（计算机应用技术专业论文）热缩材料辐照控制系统的设计.pdf

热缩材料辐照控制系统的设计中文摘要 中文摘要中又捅斐 热缩材料是用途广泛的高科技产品，具有较高的绝缘、阻燃、防腐、隔热性能， 主要应用于电力、通讯、航天、军工、电子、船舶、石油化工、汽车、造船等诸多领 域【1 1 。随着热缩材料生产工艺的快速发展和国内外需求量的迅速增加，越来越多的企 业转向了热缩材料的生产和研发，目前研究重点主要集中在如何提高产品的产量、热 缩性能、自动化程度和系统的安全性上。 本文在充分调研热缩材料辐照系统工艺生产流程的基础上，将虚拟仪器技术应用 到热缩材料辐照生产线的控制中，设计出了一套基于虚拟仪器的热缩材料辐照控制系 统，实现了辐照过程的高度自动化，提高了生产效率。文中详细地介绍了系统硬件组 成和虚拟仪器软件这两个部分的设计过程，并且根据热缩材料的具有较多型号的特 点，在辐照控制模型建立过程中，充分考虑到遗传算法能够提供一种求解复杂系统优 化问题的通用框架，对问题的种类具有很强的鲁棒性，提出了基于遗传算法的辐照控 制模型，进一步提高了系统的适应性和稳定性。 该系统己成功地应用于苏州工业园区某著名公司的热缩材料辐照车间，实现了生 产的自动化，提高了劳动生产率和产品质量，取得了明显的经济效益，具有较高的推 广价值。 关键词：虚拟仪器，遗传算法，自动化控制，热缩材料，辐照控制。 作者：浦敏 指导老师：李云飞 热缩材料辐照控制系统的设计中文摘要 a b s t r a c t p y r o c o n d e n s a t i o nm a t e r i a li sak i n do fh i g hs c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i cp r o d u c ti nw i d e u s e i th a st h ec h a r a c t e r so fi n s u l a t i o n ，b u m i n gp r e v e n t i o n ，a n t i s e p s i s ，h e a ti n s u l a t i o n ，a n d m a i n l yu s e di nt h ef i e l do fe l e c t r i cp o w e r , c o m m u n i c a t i o n ，s p a c e f l i g h t ，w a ri n d u s t r y , e l e c t r o n ，w a t e r c r a f t ，p e t r o l e u m ，a u t o m o b i l ea n ds h i p b u i l d i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to f p y r o c o n d e n s a t i o nm a t e r i a lt e c h n i c a la n dt h er a p i dg r o w t ho fd e m a n d ，m o r ea n dm o r e c o r p o r a t i o n sb e g i nt op r o d u c tp y r o c o n d e n s a t i o nm a t e r i a l n o w , t h es t u d yi sf o c u so nt h e f i e l do fi n c r e a s et h ep r o d u c to u t p u t ，p y r o c o n d e n s a t i o nc a p a b i l i t y , a u t o m a t i z a t i o na n d s e c u r i t yo ft h es y s t e m o nt h eb a s i so ff u l li n v e s t i g a t i o no fp y r o c o n d e n s a t i o nm a t e r i a lr a d i a t i o ns y s t e m s p r o d u c t i o np r o c e s s ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h ep y r o c o n d e n s a t i o n m a t e r i a lr a d i a t i o nc o n t r o l s y s t e mb a s e do nv i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) t h em e t h o dr e a l i z e sh i g ha u t o m a t i z a t i o no ft h e r a d i a t i o np r o c e s s ，a n di m p r o v e sp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y i nt h i sp a p e r , t