就不会比p l c 电控系统差。 金刚石压机控制系统中并不只有温度与压力的监测与控制，还包括压机锤 头位置控制。位置监测与控制不在本文的研究范围，在这里不作讨论。 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 引言 第3 章金刚石压机测控系统硬件设计 本金刚石压机测控系统作为金刚石压机的核心，在结构上由硬件和软件两 大部分组成。硬件选择以主控板和监测板为核心，并附以相应的外围通讯模块 组成完整的硬件平台，作为原电控系统的补充，提供了原电控系统所没有的功 能。下面介绍本金刚石压机测控系统硬件总体结构。在下章中将介绍测控系统 的软件设计。 3 ，2 金刚石压机温度与压力测控系统硬件的组成 本金刚石压机测控系统硬件由主控板、监测板、键盘板、继电器板、液晶显 示器( l c d ) 等组成。下图为金刚石压机测控系统的硬件总体结构。主要部分 的硬件设计将在下面的章节里逐一介绍。 3 3 主控板的设计 3 3 1 主控板的功能 图3 - 1 测控系统硬件整体结构 武汉理工大学硕士学位论文 主控板以嵌入式处理器w 7 7 e 5 8 为核心，配置有丰富的资源和通用设备接口。 主控板的用户接口为触摸屏界面。用户可以通过在液晶显示界面上触摸相应的 按键，来实现金刚石压机相关参数的设定和启动，关停压机等。主控板也配备 了键盘模块，实现手动控制压机电磁阀动作( 推荐使用键盘按钮控制压机工作) 。 同时用户可以在液晶上