（机械电子工程专业论文）紧凑型荧光灯排气机监控系统的研究和开发.pdf

摘要 紧凑型荧光灯排气机监控系统的研究和开发 硕士研究生：李德宝 指导教师：陈刚副教授 学校：东南大学 摘要 在紧凑型荧光灯生产过程中，排气是决定灯性能好坏的一道重要工序，排气机就是为了完成这 一工序而设计的。传统排气机在使用p l c 控制整个系统时人机对话、故障判断、在线修改等方面存 在诸多不便：变频器参数修改比较繁琐；阴极分解电流的控制是通过调节电位器来实现的，调节精 度不高，改变灯管规格时调节不方便。 针对生产实际中存在的上述问题，本文设计了一个基于触摸屏与p l c 的紧凑型荧光灯排气机人 机界面监控系统，实现了触摸屏与p l c 、触摸屏与变频器之间的串口通讯，由p l c 读取外部信号， 发出主控指令，通过触摸屏写入工作参数，显示工作状态，实现人与机器的信息交互，由触摸屏和 p l c 组成的人机界面大大增强了系统的可视化和可操作性，通过触摸屏上位机软件可以很方便地实 现变频器频率的在线修改，并设计了独立的单片机控制阴极分解电流的智能模块。该系统涉及到p l c 控制技术，串口通信技术，触摸屏技术，编码器技术，变频器控制技术和单片机技术等。该系统大 大简化了操作难度，提高了阴极分解电流调节精度，具有较高的实用价值。 关键词：紧凑型荧光灯，触摸屏，监控系统，变频器，排气机，人机界面，p l c a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fm o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do ne x h a u s t e ro fc o m p a c tf l u o r e s c e n tl a m p b y l id e b a o s u p e r v i s e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rc h e ng a n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t i nt h ep r o d u c t i o np r o c e s so ft h ec o m p a c tf l u o r e s c e n tl a m p ，t h ee x h a u s ti sa ni m p o r t a n tw o r k i n g p r o c e d u r et ot h el a m pq u a l i t y t h ee x h a u s t e ri sd e s i g n e df o rt h i sp r o c e d u r e i nt h et r a d i t i o n a le x h a u s t e r , m a l f u n c t i o nj u d g m e n lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nh u m a na n dm a c h i n e ，m o d i f i e do n l i n ea r en o t c o n v e n i e n t ；t h ee l e c t r i cc u r r e n tp a r a m e t e rw h i c hr e a l i z e st h r o u g ht h es i m u l a t i o na d j u s t m e n ti s n ta c c u r a t e t h ea b o v eq u e s t i o n si nt h ev i e wo ft h ep r o d u c t i o na c t u a l l ye x i s t s ，am o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nt o u c h s c r e e na n dp l co fe x h a u s t e ro fc o m p a c tf l u o r e s c e n tl a m pi sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s i nt h es y s t e m ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o ni sr e a l i z e db e t w e e nt o u c hs c r e e na n dp l c ，t o u c hs c r e e na n dc o n v e r t o r e x t e r n a ls i g n a l sa r e r e a d e di na n dm a i nc o n t r o li n s t r u c t i o n sa r es e n d e do u tb yt h ep l c ；w o r kp a r a m e t e r sa r ei n p u