h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e ma r ed e t a i l e d l yi n t r o d u c e d g a ( g e n e r i ca l g o r i t h m s ) c o u l d p r o v i d et h eg e n e r i cf r a m e w o r ko fc o m p l e xs y s t e mo p t i m i z ep r o b l e m ，s oi nt h ed e s i g n p r o c e s so fi r r a d i a t i o nc o n t r o lm o d e l ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dan e wk i n do fr a d i a t i o n c o n t r o lm o d e lb a s e do ng e n e r i ca l g o r i t h m s ，f u r t h e ri m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h es y s t e m t h ec o n t r o l s y s t e md e s i g n e d i nt h i s p a p e rh a ss u c c e s s f u l l y u s e di nt h e p y r o c o n d e n s a t i o nm a t e r i a lr a d i a t i o nw o r k s h o pi no n ef a m o u sc o m p a n y i ns u z h o ui n d u s t r y p a r k i th a si m p r o v e dt h ep r o d u c t i v i t ya n dp r o d u c tq u a l i t y , g o to b v i o u s l ye c o n o m i c b e n e f i t sa n dh a dh i g hp r o m o t i o nv a l u e k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，g e n e r i ca l g o r i t h m s ，a u t o m a t i o n ，p y r o c o n d e n s a t i o n m a t e r i a l ，r a d i a t i o nc o n t r 0 1 1 i w r i t t e nb yp um i n s u p e r v i s e db yl iy u n f e i 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书 而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 研究生签名： 争迎彳 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、 中国社科院文献信息情报中心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) 授权苏州大 学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： fl 荔) 汐 鼍勿笏 日期：坦左：望 日期：型盘：堇蔓旦 热缩材料辐照控制系统的设计 第一章引言 第一章引言 随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术和现代测量技术的迅速发展， 一种新型的先进仪器虚拟仪器成为了当今测控系统研究的热点。将虚拟仪器应用 到热缩材料辐照控制系统中具有较高的实用价值。本文针对苏州工业园区某著名企业 的热缩材料辐照生产线，设计了一套融合辐照技术、自动化控制技术和虚拟仪器等技 术为一体的具有较高水平的自动化控制系统。 1 1 课题背景 1 1 1 热缩材料 2 0 世纪5 0 年代初，美国科学家d o l e 和c h a r l e s b y 发现聚乙烯可以在高能射线作 用下产生交联网状结构，这种结构提高了材料耐热、耐老化、耐环境应力开裂、耐酸 碱溶剂腐蚀等性能。随后，他们又发现这种交联聚乙烯具有形状尺寸的“记忆效应”。 2 0 世纪6 0 年代初美国瑞侃公司申请了第一份热收缩材料的专利权，从而开创了新型 功能高分子材料的新纪元。世界各国在此领域开展了大量的工作，从材料性能研究、 生产加工到技术改进都有了突飞猛进的发展。 热缩材料学名为“多相聚合物辐射交联收缩材料 或“高分子形状尺寸记忆功能 材料，根据聚烯烃等聚合物在进行辐照后产生的“记忆效应”而制得的。普通型 热缩材料多以聚乙烯( p e ) 类作基材，在高能辐射( 电子束或射线) 作用下，其高分子链 间形成化学键，成为交链结构的产物，受热至其软化成化学键，成为交互链结构的产 物，受热至起软化点在外力作用下进行扩张，经冷却定型后即成为广泛的热缩材料【1 1 。 