基于虚拟仪器的轮胎硫化温度、压力控制系统设计测量控制部分软硬件设计

1、内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）题 目：基于虚拟仪器的轮胎硫化温度、压力控制系统设计-测量控制部分软硬件设计55基于虚拟仪器的轮胎硫化温度、压力控制系统设计-测量控制部分软硬件设计摘 要本设计是基于labview设计的轮胎硫化的温度、压力控制系统，采用了现在国际上比较先进的技术-虚拟仪器。虚拟仪器是指通过应用程序将计算机、软件的功能模块和仪器硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面（简称前面板）来操作这台计算机就像在操作自己定义、自己设计的一台个人仪器一样，从而完成对被测信号的采集、分析、显示、数据存储等。本文简要介绍了轮胎硫化生产过程，主要阐述了一种轮胎硫化控制系统的控制方法及其实现

2、。硫化是轮胎生产中影响轮胎质量的一个重要环节。硫化过程受多种因素的影响，其中，温度、压力、时间被称为硫化的三要素。影响轮胎硫化的三要素中由于对温度的控制比较复杂，所以在轮胎硫化控制系统中，它就成为系统控制的关键。该控制系统，包括温度压力给定信号的设定、现场温度压力信号的采集以及温度压力的调节等等。最终通过计算机输出的控制信号去驱动执行机构来控制阀门的开度，进而实现现场温度的控制。关键词：轮胎硫化；数据采集；pid控制；labview内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）the tire curing temperature, pressure control system design pa

3、rt based on the virtual instrument - measurement hardware and software control designabstractthis design is based on temperature, pressure control systems of tire curing which is designed by labview ,this design has used the present internationally quite advanced technology-virtual instrument. virtu

4、al instrument is through the application of the process to combine with computer, software modules and instrument hardware, the user can, through a friendly graphical interface (the front panel) to operate this computer as defined in the operation of their own design of a personal the same apparatus

5、 in order to complete the test signal collection, analysis, display, data storage and so on.this paper introduces the tire curing process, mainly on the control method and its implementation of a tire curing control system. sulfuration is an important link of impact of tire quality on the production

6、 of tire curing process is affected by many factors, including temperature, pressure, time were named the three elements of vulcanization. in the three elements of tire curing, control temperature is more complicated , so in the tire curing control system, it has become a key control system. the con

7、trol system, including temperature and pressure settings for a given signal, on-site temperature and pressure of the collected signal and the regulation of temperature and pressure and so on. the ultimate control of the computer output signal to drive the implementation of institutions to control th

8、e opening of the valve, and proceed to realize the temperature control at the scene.key words: tire curing; data acquisition; pid control; labview内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要iabstractii目 录1第一章 轮胎硫化41.1 轮胎硫化的背景41.2 轮胎硫化的工艺要求41.3 轮胎硫化的方式、方法及步骤61.3.1 轮胎硫化的方式61.3.2 轮胎硫化的方法71.3.3 轮胎硫化的步骤71.4 硫化过程的主要问题8第二章

9、labview的简介102.1 虚拟仪器的产生102.2 虚拟仪器的概况102.2.1 虚拟仪器的特点112.2.2 labview的优势122.3 虚拟仪器的构成13第三章 系统的总体设计163.1 系统的总原理框图163.2 labview的总面板及程序设计18第四章 硬件设计224.1 传感器和变送器选择224.1.1 测温原理224.1.2 pt100热电阻简介224.1.3 pt100温度传感器的主要参数234.1.4 扩散硅式差压变送器244.2 信号调理模块244.2.1 信号调理的方法244.2.2 rtd01简介264.2.3 rtd噪声的考虑264.3 数据采集卡的选择27

10、4.3.1 数据采集卡的主要性能指标274.3.2 数据采集卡（daq）卡的组成284.3.3 ni pci-6221数据采集卡284.4 伺服放大器294.4.1 伺服放大器概述294.4.2 主要技术参数294.4.3 工作原理与结构304.4.4 模拟调试314.4.5 接入系统调试324.5 电动伺服操作器dfd-0500324.6 电动执行机构dkz5500m344.7 执行部分接线图35第五章 软件设计365.1 模块设计365.2 温度、压力的采集显示存储输出子程序375.2.1 温度、压力设定375.2.2 温度压力采集子程序385.2.3 温度显示转换框图385.2.4 数据