t t e da n dw o r k s t a t ea r ed i s p l a y e db yt h et o u c hs c r e e n ；m u t u a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm a na n dm a c h i n ei si m p l e m e n t e d v i s u a l i z a t i o na n do p e r a b i l i t yi se n h a n c e dg r e a t l yb yh m ic o m p o s e do fp l ca n dt o u c hs c r e e n t h e p a r a m e t e ro ft h ec o n v e n t o rc a nb em o d i f i e do n l i n eb yt h es o f t w a r ei nt h et o u c hs c r e e n a ni n d e p e n d e n t i n t e l l i g e n c em o d u l eo fs i n g l ec h i pf o rt h ee l e c t r i cc u r r e n to fe l e c t r o d ei sd e s i g n e d t h i ss y s t e mi n v o l v e s p l cc o n t r o lt e c h n o l o g y , s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，t o u c hs c r e e nt e c h n o l o g y , o fe n c o d e rt e c h n o l o g y , c o n v e r t o r t e c h n o l o g ya n ds i n g l ec h i pt e c h n o l o g y , a n ds oo n t h i sm o n i t o r i n gs y s t e ms i m p l i f i e st h eo p e r a t i o n d i f f i c u l t yg r e a t l ya n de n h a n c e sb o t ht h ea d j u s t m e n tp r e c i s i o no fe l e c t r i cc u r r e n ta n dt h er e l i a b i l i t yo f v a c u u mg a u g es ot h a ti th a sv e r yv a s tp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：c o m p a c tf l u o r e s c e n tl a m p ；t o u c hs c r e e n ；m o n i t o r i n gs y s t e m ；c o n v e r t o r ；e x h a u s t e r ； h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ；p l c l l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 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 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 垒堡! 蔓 e l 期：班i ，2 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名互堡! 王一导师签名：距到 日 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 能源，是我们这个奔腾不息的世界的内在动力。然而，近几年来，美国东部大停电、希腊大停 电、围绕能源的种种国际争端，无不在给世界拉响一次次能源警报。当中国经济快速前进时，能源 紧张同样困扰着国人电力紧张、煤炭紧缺，七大电力企业向国家高层告急缺煤，国际石油价格 在2 0 0 8 年中的涨幅令人瞠目结舌。石油，煤炭等不可再生资源日益枯竭，节约能源和开发新能源成 为能源领域的两个焦点话题。 世界各国节约能源的意识越来越强烈，它们加大了对节能产品的研究、开发、制造和推广。美 国联邦政府用于节能领域的投资逐年增加，2 0 0 1 年为1 1 8 亿美元，2 0 0 3 年上升到1 3 1 亿美元。日 本也非常注重鼓励节能产品的研制，2 0 0 1 年，日本资源能源厅的年度财政预算1 3 0 0 亿日元，其中 仅用于节能和新能源的投入就占了5 2 0 亿日元。我国在节能生产方面的投入还不够，政策引导作用 还不明显。过去，我国曾对节能项目和产品实行税收减免、贷款优惠等激励政策，但在1 9 9 4 年财税 体制改革以后，相关优惠政策反而减弱，有的甚至被取消，这对我国节能产品的研发和推广非常不 利。