使用时只需将其加热至一定温度即可收缩至扩前的形态，用于电缆接续的热缩附件在 收缩后即紧密地包裹在接头外围而构成保护层。热缩材料具有以下特性【2 】： 1 电绝缘性。高分子化合物链里的原子是以共价键结合的，一般不易导电，高 分子材料具有很好的电绝缘性，良好的电绝缘材料，广泛用于电气工业领域，如制成 电器设备零件、电线及电缆的护套等。 2 】阻燃性。使用在电气设备上的绝缘材料应具有阻燃性。热缩材料是橡塑共混 热缩材料辐照控制系统的设计第一章引言 高聚物在制作过程中添加了性能良好的阻燃材料。具有很好的离火自熄性。试验表明， 热缩材料在9 6 0 不燃烧，满足了绝缘材料在电气设备上应用的阻燃性要求。 3 】记忆效应。结晶的高分子材料经特殊处理后，使分子链间产生新联结键，形 成交联的网状结构。这种交联网状结构的高分子具有“记忆效应”，也就是在一定的 温度下，对该材料加以外力，拉伸成各种形状，迅速降温后，可以维持这种变形后 的形状。如果将温度升高到该材料的熔点以上时，变形后的形状很快就会消失并回到 初始状态。使用热缩材料进行绝缘防护就是利用热缩材料具有的这种“记忆效应 ， 先将其制成管材或带材，然后将其包裹在裸露的母线或引线上，再用加热的手段， 使之与母线或引线紧密结合，牢固的附着在母线或引线的表面上。这也正是将“高 分子形状记忆 材料叫成“热缩”材料的原因。 4 物理化学性能。热缩材料具有耐腐蚀性，吸水率低( 小于0 1 ) 、低温韧性 好( 5 5 士2 4h ) 、耐老化性好( 1 6 8 。c 1 6 8h 通过) 等特点。据上海电缆研究所 对热缩材料所做的加速老化试验表明，该材料老化寿命可达2 0 年，因此热缩材料在 其他领域也得到了非常广泛的应用。 1 1 2 电子辐照加速器 电子加速器是一种通过电磁场使电子获得高能量的电气装置。辐射加工常用的电 子加速器主要有静电加速器，绝缘芯变压器，高频高压发生器，微波直线加速器，此 外还有高压倍加器与共振变压器等。其中除微波直线加速器是采用微波电场加速电子 外，其余都是通过高电位对电子进行加速的。一般辐射加工用的工业电子加速器的电 子能量为0 1 5 m e v 到1 0 m e v 之间，单台加速器的电子束流动功率从几k w 到2 0 0 k w 。 随着电子加速器制造技术的进步，电子加速器辐照装置在世界辐射加工产业中的地位 日趋明显【3 1 。 目前用于辐射加工的加速器可根据电子能量分为低能电子加速器( 5 0 0 k e v 以 下) ，中能电子加速器( 5 0 0 k e v - 5 m e v ) 与高能单子加速：i 器( 5 m e v 1 0 m e v ) 。不同能量加 速器体现电子对物质的穿透能力的差别，因而具有不同的用途。 本课题中，使用的电子辐照加速器是从俄罗斯引进，由中国科学院上海物理研究 所安装完成的。加速器的型号是d d 3 0 9 0 1 2 7 0 ，它的最高能量3 0 m e v ，最高速流 强度3 0 m a ，扫描窗宽度1 2 7 0 m m 。如图1 1 所示。此辐照系统所需电子达到3 兆伏， 2 热缩材料辐照控制系统的设计第一章引言 因此对高压电子的安全使用防护提出非常高的要求。一旦有少量高压电子溢出，就会 严重危害人的身体健康甚至有生命危险。所以在隔离电子的时候，采取迷宫式通道， 墙面都是厚度高达1 4 米的混凝土浇铸而成。迷宫式通道的作用就是避免高压电子溢 出。另外在硬件和软件上加了很多的安全措施，如辐照中心内的红外监测和视频监测； 辐照中心外的射线检测，门禁系统，严格的身份识别和详细的进出记录，确保人和设 备的安全等。 图1 1 电子加速器 1 1 3 辐射加工的现状和发展 高能电离辐射由于具有较高的能量效能与能量密度，可以用作物质材料的特殊加 工手段，实现常规加工( 机械加工、热加工、电加工、化学加工等) 难以胜任的加工任 务【3 】。电离辐射中的一个粒子就能摧毁好几个分子，导致原子中的价电子处于高能态 水平( 激发) ，或者使价电子从一个原子或分子中逐出( 电离) ，从微观上改变了物质的 原子的状态，以及分子的化学结构，从而在宏观上奠定了物质加工、特别是材料改性 的基础。由于辐射加工的特点，这种加工方式在实现传统产业的技术改造、特别是改 善高分子材料的品质和性能或合成新型产品方面显示了强劲的技术活力。自上世纪 8 0 年代以来，辐射加工因世界核反应堆和带电粒子加速器的发展，其加工规模与应 热缩材料辐照控制系统的设计第一章引言 用范围日益扩大，在一些工业发达国家形成产业。辐射加工主要产品和服务项目包括 电线电缆交联绝缘层、发泡聚乙烯、热收缩管材与板材制品、木材塑料复合材料、电 池隔膜、建筑材料( 石膏板、屋瓦、木材等) 、钢板、软磁盘、高级纸张的表面涂装加 工处理、表面活性剂、聚四氟乙烯降解产品、高分子絮凝剂、强力吸水剂、交联轮胎 橡胶、文物保护、医疗用品消毒灭菌、辐照食品等【4 】。 电离辐射强烈的化学效应可导致有机分子的聚合、共聚、高分子化合物的交联、 接枝与降解等。这些特有的辐射化学效应为传统制造行业的工艺改进，以及保证材料 品质满足军用要求提供了可能性。 有机高分子聚合物在y 射线或电子束的作用下可使大分子之间发生化学键搭桥， 形成三维网状结构( 辐射交联) ，从而可显著改善材料的化学稳定性和热稳定性，甚至 赋予材料一些新性能。 