11、保存回放模块395.2.5 输出模块395.3 pid控制器设计405.3.1 控制系统的分类405.3.2 pid控制的原理和特点415.3.3 pid控制算法435.3.4 pid控制器的参数整定455.4 温度、压力的模拟控制465.4.1 温度的pid模拟控制465.4.2 压力的模拟控制475.5 系统调试485.5.1 找出语法错误495.5.2 慢速跟踪495.5.3 断点与单步执行495.5.4 设置探针49总 结51参考文献52附录53致谢54第一章 轮胎硫化1.1 轮胎硫化的背景轮胎硫化是轮胎加工生产过程中很重要的一部分,橡胶在未硫化之前，分子之间没有产生交联，因此缺乏良好

12、的物理机械性能，实用价值不大。当橡胶进行 硫化以后，经热处理或其他方式能使橡胶分子之间产生交联，形成三维网状结构，从而使其性能大大改善，尤其是橡胶的定伸应力、弹性、硬度、拉伸强度等一系列物理机械性能都会大大提高。1.2 轮胎硫化的工艺要求（1）本控制系统可按设定的硫化曲线，对整个硫化过程进行自动控制，且各段温度、时间皆可调。下图分别为温度压力设定曲线。 图1.1 温度控制曲线 图1.2 压力控制曲线（2）当温度达不到要求时，根据公式自动计算等效硫化时间，自动进行等效硫化。等效硫化公式（其中硫化温度系数可调）如下：1/2=k (t2-t1)/101温度为t1的硫化时间2温度为t2的硫化时间k硫化

13、温度系数（该系数根据产品不同为可变值）（3）温度控制精度为1（0160）（4）蒸汽压力控制精度0.02mpa（5）测温输入点为9点，即罐体上，中，下各3点。每一测温与同层的实际误差保证在1以内。（6）罐体上、下的温度差超过输入的设定温度时，自动排放罐底冷凝水，保证硫化罐体内温度的平稳性、均一性，在排放冷凝水后一分钟内允许有2的误差。1.3 轮胎硫化的方式、方法及步骤1.3.1 轮胎硫化的方式硫化工艺过程根据硫化介质的不同而有明显的区别，硫化介质主要给硫化过程提供温度和压力，硫化中，内温和外温通常不为同一热源，外温介质一般为蒸汽，内温介质一般分为“过热水”、“高温蒸汽”、“蒸汽/氮气”和“热氮”

14、四种。国内轮胎厂家一般采用“过热水”和“蒸汽”作为内温介质。下面简要介绍四种内温硫化方式的基本步骤及优缺点。（1）过热水硫化。首先采用低压蒸气使轮胎定型，然后利用高压过热水进行硫化，硫化中温度一般为170180度，内压一般在2.22.6兆帕。它的优点是，硫化效果比较均匀，外观合格率较高，过热水性质稳定，不存在温度衰减等问题；缺点是，硫化温度低，时间长，效率低，设备不易于安装和维护。（2）高温蒸汽硫化。该方式直接将高压饱和蒸汽通入胶囊中，内压一般为1.61.9兆帕，内温一般为190210度。优点是，时间短，硫化效率高，饱和蒸汽使硫化中能耗降低，削减了设备投资；缺点是，对轮胎生产中其它工序的设备和

15、装置有严格的要求，硫化中，内压偏低，容易造成局部压力不足。（3）蒸汽/氮气硫化。首先向胶囊中通入低压氮气或蒸汽进行定型，然后在通入190210度高压饱和蒸汽之后，再向胶囊中通入2.02.6兆帕高纯氮气进行增压硫化。优点是，与全蒸汽硫化方式相比，减少了蒸汽耗费，降低了能源消耗，增加了胶囊寿命，提高了合格率。（4）热氮硫化。将经过提纯和干燥后的氮气电加热至180度左右之后，再用压缩机将其加压至3.0兆帕，通过专用循环装置使其在胶囊内循环。目前，后两种硫化方式较前两种有明显的优势和更广阔市场前景。但在实际应用中，它们都有一些共同的问题需要考虑，如气体泄露、温差、温度下降等，其硫化工艺也尚存在一些不完