我国单位g d p 的能耗不仅高于发达国家，也高于许多发展中国家。有资料显示，我国1 亿美元 g d p 所消耗的能源是1 2 0 3 万吨标准煤，大约是日本l 亿美元g d p 所消耗能源的7 2 0 倍、德国的5 6 2 倍、美国的3 5 2 倍、印度的1 1 8 倍、世界平均水平的3 2 8 倍，能源消费总量占世界能源消费总量 的1 0 。面对世界发达国家在节能产品推广方面的快速发展，应大力扶持节能产品，为节能产品 的研发、制造企业提供全方位的政策扶持，使这些利国利民的行业尽快发展。 电能作为由初级能量资源转化而来的二次能源，是国民经济以及人民日常生活中最广泛、最普 遍使用的现代化能源，同时电力的生产和消费又和环境保护密切相关。照明水平是社会进步和工业 发达的一个重要标志，照明用电则是电能消耗中的一个重要组成部分，美国的照明用电占发电总量 的2 0 - 2 5 ，日本照明用电占总发电量的1 4 2 ，而我国照明用电约占全国总发电量的1 3 ，随着改 革开放的深化，人民生活水平的提高，照明用电正以每年2 7 的速度增长，节约照明用电成为节能 领域的一个重要课题“。 电光源是照明体系的核心和主体，因此，采用光效高、显色性好、寿命长的电光源是实现照明 节能的重要措施。目前，用于照明的电光源，主要分为白炽灯( 普通照明白炽灯和卤钨灯) 、气体放 电灯( 包括汞灯、荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯等) 和l e d 灯等。九十年代初期，美国环保局( e p a ) 首先提出实施跨时代的绿色照明工程( g r e e nl i g h tp r o g r a m ) ，旨在节约屯能、保护环境。绿色照明 的核心就是通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品( 电光源、 灯用电器附件、灯具、配线器材，以及调光控制器件和控光器件) ，最终达到高效、舒适、安全、经 济、有益环境保护和改善、提高人们工作、学习、生活的条件和质量，有益于人们身心健康，有利 于资源的合理利用和可持续发展的目标。基于它对人类社会发展的重要意义，很快地得到联合国的 支持和许多发达国家、发展中国家的重视，并积极采取相应的政策和技术措施，推进绿色照明工程 的实施和发展，目前美国、日本、法国、丹麦、英国等发达国家和一些发展中国家都相应制订了推 进照明节电的绿色照明工程计划“。 目前，节能减排，实施绿色照明，以高效节能荧光灯替代白炽灯已是各国的共识。我国的照明 还有不少地区和部门使用发光效率只有8 1 5 左右的白炽灯，比白炽灯节电8 0 的节能荧光灯只占一 部分，浪费严重。“节能减排”是我们的基本国策，“十一五”期间，根据国内能源紧缺的现状，国 家大力提倡节约能源，国家发改委陆续出台了“节能大纲”和十大节能工程，均涉及照明节能，十 大节能工程就包括了绿色照明工程。改革开放3 0 年，电光源工业一直坚持调整节能与耗能的产品结 构比例，并获得成效。在党的十七大上又提出加强能源资源节约和生态环境保护，增强可持续发展 能力，建设资源节约型、环境友好型社会，因此高效节能环保成为未来产业发展的必然趋势。电能 主要是通过燃烧煤、燃油和燃气获得的，在这些石化燃料燃烧发电过程中所产生的大气污染物有 东南人学硕士学位论文 s 0 2 、n o x 、c 0 2 等。节约照明用电，意味着发电量的相对减少，一方面可以节约有限的资源， 另一方面可以相对减少燃煤所产生的有害物质排放，大量节约治理环境污染的经费支出，对于环境 的保护有着极其重要的意义。 国内电光源产品中近年来发展较快的是荧光灯，特别是t 8 、t 5 和紧凑型荧光灯，这种趋势在 未来几年中仍会继续，这种趋势符合节能高效的国际潮流，符合我国的节能政策。高压钠灯和金属 卤化物灯的发展在最近几年也相当惊人。 紧凑型荧光灯( 俗称节能灯) 是8 0 年代发展起来的一种新型节能光源，与同功率的普通白炽灯 相比，它具有节能效果好( 7 0 - 8 0 ) 、寿命长( 8 1 0 倍) 、光色可选择性大等特点，是一种体积小、 结构紧凑、使用方便、适于装饰的节能电光源，是我国绿色照明工程的首选产品，是替代白炽灯照 明的理想光源之一，倍受人们的青睐【4 j 。特别是近年来，国内市场在经济快速发展，能源紧张日益 显现的情况下，消费者越来越注重选择节能产品：在国际市场上，由于中国的节能灯技术日趋成熟， 且价格低廉，因此在欧、美等多个国家和地区销量明显增加。市场需求拉动了产业发展，经过十几 年的持续发展，我国节能灯产业已经形成了具有一定优势的原材料( 特别是稀士三基色荧光粉) 产 业供应链，有较强的电子元器件配套能力，有丰富的具有熟练技术的人力资源，因而形成了快速增 长的节能灯生产能力，国内外市场，“阔，具有很好的社会、经济效益和推广前景。以年产紧凑型荧 光灯管5 0 0 万只为例，每只荧光灯比白炽灯省电3 0 w ( 最低估算) 每小时，若年点燃1 5 0 0 小时，则年 节电4 5 k w h ，节省电费2 2 5 元( 以0 5 元w h 计算) ；而5 0 0 万只能节电2 2 5 亿k w h ，节约电 费为1 12 5 亿元。