辐射交联技术的开发，为电线电缆绝缘层材料、热收缩材料、橡胶硫化、高分子 温控材料、泡沫塑料、工程塑料等辐射新产品的问世奠定了基础，同时也促进了相关 产业的技术进步。 在辐射3 n - r 领域不断拓展的同时，其相关设备的发展也引人注目。辐射加工的基 础设施是辐射装置。辐射装置根据其电离辐射的发生原理可分为两大类： 1 通过物 质核转变产生电离辐射的装置，如核反应堆、放射性核素源等； 2 通过电磁场加速 带电粒子至高能量的电气装置，如电子加速器等【5 j 。 我国辐射化学研究始于2 0 世纪6 0 年代初期，由中科院长春应用化学研究所首先 研制并生产了少量的第一代热收缩材料管用于我国第一颗地球人造卫星。1 9 8 3 年原 国家科委下达了热缩型电力、电缆附件研制的攻关任务，由中科院长春应用化学研究 所组织国内有关单位联合攻关，开始了我国热缩材料发展的新时代。该所陆续研制生 产的系列热缩型电力、电缆附件产品，填补了国内空白。经过数十年开发生产和应用 领域的扩展，目前国内已经形成了一支较强的热缩材料研制和生产队伍，其中长春、 深圳、上海、北京、四川、江浙等省市发展较快。 辐照加工技术可以应用到国民经济的许多部门和领域，应用到人类生活的衣、食、 住、行、文化娱乐等各个方面。目前已经产业化应用的有辐照食品、辐照消毒、辐射 化工和辐射育种等几大类。正在向产业化转移的有涂层辐射固化、辐射处理污染物( 三 4 热缩材料辐照控制系统的设计 第一章引言 废) 等方面。随着人类的科学进步，辐射技术自身的发展，它还将在越来越多的部门 和领域发挥重要作用，获得越来越广泛的应用。近年来，烟道气的辐射处理，天然乳 胶的辐射硫化，辐射制备冷热水管，辐射制备纳米材料等新材料相继问世。事实证明， 辐射加工技术是一项极富有生命力的，正在向产业化，商业化大步迈进的高新技术。 作为辐射加工主要技术装备的工业辐照加速器也获得了广泛的应用。目前随着微电子 技术、计算机技术、软件技术、网络技术和现代测量等技术的迅速发展，从全球的研 究趋势看，科学家正把目光从辐射理论和辐射设备的研究，转向研究辐射新技术和辐 射技术产业化的自动化并举的思路上。 1 2 虚拟仪器 1 2 1 虚拟仪器发展背景 2 0 世纪8 0 年代中期，传统模拟式仪器、测控系统的设计遇到了计算机技术强有 力的冲击，模拟式系统逐步被计算机数字系统所取代。进入9 0 年代，随着软件技术 的迅速发展，智能仪器、虚拟仪表和数字化测控系统形成蓬勃发展之势。为了缩短开 发周期，统一设计标准，降低开发费用，各种面向仪器与测控系统的计算机软件应用 平台应运而生，l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i 、h pv e e 、i n t e c h 等是其中应用较为广 泛和具有典型特征的应用开发平台。它们的出现为智能仪器、虚拟仪表、和数字化测 控系统的迅速发展提供了有利条件【6 】。 虚拟仪器技术即v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 技术是美国n i 公司在2 0 世纪8 0 年代率 先提出的【7 】a 它是结合计算机技术和传统的仪器技术，加上少量的硬件和软件，应用 图形软件的功能以及由计算机来处理和显示测量结果的测试技术，形成计算机控制、 用户定义的新型仪器。虚拟仪器是一个开放的系统，能方便地和其它仪器联接，交互 信息，网络共享。虚拟仪器是一个模块化的系统，总线结构、硬件接口和底层驱动程 序都可标准化，各个公司的产品可互相代替，混合使用。虚拟仪器开发过程和技术更 新快，可重复使用和移植，成本低，易扩展，人机交互性好。虚拟仪器的特点可归纳 为【8 】： 1 】功能由用户自己定义； 2 】面向应用的系统结构，可方便地与网络外设、应用程序等连接； 热缩材料辐照控制系统的设计 第一章引言 3 展开图形操作界面，由计算机完成度数并分析处理； 4 】数据可编辑、存储、打印； 5 】价格低廉( 是传统仪器价格的五至十分之一) ； 【6 】基于计算机技术开放的功能模块可构成多种仪器； 7 】技术更新快( 周期为1 2 年) ； 【8 】基于软件体系的结构，大大节省开发维护费用。 虚拟仪器在工程应用和社会经济效益方面具有突出优势。目前，我国高档仪器如 数字示波器、频率分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口，这些仪器加工工艺复杂， 对制造水平要求高，生产突破有困难，而采用虚拟仪器技术，就可以通过只采购必要 的通用仪器硬件来设计自己的高性价比的仪器系统。 1 2 2 虚拟仪器系统的构成 虚拟仪器是利用电子计算机的硬件和软件技术代替传统的仪器技术，其构成可分 成三个方面： 1 】使用计算机的数据采集卡，完成对测试信号的采集；【2 使用软件 编程技术对采集的数据进行处理和分析； 3 利用计算机输出设备显示结果，包括用 显示器动态显示波形和参数。 虚拟仪器系统的构成【9 】如图1 2 所示。 一p c - d a q 测 1n o m 控n 俯腱 麓 + 卅u r 坩便u 仇鬻卜一 i p c 搬h b w l n d o w s 陀v i 控 r s - 2 3 2r s - 4 8 s 串行口仪器 - - l a b v i e w 等软件平台 镧 | l j - 对 叫v x l 接口纹嚣f 1 i 象 一瑚模块 图1 - 2 虚拟仪器系统构成 1 虚拟仪器的硬件构成 虚拟仪器硬件的任务是解决信号的输入和输出，虚拟仪器的硬件是由计算机硬件 和仪器硬件组成。