16、善的地方，有待进一步从理论和实际两个方面着手改进。硫化工艺过程取决硫化介质，而硫化介质的选取必须综合考虑两个方面的因素，一是对轮胎各项物理机械性能的保证，如抓着力、耐久性能和外观质量等；二是要求能在生产过程中降低成本，提高生产效率，减少能耗和环境污染。1.3.2 轮胎硫化的方法传统控制方法：传统控制硫化过程的方法是定时控制，这种方法是假定橡胶硫化的过程中模柜内温度和压力保持恒定，但是由于锅炉蒸汽压力波动以及蒸汽在管道中传输温度递减等因素的影响，硫化温度很不稳定。这样生产出的轮胎，经常出现过硫化和欠硫化现象，另外工人的劳动强度大，资源浪费严重。 现代控制方法：现代控制硫化过程的方法是根据蒸汽管道

17、内的温度实时调整硫化时间的等效硫化控制。1.3.3 轮胎硫化的步骤各轮胎公司采用的硫化步骤不尽相同，但主要由以下步骤组成： （1）通高温饱和蒸汽 （2）充填水（视情况而定） （3）通过热水 （4）热水回收（5）通冷却水（视情况而定）（6）主排（7）抽真空 （8）开模 第3步可采用3种方式：循环、半循环或不循环，需根据实际情况进行选取。 第4步可采用两种方式：用高压蒸汽把胶囊中的过热水赶回除氧器或设置一热水回收罐。 第6和7步可采用单路或双路。 第8步的开模压力一般设置为0.03mpa。全蒸汽硫化一般有两种方式：高温蒸汽进加热排或高温蒸汽进，然后主排，再抽真空；高温蒸汽进加热排，然后低压蒸汽进，

18、再主排、抽真空。其中热排是为了把胶囊中的冷凝水排出。充氮气硫化还需要增加两个步骤，即放气（排出胶囊下部的低温氮气）和查漏（关闭所有阀门，看内压有无下降，以观察有无阀门泄漏）。由于主排时间的长短直接影响到硫化效率，因此主排管径的设定和走向以及辅助措施（如安装排空管）对主排的效果至关重要。抽真空可采用蒸汽或动力水，只需将胶囊从胎里脱出并适当收缩，以便轮胎能轻松取出即可。若抽真空过度，胶囊会紧贴中心机构，上环下降时容易夹破胶囊（b型硫化机）。1.4 硫化过程的主要问题目前，轮胎生产的硫化过程面临着两个主要问题。（1）如何提高轮胎内部各点硫化程度的均匀性。由于橡胶是热的不良导体，硫化中，靠近热源的轮胎

19、表面温度变化较快，而内部温度变化较慢，造成了轮胎内外硫化程度的不均匀。同时，轮胎内部各部分的组成材料是不同的，图1.3为轮胎的截面图。其中，胎冠是整个轮胎温度最高、厚度较大的部位，主要包括气密层、胎体和钢丝带束层等几个部分，各部分材料的物性差别很大；胎肩是轮胎中厚度最大的部位，其组成材料种类较多，传热过程很复杂，最容易“欠硫”；胎侧是轮胎中最薄弱的部位，它最易“过硫”。轮胎内部组成材料的不均匀必然导致其内部温度上升速度的不均匀，最终使得其内部各区域硫化程度的不均匀。 图1.3 轮胎截面图（2）如何准确确定轮胎的硫化时间。硫化中，外界条件一般存在一定的波动，它对轮胎的硫化效应影响很大。常规硫化时

20、间采用固定周期法，不考虑硫化过程边界条件的波动情况，每个轮胎的硫化周期都是同一设定值，硫化时间整定按系统参数变化最坏的情况进行，采取“宁过勿欠”的方针，这必然导致多数情况下轮胎过硫，从而影响产品质量和硫化效率。对于问题（1），通过国内外学者的大量研究，一般从两方面来解决，一方面通过制定新的材料配方，使硫化过程中轮胎内部各区域的温度上升速度基本一致；另一方面，通过在硫化前对轮胎进行预热，使硫化开始时，轮胎内部保持较高的温度，从而加快轮胎内部各点的硫化速度，以达到硫化程度的内外均。对于问题（2），需将固定周期修改为可变周期，每个轮胎的硫化时间需根据外界条件的波动而动态确定。第二章 labview的