年产5 0 0 万只荧光灯管生产厂也可获得5 0 0 万元的经济效益睁i 。 紧凑型荧光灯已经发展成为系列产品，灯的外形主要有：h 系列灯有h 、双h 、平面双h 、3 h 、 u h ；u 系列灯有单u 、双u 、平面双u 、3 u ；系列灯有单、双、平面双、3 ：平面系列 有2 d 、平面3 u 、y 灯、方灯等。灯的功率范围为1 - 2 0 0 w 。近几年，紧凑型荧光灯发展较快，年增 长速度为2 0 ，而产品质量较好的灯管，出现了供不应求。 随着节能灯产品质量的进一步提高，体积的小型化，使用的普及，市场需求量的增加，节能灯 的生产必将向大规模化，自动化的方向发展。目前紧凑型荧光灯的发展趋势是：在灯型上向螺旋灯 的方向发展；在功率上向两极扩展；大功率的越做越大，已做到2 0 0 瓦，小的越做越小，3 w 、1 w 已 很普遍；在管径上向细管径方向发展，不少的厂家已不生产西1 2 r a m 管径的节能灯灯管( t 4 ) ，只生 产中毋1 0 m m 、咖9 m m 管径( t 3 ) ，在向管径咖7 、6 、西5 、( t 2 ) 的方向发展；灯的结构上向更紧凑 的方向发展。在工艺技术上，管径西7 m m 以下的u 型、螺旋型灯管封口工艺向夹封工艺方向发展， 生产设备向半自动或自动方向发展。 2 0 0 7 年我国紧凑型荧光灯的产量为3 0 5 亿只，占世界节能灯总产量的8 0 以上，已是节能灯 生产的第一大国。节能灯已被美国、加拿大、澳大利亚、新西兰、欧盟等国家和地区作为替代白炽 灯的光源产品，也是我国绿色照明工程先用的主要光源。因此，改进紧凑型荧光灯生产设备，提高 节能灯的产品质量，扩大产量，提高生产率，实现大规模自动化生产，成为电光源产业的重要课题 之一。 1 2 紧凑型荧光灯生产技术现状 紧凑型荧光灯的生产技术，系指其生产工艺技术与装备技术，电光源产品的生产离不开装备， 装备的水平对电光源产品质量和产量起着决定性作用，电光源生产装备伴随着电光源产品的生产而 从低级剑高级，二者相辅相成、相互促进、互相推动，得到共同的发展。 1 2 1 紧凑型荧光灯的生产工艺现状拍 目前国际上紧凑型荧光灯生产采用的工艺技术基本上可以分为两大类： 2 第一章绪论 l 、采用芯柱封口技术，是传统的工艺技术，比较成熟，做h 型、s l 型、双d 型系列灯，多采 用这种工艺，如荷兰p h i l i p s ，日本东芝、松下等公司。导丝、灯丝、排气管同在端的灯管，如h 、 s l 、双d 灯等，采用芯柱与玻壳封口，有利于提高成品率，但工艺复杂。其生产工艺流程如图卜1 所示。 图i - i 有芯柱节能灯灯管生产工艺流程图 2 、无芯柱夹封工艺技术：做u 型、兀型系列灯的生产线，基本上采用无芯柱，有玻珠夹封技术， 如德国o s r a m 公司，美国g e 公司，瑞士f a l m a 公司，日本松下公司和台湾公司等。采用无芯柱、无 玻珠夹封工艺技术做h 灯的有英国b a d a l e x 公司，美国m t i 公司，捷克t a s l a 公司等。而采用无芯 柱夹封工艺技术可以大大缩短制灯工艺路线、缩短生产周期、减少设备、减少厂房面积、节省材料、 节省动力、提高成品率、降低生产成本。因此无芯柱夹封工艺技术被国际上各大公司广泛的采用。 其生产工艺流程如图1 - 2 所示： 图卜2 无芯柱，有玻珠节能灯灯管生产工艺流程图 3 、无芯柱、无玻珠夹封工艺 东南大学电光源研究中心通过对无芯柱、有玻珠夹封工艺技术的进一步研究，去掉玻珠、把灯 丝装架、涂电子粉、上排气管、上玻壳、夹封等工序集中在一台机器上完成，比国外与台湾的夹封 工艺技术又省掉了割玻环、烧玻珠、绷丝、传输装置等设备，研制成了“无芯柱、无玻珠夹封工艺 技术与设备”，用无芯柱、无玻珠夹封工艺技术做节能灯灯管，其生产工艺流程如图卜3 所示。 3 东南大学硕士学位论文 图1 - 3 无芯柱、无玻珠节能灯灯管生产工艺流程图 1 2 2 紧凑型荧光灯的生产设备概况 1 、国外概况 世界能源危机推进高效节能灯具的发展，荷兰p h i l i p s 公司1 9 7 9 年成功研发节能灯并投放市 场。八十年代p h i l i p s ，g e 、o s r a m 、n a t i o a l 等公司先后投巨资开发了6 0 0 只时、1 2 0 0 只 时、1 5 0 0 只时节能灯自动生产线。此后，英国b a d a l e x 、瑞士f a l l m a 、韩国和台湾地区的聚 丰、飞达、力亚等公司开发的1 2 0 0 只时节能灯管自动或半自动生产线推向中国市场。但国内企业 先后引进的2 1 条生产线无一调试成功。 从上个世纪8 0 年代后期开始，世界各地的电光源公司纷纷进入中国内地搞合资或独立生产节能 灯，带进了1 2 0 0 只时的自动生产线及节能灯的生产工艺技术，及以我国对节能生产工艺及设备的 重点攻关，促进了我国节能灯生产工艺及设备成熟，使产品质量的提高。基本达到或接近国际先进 水平。我国生产成本低，因而国外大公司多数停止了在中国生产节能灯，在中国外也留个别的厂再 继续生产。而采取收购中国生产的节能灯、贴牌外销，而他们在设备的开发方法也于9 0 年代中期停 止。目前仍保留那个时期的水平。