硬件构成有以下几种方案： 6 热缩材料辐照控制系统的设计 第一章引言 ( 1 ) 基于通用接i s ig p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 接口的仪器系统：g p i b 即 利用g p i b 接1 2 1 卡将若干带有g p i b 接1 2 1 的硬件连接起来。通过p c i ( p e r i p h e r a l c o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t i o n ，周边元件扩展接口) 总线结构将台式工作站与g p i b 硬件 连接，用软件驱动程序完成即插即用的功能； ( 2 ) 基于p c d a q 数据采集的虚拟仪器系统：是以数据采集板、信号调理电路和 计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。采用p c i 或i s a ( i n d u s t r i a l s t a n d a r da r c h i t e c t u r e ，工业标准结构总线) 计算机本身的总线，通过a d 变换将模拟 数字信号采集进入计算机进行分析、处理显示等，并可通过d a 转换实现反馈控制； ( 3 ) 利用v x i ( v m e b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线仪器实现虚拟仪器系 统：v x i 总线是一种高速计算机总线，是v m e 总线在仪器领域的扩展，由于其标准 开放，传输速率高，数据吞吐能力强，结构强，使用方便，受到人们的重视； ( 4 ) p x i ( p c ie x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ，面向仪器系统的p c i 扩展) 系统：是 以p x i 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统； ( 5 ) 串口系统：是以s e r i a l 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚 拟仪器测试系统。 无论上述哪种v i 系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合，其 中p c d a q 测量系统是构成虚拟仪器的最基本的方式，也是最廉价的方式。 【2 】虚拟仪器的软件结构 虚拟仪器软件由两大部分构成： ( 1 ) 应用程序 包括两个方面的程序：实现虚拟面板功能的面板软件程序；定义功能的流程图软 件程序。 ( 2 ) i o 接口仪器驱动程序 i o 接口仪器驱动程序完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。开发虚拟仪 器必须有合适的软件工具，目前的虚拟仪器软件开发工具主要有如下两类： a ) 文本式编程语言如l a b w i n d o w s c v i 、s u a l c + + 等； b ) 图形化编程语言如l a b v i e w 、h p v e e 等。 热缩材料辐照控制系统的设计 第一章引言 1 2 3 虚拟仪器的数据采集 虚拟仪器包括数据采集与控制、数据分析和数据表达三个部分【1 0 】。数据采集与控 制主要由计算机控制i o 接口设备完成。i o 接口设备主要是数据采集卡，所涉及的 总线类型有g p i b 4 8 8 2 、r s 2 3 2 总线、p c i 总线、v i s a 总线和v x i 总线等。i o 设备 的主要作用是完成信号采集、放大和模数转换，因此，对i o 设备的驱动是虚拟仪器 的重要组成部分，l a b w i n d o w s c v i 提供了强大的数据采集与控制库函数和总线控制 库函数。 在测量和工业实时控制中，经常要对一些物理量进行测量，或者将其采集下来进 行处理。数据采集就是将被测对象的各种测量( 如压力、温度、湿度、转矩等) 通过 传感器( 如光电、压力、温度传感器等) 转换成电信号，再经信号调理、采样、量化、 编码和传输等步骤，最后送到计算机中进行存储、分析和处理的过程。数据采集不仅 是计算机测控系统中一个重要过程，也是系统取得原始数据的主要手段【1 1 1 。 在虚拟仪器系统中，数据采集通常由计算机控制数据采集卡来完成，数据采集卡 一般由以下几个部分组成： 多路转换器：当输入信号为多路信号，而模数转换器只有一个时，多路转换器 用来选通不同的信号，分时进行模数转换。 放大器：对输入信号在采样和模数转换前进行放大处理，使得输入信号满足模 数转换器的要求。 采样保持器：采样保持器使得信号在整个模数转换期间保持相对稳定，从而保 证转换的精度。 模数转换器：用于将输入的模拟信号进行量化，转换成数字信号。 以上部分主要完成模拟输入功能。另外，数据采集卡还包括模拟输出、数字量输 入输出、定时器及简单的信号调理功能。 1 2 4 虚拟仪器技术应用 虚拟仪器技术作为计算机技术与仪器技术相结合的创新技术，应用前景十分广 泛。总而言之，虚拟仪器是测控测量领域的一个创新概念，改变了人们对仪器的传 统观念，适应了现代测试系统网络化，智能化发展趋势。虚拟仪器技术主要应用于工 8 热缩材料辐照控制系统的设计 第一章引言 业自动化、仪器制造和实验室等方面【1 2 ，13 1 。 1 3 研究课题的内容及成果 1 3 1 研究课题的内容 根据热缩材料辐照生产的发展趋势，针对苏州工业园区某著名公司辐照中心的生 产现状，在充分掌握辐照中心的工艺流程的基础之上，确定本系统的总体目标为：建 立一套精度高，运行稳定可靠的辐照控制系统，以代替原来的手工操作生产，实现生 产和管理的自动化。具体的研究内容如下： ( 1 ) 用户需求分析 分析用户的应用需求，根据用户要求确定热缩材料辐照控制系统的开发方案。 ( 2 ) 热缩材料辐照控制系统的硬件组装 a ) 硬件组装结构 b ) 硬件选型 c ) 控制方案 d ) 组件通信 ( 3 ) 热缩材料辐照控制系统软件设计 a ) 软件流程 b ) 辐照控制模块 c ) 软件功能设计 ( 4 ) 难点问题的解决 分析在系统设计与实现过程中所遇到的难点问题，并给出解决方法。 ( 5 ) 应用效果 将本文所设计出的热缩材料辐照控制系统应用到实际中去，通过实际应用对该系 统进行检验，证明该系统切实有效地提高了生产效率。 1 3 2 研究课题的成果 在系统设计方面，重点解决了热缩材料识别，设备传输速度控制，速度实时跟踪 束流这三个技术难点；建立了高效的辐照控制数学模型，提高了辐照模型效率；采取 热缩材料辐照控制系统的设计第一章引言 用电流模拟量控制变频器和分段线性处理的办法，成功地解决了速度精度问题( 误差 为1 内) 。该系统以实现人机交互功能和数据传输为核心，完成系统界面设计，数 据管理，上下位机通讯功能的设计。通过采用功能模块设计的方法，完成系统界面设 计；运用网络功能，将现场的有用数据上传到信息中心的主计算机，以便产品质量的 追溯管理，同时通过信息中心的主计算机也可以实时掌握生产现场的情况，进行辐照 材料的动态监视，从而实现生产的自动化管理；通过检测p l c 的应答信息，解决i p c 与p l c 之间通信的数据效验和故障报警难点。 主要存在以下优势： 1 】应用技术先进。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发 展的新方向和潮流。本文将虚拟仪器应用到热缩材料的辐照控制系统中，这种技术在 国内外都是很先进的，对实际生产的促进作用较为明显。 2 】建立新的辐照控制模型。考虑到热缩材料型号的多样性以及辐照生产过程的 特殊性，在生产中的辐射剂量直接影响热缩材料的热收缩性能、机械性能及其它加工 性能。因此辐照控制是热缩材料生产过程中的关键步骤。为建立精确的辐照控制模型 本文提出了基于遗传算法的热缩材料辐照控制模型，通过实践证明，该模型有效可行， 切实提高了热缩材料的生产效率。 3 价格低廉。本课题完成的辐照控制系统价格与同类进口设备相比，价格要低 的多，体现了较高的经济价值。 热缩材料辐照控制系统的设计 第二章系统构成 第二章系统构成 本文设计的控制系统采用了“i p c ( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ) + p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 模式，以确保控制性能可靠。i p c 完成控制模型 的参数求解和相关的生产管理。p l c 执行i p c 的指令，驱动生产设备工作。软件平 台采用美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，n i ) 的l a b w i n d o w s c v i ( cf o rv i r t u a l i n s t r u m e n t s ) ，它是一种以c 语言为基础的虚拟仪器软件。软件实现了辐照过程的优 化控制和部分生产过程管理( 如班次产量统计、消耗( 原料、电量) 核算等) 。 2 1i p c i p c 是整个系统的控制和指挥中心，负责协调系统中各部分的工作，实时获得辐 照控制系统在不同环境下的各种工作特性值，如：设备传输速度、辐照强度、传输材 料、输入电压、输出电压等，并对控制过程中得到的实时性数据进行分析与处理，对 于量较大且非实时性的数据则使用后台处理机进行处理【1 4 ，1 5 1 。 在辐照控制系统中，i p c 部分的作用主要有以下方面： 1 】与变频器的串行通讯 i p c 与变频器之间用r s 4 8 5 总线连接，采用m o d b u s 协议进行通信，实时获得变 频器当前的状态数据，对这些数据进行分析、处理，并对变频器进行参数设置，控制 变频器的启动、运行和停止。 2 】与p l c 的串行通讯 i p c 与p l c 之间用r s 2 3 2 串口通信，p l c 接受计算机的命令，控制接触器和继 电器的闭开，提供给变频器需要的工作电压或测试电压，将变频器的输出接至与其功 率相应的电机。 3 与各类仪表的通讯 辐照控制过程中计算机实时获得被测变频器的输入电压、电流、功率，变频器的 输出电压、电流、功率及计数模块测量的电机转速。