德国o s r a m 公司在慕尼黑本部使用的1 8 0 0 只时节能灯自动生 产线，是目前世界上生产效率最高的。 2 、国内概况 8 0 年代末期，为了加快我国节能灯的快速发展，轻工部设立了“七五”攻关“电控式2 u 节能 荧光灯生产工艺及关键设备的研究”，由复旦大学、东南大学等单位承担，建成了我国第一条7 2 0 支时节能荧光灯单机半自动生产流水线，并通过轻工部组织的鉴定，其中2 4 工位2 u 半自动接桥机、 u 形管自动弯管机问世，为我国节能灯快速发展创造了条件。1 9 9 2 年国家经贸委“8 5 ”科技重大项 目中“1 2 0 0 支时紧凑型荧光灯生产技术及设备的研制”，由东南大学承担，1 9 9 9 年通过国家经贸委 组织的鉴定：节能灯的生产工艺技术达到国际先进水平，生产设备接近国际水平，并在国内进行了 推广，使我国节能灯生产得到了快速发展，1 9 9 9 年我国节能灯的产量为2 9 亿只，2 0 0 7 年的产量为 3 0 5 亿只，8 年间增长了1 0 倍多，在我国工程技术人员的共同努力之下，通过对节能灯生产技术与 设备不断的改进与创新，建立了具有中国特色的节能灯生产技术与设备，节能灯生产企业像雨后春 笋般的发展壮大，节能灯的种类有2 u 、3 u 、4 u 、5 u 、6 u 到半螺、全螺等等，走出了有中国特色的节 能灯技术发展之路，我国已成为世界节能灯生产的第一大国；占世界节能灯总产量的9 0 9 6 左右，也 是世界节能灯出口的第一大国：我国：肖能灯出口占总产量的7 0 一8 0 9 6 左右。 从上世纪9 0 年初期开始，东南大学机械厂、南京曙光机械厂、无锡市华庄电光源机械设备厂、 江苏海安电光源机械厂、河南新乡电光机械厂等厂先后向国内市场投放了节能灯有关生产设备。2 0 0 0 4 第一章绪论 年后电光源设备厂如雨后春笋般的建立起来，台湾省的聚丰、金蒙、飞达、等公司也在内地设厂。 目前已有光源设备制造厂3 0 多家，但除台湾与河南新乡光电有加工制造一条线的能力之后，其他的 厂皆是只能做l 一2 工序设备的小厂。除此之外，有的节能灯生产厂自己也做设备，如江山市“三友”、 “浙江阳光”、“江苏浩明”等皆有一定的设备开发与制造能力，皆开发出了1 0 0 0 一1 2 0 0 只时节能 灯管半自动生产线。 1 3 论文的研究内容 1 3 1 课题所要解决的问题 紧凑型荧光灯( 简称节能灯) 灯管( 简称毛管) 封口之后，要将灯管中的杂质气体抽出、玻管、 荧光粉层、导丝等零件除气，阴极分解、激活、注汞( 丸) ，充入惰性气体，封离、拔尾管等工艺过 程称为排气。节能灯管排气是节能灯管制造过程中的重要环节：是决定为灯管内在质量的关键工序， 它直接影响到灯管的光效，寿命、启动、早期黄黑等。 目前节能灯管排气用的设备，基本上由两种：一种是长排车( 又称排气台) ，另一种是圆排车 ( 又称排气机) ；排气机多是4 8 工位；有自动与半自动之分：在排气工艺过程中，所有工序皆是由 机器自动完成的，人工只是向料仓里定期加料的排气机，称为自动排气机。自动排气机的灯管排气 管多是上插式的。在排气工艺过程中，有一道或者多道工序由人工参与完成的排气机，称为半自动 排气机。半自动排气机多是在上灯管、封离、注汞( 丸) 等工序中的一道或多道是由人工来完成的， 灯管排气管多是下插式的。 随着科学技术的进步与发展，计算机技术和通讯技术开始大规模应用于生产机械，各种生产机 械的性能日益完善，功能日益强大，自动化控制水平不断提高。友好的人机交互界面，远程控制等 技术要求成为新的发展方向。我们电光源研究中心根据用户使用要求和技术发展方向提出了基于人 机界面的紧凑型荧光灯排气机监控系统的开发与研究的课题，另外，阴极分解电流的控制是通过调 节电位器来实现的，调节精度不高，改变灯管规格时调节不方便，这个问题也亟需解决。 1 3 2 课题解决方案的选择 紧凑型荧光灯排气机监控系统属于工业控制系统，工业控制发展到今天，p l c 与分布式控制系 统( d c s ) 、工业p c 机、现场总线控制系统( f c 5 ) 相互渗透和融合、集成以及网络化，构成各种新 型的自动控制系统，以满足各种自动控制的要求。工业控制软件主要包括人机界面软件( 删i ) ，基 于p c 的控制软件以及生产管理软件等。国内人机界面组态软件研制方面近几年取得了较大进展，软 件和硬件相结合，为企业测、控、管一体化提供了比较完整的解决方案i s i 引。 从控制成本的角度出发，以电光源中心原有4 8 工位排气机控制系统为基础，本课题采用深圳威 纶通公司m t s 0 0 0 系列触摸屏作为人机交互，以实现界面的友好化，p l c 作为控制系统的核心，现场 的硬件还有有绝对式脉冲编码器，光电开关，真空继电器，变频器等，通过触摸屏设定各执行机构的 执行时间( 以角度的形式) ，排气机开始工作后，编码器测定当前转位盘位置( 角度) ，通过p l c 读 取此角度，p l c 对比读取角度和设定角度来控制执行机构的执行顺序和执行时间，另外，利用串行 通讯协议实现触摸屏与变频器的通讯，可以通过触摸屏修改变频器参数，这样可以很方便的来实现 变速，减少了工人由于不懂变频器操作而导致的操作错误。 阴极分解电流是紧凑型荧光灯排气机个非常关键的参数，排气机总共有3 0 个独立工位需要进 行阴极分解电流的检测与调节，本系统设计了一个独立的单片机控制模块来实现3 0 个工位电流的检 测和调节，操作使用简单、抗干扰能力强。以s t c 8 9 c 5 8 r d + 单片机作为控制器，上位机通过r s - 4 8 5 总线将用户从键盘设定的标准值发送到下位机和检测板，检测板将检测到的实际电流值与标准值进 行比较调整后，用r s 一4 8 5 总线将调整后的电流值发送给下位机输出。 5 东南大学硕士学位论文 本课题的研究是结合着工程实际展开的，所以课题的研究必须具有实用性，也就是说能够与实 践紧密的结合在一起。 1 4 论文的内容安排 本文共分为六章，具体安排如下： 第一章：结合当前形势论述了论文的选题背景，论文所要研究的主要内容以及全文的安排； 第二章：论述紧凑型荧光灯排气工艺，根据排气工艺论述监控系统的总体框架研究； 第三章：从系统的总体出发，阐述了整个系统的运行过程，然后根据排气机的工艺需要从系统 的硬件和软件两个方面对该系统进行了详细的设计； 第四章：介绍排气机监控系统重要的一部分人机界面的设计，详细介绍了系统各个界面的具体 设计，并利用m o d b u s 协议实现了触摸屏与变频器的串口通讯； 第五章：阴极分解电流是紧凑型荧光灯生产过程当中一个非常关键的参数，本章结合单片机的 相关知识，论述单片机控制阴极分解电流模块的硬件设计以及如何利用r t x 5 lt i n y 实时操作系统 进行系统的软件设计： 第六章：对设计的系统进行总结和评估，指出其中的不足和需要改进的地方，提出今后的研究 方向、目标和设想。 1 5 论文的意义 随着我国的现代化建设，特别是城市化建设的高速发展，以及人们对照明品质水平要求的不断 提高，紧凑型荧光灯的应用也越来越广，在住宅、办公、商业、旅馆、餐饮、医院等建筑工程中的 应用，都收到很好的照明节电节能效果。紧凑型荧光灯以其节约能源、光效高、显色性好、寿命长 等优点，受到人们的青睐，将越来越发挥其重要作用。电光源工业的发展为实际应用提供了最适合 的照明光源。 而设计出先进的紧凑型荧光灯生产装备，是保证生产该优质光源质量的关键。排气机作为紧凑 型荧光灯生产线的关键设备之一，其监控系统的研究，就是为了满足紧凑型荧光灯大批量生产的需 要，严格控制荧光灯排气工序的质量。作为紧凑型荧光灯生产线上的关键工序，排气质量的好坏， 直接影响灯管的光效，寿命、启动、早期黄黑。排气机基于触摸屏的人机界面监控系统的研制成功 必将提高紧凑型荧光灯生产线生产水平，提高紧凑型荧光灯的质量，推广节能灯的生产应用，满足 人们对这种优质光源日益增长的需求，因此本课题具有重要的实用价值，能带来可观的经济效益。 6 第二章紧凑型荧光灯排气工艺及监控系统的研究 第二章紧凑型荧光灯排气工艺及监控系统的研究 排气在紧凑型荧光灯的整个生产过程中起着关键的作用，在介绍监控系统之前，很有必要对排 气工艺进行一个系统的研究。本章主要介绍了紧凑型荧光灯的排气工艺以及排气机监控系统的相关 软硬件总体框架设计。在接下来的几个章节将对其中各个模块进行详细论述。 2 1 紧凑型荧光灯排气机排气相关知识介绍 在紧凑型荧光灯的制造过程当中，排气是一个非常关键的环节，是决定灯管内在质量的关键工 序，它直接影响到灯管的光效，寿命、启动、早期黄黑等。排气机就是为完成排气工序而研制的， 排气机实现抽真空、氩气冲洗、分解激活、检漏、定量充惰性气体等排气工序。 2 1 1 对前道工序灯管零部件的要求“ 节能灯“毛管”在自动或半自动排气机上排气时，排气机对毛管的零部件有许多要求，如： 1 、灯丝结构与冷态电阻的一致性。 2 、阴极电子粉涂层的均匀性，每个阴极电子粉涂层重量的一致性。 3 、灯丝螺旋圈之间不得碰圈。 4 、阴极电子粉不得受潮或中毒。 5 、灯管荧光粉涂层不得受潮。 6 、封口后灯管长度的一致性。 7 、封口后灯管与排气管同轴度的要求。 8 、灯管接桥后，灯管顶端齐平性等等。 这些要求分别对排气机的自动上料、烘烤除气、阴极处理、自动封离等有影响，必须规范。 2 1 2 主要排气工艺n 帅2 1 1 、灯管烘烤除气 灯管的玻管、荧光粉涂层、芯柱等零部件与材料是灯管气体的最大载体，为获得高质量的灯管 必须烘烤除气。 1 ) 玻管与芯柱 虽然玻璃本身的蒸气压很低，对气体的吸附能力也很弱，但在制灯的过程中，玻管在大气中存 放，尤其是在潮湿、阴天下雨的环境中，玻管的内表面、芯柱的外表面，皆会吸附水蒸气、c d ，等。 2 ) 荧光粉涂层 烤过管的粉管，在大气中冷却和存放期间，疏松多孔的荧光粉层又会吸附大量，0 、c o 、 c a 、m 等气体杂质。存放的时间越长，环境越潮湿，吸附的气体量就越大。 玻管、荧光粉涂层和芯柱等的这些杂质气体、必须在排气工艺之初排除干净，否则，一旦电离 放电，杂质气体的活性提高，易于发生化学反应，导致阴极发射电子性能变差，使灯管光效降低， 寿命缩、荧光粉层发黑。 3 ) 、烘烤温度与时间 玻管、荧光粉涂层、芯柱等的除气，是在烘箱内一边加热烘烤，一边抽真空的状态下进行的。 对于玻管、芯柱、荧光粉涂层除气，是要去除其表面吸附的杂质气体，这些杂质气体对灯是极 其有害的。而对溶解在玻璃内杂质气体：如亿0 、日：、q 、c 0 等，是属于化学吸附，比较稳定， 7 东南大学硕七学位论文 需加热剑5 0 0 c 以上才会全部放出，灯的工作温度是达不到这么高的温度，因此，溶解在玻管、芯 柱等物质内的杂质气体，在灯燃点时是不会放出来的。