然后根据各类仪表反馈的这些实 时数据，计算判断控制过程合格与否。p c i 0 4 是多串口扩展板，计算机通过串口扩展 热缩材料辐照控制系统的设计 第二章系统构成 板与各仪器连接，实现通讯。 4 数据处理 在辐照控制过程中，i p c 需要实时对各种仪表采集的数据进行处理，并将处理后 得到的数据以一定的形式反馈给用户，以便用户根据相关显示做出适当的操作。 2 2p l c 国际电工委员会( i e c ) 于19 8 2 年1 1 月和1 9 8 5 年1 月颁布了p l c 标准的第一 稿和第二稿，对于p l c 作了如下的定义【1 6 】：“p l c 是一种数字运算操作的电子系统， 专为工业环境下应用而设计。它可采用可编程程序的存储器，用来在其内部存储执行 逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式、模拟式 的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。p l c 及其有关设备，都应易于与工 业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计。”p l c 最初主要用于开关量 的逻辑控制，随着技术的进步，它的应用领域不断扩大。在现代工业控制和商用控制 场合，p l c 不仅用于开关量控制，还用于模拟量及脉冲量的控制，可采集与存储数据， 对控制系统进行监控，还可联网、通信，实现大范围、跨地域的控制与管理。p l c 已日益成为现代控制装置家族中一个重要的角色。如图2 1 。 图2 - 1 三菱f x 2 n 系列可编程控制器 1 2 热缩材料辐照控制系统的设计 第二章系统构成 2 2 1p l c 组成部分 p l c 的组成模块是p l c 的硬件基础，只有弄清楚所选用的p l c 都具有哪些特点， 才能正确选用模块，去组成一台完整的p l c ，以满足控制系统对p l c 的要求【1 6 ，17 1 。 图2 2 是p l c 的组成示意图。 编程设备 工作电源 模拟量( 温度，变送器等) 模拟量( 电流或电压) 运动控制功能 图2 - 2 p l c 的组成示意图 1 c p u 模块，它是p l c 的硬件核心，由微处理器系统、系统程序存储器和用户 程序存储器组成。其本质为一台计算机，该计算机负责系统程序的调度、管理、运行 和p l c 的自诊断，负责将用户程序做出编译解释处理以及调度用户目标程序运行的 任务。 2 电源模块，它为p l c 运行提供内部工作电源或为输出信号提供电源。p l c 的工作电源一般为交流单相电源，电源电压必须与额定电压相等，如1 1 0 v a c 、2 2 0 v a c 或直流2 4 v 。p l c 对电源的稳定性要求不高，一般都允许电源电压额定值在 1 5 的范围内波动，有些交流输入电源甚至允许在8 5 v 2 4 0 v a c 的范围内波动。 3 】i o 模块，它包括输入输出i o 电路，并根据类型划分为不同规格的模块。 输入部分。p l c 与生产过程相连接的输入通道，输入部分接受来自生产现场的各 种信号，如限位开关、按钮、传感器的信号等。 热缩材料辐照控制系统的设计第二章系统构成 输出部分。p l c 与生产过程相连接的输出通道，输出部分接受c p u 的处理输出， 并转换成被控设备所能接受的电压、电流信号，以驱动被控设备。 4 】内存模块，主要存储用户程序，甚至为系统提供辅助的工作内存，在结构上 内存模块都是附加于c p u 模块之中。 5 】底板、机架模块，为p l c 各模块的安装提供基板，并为模块间的联系提供总 线。若干底板间的联系有的用接口模块，有的用总线接口。不同厂家或同一厂家但不 同类型的p l c 都不大相同。 【6 】除了常见的模块，p l c 还有特殊功能模块，如a d 模块( 模拟输入) 、d a 模块( 模拟输出) 、高速计数模块、位置控制模块、温度模块、通信模块等。这些模 块有自己的处理器，可对信号作预处理或后处理，以简化p l c 的c p u 对复杂的过程 控制量的计算。 尽管用p l c 实现对系统的控制可不用外部设备，配置好合适的模块就可以。然 而要对p l c 编程，监控p l c 及其所控制的系统的工作状况，以及存储用户程序、打 印数据等，就得使用p l c 的外部设备。故一种p l c 的性能如何，与这种p l c 所具外 部设备丰富与否、外部设备好用与否直接相关。p l c 的外部设备有四大类【1 8 】： 1 】编程设备。简单的为简易编程器，多只接受助记将编程，个别的也可用图形 编程( 如日本东芝公司的e x 型可编程序控制器) 。复杂一点的有图形编程器，可用 梯形图语编程。有的还有专用的计算机，可用其他高级语言进行编程。编程器除了用 于编程，还可以对系统作一些设定，以确定p l c 控制方式，或工作方式。编程器还 可监控p l c 及p l c 所控制的系统的工作状况，以进行p l c 用户程序的调试。 【2 】监控设备。小的有数据监视器，可监视数据；大的可能有图形监视器，可通 过画面监视数据。 3 存储设备。用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失。