只要除尽它们表面吸附的杂质气体就可以了。 玻管、荧光粉涂层、芯柱等，表面吸附的，o 、q 、c 0 、等杂质气体，属于物理 吸附。当加热到1 0 0 。c 时，且d 蒸汽就放出，加热到3 0 0 。c 时，其它气体除尽。因此，当玻管、芯 柱、荧光粉涂层的表面温度达到3 0 0 。c 时、保温1 0 1 5 分钟，其表面吸附的杂质气体就会释放完。 但在排气机上，加热烘烤时间短，一般为1 5 2 分钟，为了确保玻管、荧光粉涂层、芯柱等吸附的气 体放尽，实际所选用的除气温度比3 0 0 高出5 0 - 7 0 ，即3 5 0 3 7 0 。在这较短的时间内，为了确 保玻管、荧光粉层等表面温达到3 5 0 3 7 0 ，而排气机烘箱内的温度一般控制在5 0 0 。c 。除气温度过 高是无益的。 2 、充氩“冲洗” 在节能生产中，皆是采用真空泵抽除灯管内的气体以获得真空。对于大规模生产的节能灯，由 于排气管的长度( 6 7 c m ) 远大于其内径( 一般d = 0 15 0 2 5 c m ) 。若用克努曾数足。来判别气流 的状态：当k = 告 时为分子流；当e = 寺 击时为分子一粘 滞流，式中：a 气体分子的平均自由程；空气a = 0 6 6 x 1 0 m ，氩气a = 0 6 8 x 1 0 m 。若计 算表明节能灯排气管道中的气流为分子流。在分子状态下，圆形截面长管的流导，克努曾给出的计 算公式为： 巳2 0 = 1 2 1 d 31 1 式中：巳2 0 空气温度在2 0 。c 时，管道中的流导( 又称气导) ( s ) d 排气管( 管道) 内径( c m ) ，排气管( 管道) 长度( c m ) 用此式计节能灯排气管道的流导c = 0 0 4 1 o 18 9 l s 假设排气管道中的气流状态是粘滞流，圆柱形长管道( ，2 0 d ) 的流导，泊肖叶计算公式为 g 2 0 = 1 8 2 ( d 4 o ( p , + p 2 ) 2 ( 1 2 ) 式中：暑排气管( 管道) 入口端压强( 托) 只排气管( 管道) 出口端压强( 托) c 心，d ，意义同( 1 1 ) 式 从式( 1 2 ) 中可以看出，排气开始时眉、罡大，因此，c 。，。亦非常大，当抽到一定真空度之后， 暑、罡皆很小，而c j 2 0 亦非常小。由于节能灯排气管的流导c 远远小于机械泵抽速昂，则灯管得 到的有效抽速s 近似等于流导c ，实际上只利用了泵的很小一部分，例如& = 4 s ，则 c 只= ( 0 0 4 1 o 18 9 ) l s 叫4 s 一= 0 0 1 0 0 4 7 时，s s p = 1 4 7 ，因此，如果排气 管的内径很细、流导很小，成为限制抽速的因素时，试图以增加泵的抽速来提高灯管的真空度，达 到l 1 0 q 托以上是办不到的，为此，在节能灯管生产中( 日光灯、白炽灯亦是如此) ，用气体冲洗 法来降低灯管内残余气体的分压强，以达到提高灯的真空度和灯管的生产率。 当将灯管排到其内部所残留的气体的压强为易时，向灯管内充入压强为露的纯净氩气，则灯管 内气体的总压强为6 ( 6 = 昂+ 毋) ，接着用泵排气，将混合体由压强最排气至只，而只要比p o 小， 次冲洗完成。经过一次冲洗后，灯管内残留的杂质气体分压强为r ( 只只) ，于是经过力次冲洗 8 第二章紧凑型荧光灯排气工艺及监控系统的研究 后，残留灯管内的杂质气体分压强为： 嘣分 3 ， 由式( 1 3 ) 可看出：冲洗次数越多，只值越小，只值越大，则残留在灯管内的杂质气体就越 小，例如：当灯管排气到其管内强压p o = 1 3 3 3 2 p a ( 1 托) 时，向灯管内充入压强只= 1 2 0 0 p a ( 约 9 托) 的纯净氩气，此时灯管内的总压强为1 3 3 3 2 p a ( 约1 0 托) 。接着排气，使灯管内的压强降到 1 0 0 p a ( 约0 7 5 托) 。这样重复4 次冲洗( 玎= 4 ) ，则由式( 1 3 ) 得，灯管内残留杂质气体分压强： p 5 = 1 3 3 3 2 ( 1 0 0 1 3 3 3 2 ) 4 = 4 2 2 1 0 - 3p a ( 3 1 6 5 1 0 5 托) 从上例可知，即使采用机械泵排气，经过多次冲洗之后，在灯管内的残留杂质气体的分压强， 也可以达到所要求的数值。众所周知，机械真空泵在较高的压强下有着较高的抽气速率，因此采用 机械真空泵，利用气体冲洗法，可以提高生产率j 简化排气系统，保证产质量。 灯管冲洗后、灯管内残留杂质气体分压强的大小，决定于冲洗所用氩气的杂质气体分压强。若 用9 9 9 9 9 纯度的氩气代替9 9 9 9 纯度的氲气冲洗，灯管内残留气体的分压强可以降低一个数量级， 即真空度可以提高一个数量级。因此，冲洗时要用高纯度的氩气。 3 、阴极的处理 节能灯的阴极是节能灯的心脏，其好坏直接影响灯管的光效与寿命。 阴极处理是节能灯管排气工艺中的主要过程；它包括阴极分解、激活、辉放、高压弧放。高压 弧放的作用是使灯丝中间部分碳酸盐的分解恰到好处，而两端的碳酸盐由于放电的原因，也能完全 分解。但高压弧放能使灯管内一些本来可以被氧冲洗和真空泵排除的杂质气体产生电离，成为杂质 气体的离子，其活性增大，易与荧光粉、汞、阴极等物质起物理和化学反应，对灯的光通量和寿命 有影响，因此国内节能灯的排气已很少采用高压弧放。阴极在处理时，被加热的温度、所在环境的 真空度以及通电的时间，是阴极处理的三要素，缺一不可。阴极处理是排气工艺中的关键环节，生 产厂家皆比较重视，一般做的较好，不再多赘。 4 、注汞( 丸) 目前国产紧凑型荧光灯皆需要注入适量的汞，若不考虑灯在燃点期间的损耗，理论计算对于3 0 w 以下的节能灯注入0 0 3 m g 汞量就够了。但实际上，灯燃点期间，荧光粉吸咐汞，与玻璃析出的钠离 子生成钠汞齐，与灯管内的残留杂质气体、阴极蒸发的物质等发生作用，使灯管内的汞量不断地减 少，导致灯的光通量下降，甚至不发光。为了保证灯管能有一定长的寿命( 如8 0 0 0 1 2 0 0 0 小时) ， 灯管实际的注汞量远远大于理论计算值，目前一般为4 5 m g ，若在灯管玻壳内表面涂保护膜，采用 有包膜的荧光粉与电子粉，灯在燃点期间汞的消耗明显减少，可以减少光衰，提高灯管的寿命。 目前国内节能灯的生产，多是超量注液汞，由于环保的要求，采用汞齐( 丸) 的灯越来越多， 尤其是锌汞丸用的较多。在电光源生产中，为了实现精确微量注汞，我们研制了自动注汞器，自动 注丸器，多年来一直用在金属卤化物灯与节能灯的生产中，现在已不比进口的差。 5 、定量冲氩 节能灯“毛管”在排气封离之前，需要充入适量的氩气或氩氪混合气体，其目的是缓冲汞离子 对阴极、荧光粉、玻管管壁的轰击，从而减缓阴极上钡原子的蒸发、荧光粉的老化、玻管钠离子的 析出等，以达到减缓灯管的光衰、延长灯管的寿命、帮助灯管的启动。 若充气压力太低时，电子自由程大，电子可以高速飞向管壁或阴极，对它们进行轰击，造成损 坏。在充气压太低的情况下：灯电压降低、灯电流增大、灯功率减小、光效增高、光衰增大、寿命 降低、启动容易。若充气压力过高时，电子的弹性碰撞损耗增大，灯电压增高、灯电流降低、灯功 率增大、灯光效降低、光衰减小、寿命延长、启动困难。 实践证明，中、小功率节能灯充入3 9 9 9 6 6 p a ( 3 托) 左右的氩气为最佳，可兼顾到灯的启动、 9 东南大学硕士学位论文 光效和寿命的需要。对于一体化的电子节能灯，一般充入7 9 9 9 3 2 p a ( 6 托) 左右，也可以根据整灯 厂家的要求而定。 在灯管内充入一定比例的氩氪混合气体，可以提高光效，改善灯的启动性能，但增加了灯的成 本。 6 、灯管封离 灯管进行烘烤时，排气管上的温度最低，尤其是下插式，排气管的烘烤温度更低，一般不能完 全达到烘烤除气的目的。当封离时，排气管内壁的杂质气体释放，排管溶解时放出水蒸气，都会进 入灯管，影响灯管的质量。因此，灯管封离前，在抽气工位上，对排管加热烘烤除气，然后一次封 离到位，不要进行二次封离，可以提高灯管的质量。 目前节能灯排气多是采用半自动排气，灯管多是下插式，排气管处烘烤温度低，若是一次封离 到位，易炸管，降低了成品率，影响经济效益，所以多采取二次封离的办法，损失点灯管质量，换 来点经济效益。若灯管的结构尺寸符合规范，采用上插式自动排气机，其排气管的温度本来就比下 插式的高，在封离前再适当的对排气管封离处进行加热烘烤，一次封离灯管自动下料后，采用适当 保温，基本能做到：封离后不影响灯管质量和合格率，并减少了操作工人，一举数得。 2 1 3 排气机的工位布局 4 8 工位排气机的工位布局如图2 1 所示。 工位序号工位功能 l上管 3检管，开抽气管道 4检漏1 1 2 检漏2 1 3 氩洗l 2 1检漏3 2 2 氩洗2 3 0 氩洗3 3 5 检漏4 3 6 氩洗4 3 9氩洗5 4 4下汞丸 4 5 定量充氩 4 6锁抽气管道烧尖 4 7拔尾管 4 8 注汞丸 5 - 3 2 是加热除气区；1 4 4 3 辉放区；3 3 - 3 8 是保温区。 图2 - 1 排气机工位功能分布图 2 2 监控系统总体框架 2 2 1 传统排气机的运行过程及缺点 排气机控制系统应达到以下主要要求：根据节能灯排气工艺要求，实现灯管真空度的检测，阴 i 0 第二章紧凑型荧光灯排气工艺及监控系统的研究 极分解过程中的恒流控制，烘烤炉温的检测、反馈与控制，各执行机构的动作顺序控制等。灯管真 空度在排气机上要进行在线检测，在设备的数个工位上设立检测点，并根据工艺要求设定真空度值， 通过真空表中的真空规管对灯管的真空度进行检测，若灯管漏气，所检测到的真空度值低于设定值， 则控制系统发出信号给相应的电磁阀，切断该工位与真空系统的联系。灯管内的灯丝电极在排气机上 需激活、分解，其分解电流随分解时间的增长呈递增趋势。由于灯丝冷态电阻的离散性需要控制电 路保证阴极分解电流能自适应调整，阴极的分解电流保持恒定，从而使阴极分解的效果能够一致稳 定。 烘烤炉的加热方式有电加热、煤气加热，电与煤气同时加热等几种方式，这几种方式都是通过 加热装置、传感器、电磁阀、温控仪等构成闭环、在烘箱内形成温度梯度并控制温度。在传统排气 机当中使用的是智能p i d 温度控制仪，该温度控制仪能够很好的控制温度和加热装置，所以在新系 统当中仍然采用该智能p i d 温度控制仪。 传统的4 8 工位节能灯排气机采用蜗形凸轮间隙转位机构作为传动机构，执行机构的动作顺序