这些设备，如 存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器。而为实现这些存储，相应的就有磁带机、 软驱或r o m 写入器，以及相应的接口部件。 4 输入输出设备。用以接收信号或输出信号，便于与p l c 进行人机对话。输入 的有条码读入器，输入模拟量的电位器等。输出的有打印机、编程器、监控器。虽也 可对p l c 输入信息，从p l c 输出信息，但输入输出设备实现人机对话更方便，可在 1 4 热缩材料辐照控制系统的设计 第二章系统构成 现场条件下实现，并便于使用。随着技术进步，这种设备将更加丰富。 2 - 2 2p l c 实现控制过程 p l c 的用户程序，是按顺序循环执行的。这一过程称为扫描，这种处理方式被称 之为循环演算方式。p l c 的循环演算，除中断处理外将一直执行下去，直至停止运行 为止，如图2 3 所示； 图2 - 3p l c 的控制过程 1 】初始化处理 上电运行或复位时处理一次，并完成如下任务：( 1 ) 复位输入输出模块；( 2 ) 进 行自诊断；( 3 ) 清除数据区；( 4 ) 输入输出模块的地址分配以及种类登记。 2 】刷新输入映像区 用户程序的演算处理之前，先将输入端口接点状态读入，并以此刷新输入映像区。 3 】用户程序演算处理 将用户程序，从头至尾依次演算处理。 4 】映像区内输出刷新 热缩材料辐照控制系统的设计第二章系统构成 用户程序演算处理完毕，将输出映像区的内容传送到输出端口并刷新输出。 5 e n d 处理 c p u 模块完成一次扫描后，为进入下一次循环，进行如下处理：( 1 ) 自诊断；( 2 ) 计数器、定时器更新；( 3 ) 同上位机、通信模块的通信处理：( 4 ) 检查模式设定键状 态。 2 3l a b w i n d o w s c v i l a b w i n d o w s c v i 是美国n i 公司开发的交互式c 语言开发平台。l a b w i n d o w s c v i 以准c 语言为基础，提供了丰富的库函数，包括数据采集、仪器控制、网络通 信、用户界面设计等，可以使程序员跳过枯燥烦琐的底层程序设计，而直接进行程序 界面和流程设计。作为交互式的集成开发环境，l a b w i n d o w s c v i 是熟悉c 语言的开 发设计人员编写检测、数据采集、监控程序的理想工具【1 9 】。 l a b w i n d o w s c v i 作为一个优秀的软件开发平台，和其他虚拟仪器开发工具相比， 具有如下特点【2 0 】： 【1 】交互式程序开发，l a b w i n d o w s c v i 将源码编程，3 2 位a n s i c 编译、连接、 调试及标准a n s i c 库等集成在一个交互式开发平台中，采用简单直观图形用户界面 设计，利用函数面板输入函数的参数，采用事件驱动方式和回调函数方式的编程技术， 有效地提高了工程设计的效率和可靠性。 2 功能强大的函数库，如接口函数、信号处理函数库、w i n d o ws d k 等，利用 这些函数库可以轻松地实现复杂的数据采集和仪器控制系统的开发。 【3 】灵活的程序调试手段。l a b w i n d o w s 妃v i 提供了单步执行、断点执行、过程 跟踪、参数检查、运行时内存检查等多种调试手段。 【4 高效的编程环境，l a b w i n d o w s c v i 以其面向虚拟仪器的交互式开发环境， 满足了用户对软件不断变化的要求，在产品设计中，可以快速创建、配置并显示测量。 【5 开放式的框架结构，在l a b w i n d o w s c v i 环境中，可以结合使用标准的a n s i c 源文件，o b j 文件和动态连接库( d l l ) 。还可以将软件中的仪器驱动库与其他标准c 编译器结合使用，无需更改开发工具。 6 集成式的开发环境，l a b w i n d o w s c v i 是集成式的开发环境，可以用于创建 1 6 热缩材料辐照控制系统的设计 第二章系统构成 基于d a q ，g p i b ，p x i ，v x i ，串口和以太网的虚拟仪器系统。 l a b w i n d o w s c v i 主要应用在各种测试、控制、故障分析及信息处理软件的开发 中，与n i 公司开发的另一个虚拟仪器开发工具l a b v i e w 相比，其更适合中、大型复 杂测控软件的开发。基于l a b w i n d o w s c v i 设计的虚拟仪器，在无损检测、电力仪表 系统、温控系统、流程控制系统、故障诊断和医疗等领域中发挥着重要的作用。 2 4r s 4 8 5 总线 在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适合远距离的 数字通信。在r s 4 2 2 标准的基础上，e i a 研究出了一种支持多节点、远距离和接收高 灵敏度的r s 4 8 5 总线标准。 r s 4 8 5 标准采有用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，具体规格 要求： 1 接收器的输入电阻眦1 2 k q 2 】驱动器能输出士7 v 的共模电压 3 】输入端的电容 _ 3 0 n ，收缩比为9 1 0 倍。 挤出成型的h d p e 单丝，