21、简介2.1 虚拟仪器的产生微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经突破的传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用已经发生了质的变化。在这种背景下，八十年代末美国率先研制成功虚拟仪器（virtual instrument，简称vi）。虚拟仪器技术是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术，它推动着传统仪器朝着数字化、智能化、模块化、网络化的方向发展。虚拟仪器，它是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是未来仪器产业发展的一个重要方向。

22、虚拟仪器的概念，是美国国家仪器公司（national instruments corp以下简ni公司）于1986年提出的。ni公司同时也提出了“软件即仪器”的概念，打破了传统仪器只能由厂家定义，用户无法改变的局面。随着现代软件和硬件技术的飞速发展，仪器的智能化和虚拟化已经成为研究的方向。虚拟仪器，它既具有传统仪器的功能，又有别于其他传统仪器，它能够充分利用和发挥现有计算机的先进技术，使仪器的测试和测量及自动化工业系统的测试和监控变得异常方便和快捷。2.2 虚拟仪器的概况所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计等同常规仪器的各种功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟

23、仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析处理和显示功能。虚拟仪器技术强调软件在测控系统中的重要的地位，但也并不排斥测试硬件平台的重要性。虚拟仪器测控系统通过信号采集设备和调理设备将计算机硬件和被测量硬件连接起来，再通过软件取代常规仪器硬件，将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件来实现对数据的显示、存储以及分析处理。2.2.1 虚拟仪器的特点虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心678，

24、如图2.1所示，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。虚拟仪器中应用程序将可选硬件（如gpib，vxi，rs-232，daq板）和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。源代码库函数为用户构造自己的虚拟仪器（vi）系统提供了基本的软件模块。由于vi的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单

25、地构造出新的vi系统而不丢失己有的硬件和软件资源。图2.1虚拟仪器开发框图虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器” 。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程。2.2.2 labview的优势和常规仪器技术相比，n

26、l虚拟仪器技术有四大优势(1)性能高虚拟仪器技术是在pc技术的基础上发展起来的，所以完全继承了以现成即用的pc技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件fo，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。labvlew环境下温度测控系统的深入研究与实现(2)扩展性强nl的软硬件工具使得工程师和科学家们不再受硬件仪器的限制。这些都得益于nl软件的灵活性，我们要做的只是更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进自己的系统。在利用最新科技的时候，还可以把它们集

27、成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品的设计时间。(3)开发时间少在驱动和应用两个层面上，nl高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。nl设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使用户轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。(4)无缝集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。nl的虚拟仪器软件平台为所有的fo设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备

28、集成到单个系统，减少了任务的复杂性。2.3 虚拟仪器的构成虚拟仪器从构成8要素上讲，由计算机、应用软件和仪器硬件等构成；从构成方式上讲，则由以daq板卡和信号调理为仪器硬件而组成的pc-daq测试系统，或以gpib，vxi，serial和field bus等标准总线仪器为硬件组成的gpib系统、vxi系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。虚拟仪器的构成如图2.1所示。图2.2 虚拟仪器的构成目前，虚拟仪器的构成方式有以下几种：（1）pc-daq插卡式的vi这种方式用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构成各种数据采集和虚拟仪器系统。它充分利用了计算机的总线、机箱、电源以及软件的便利，

29、其关键在于a/d转换技术。这种方式受pc机机箱、总线限制，存在电源功率不足，机箱内噪声电平较高、无屏蔽，插槽数目不多、尺寸较小等缺点。但因插卡式仪器价格便宜，因此其用途广泛，特别适合于工业测控现场、各种实验室和教学部门使用。（2）并行口式的vi最新发展的可连接到计算机并行口的测试装置，其硬件集成在一个采集盒里或探头上，软件装在计算机上，可以完成各种vi功能。它的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式pc相连，实现台式和便携式两用，非常方便。（3）gpib总线方式的vigpib(general purpose interface bus)技术是ieee488标准的vi早期的发

30、展阶段。它的出现使电子测量由独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展。典型的gpib系统由一台pc机，一块gpib接口卡和若干台gp1b仪器通过gpib电缆连接而成。在标准情况下，一块gpib接口卡可带多达14台的仪器，电缆长度可达20m。gpib测试系统的结构和命令简单，造价较低，主要市场在台式仪器市场。适用于精确度要求高，但对计算机速率要求和总线控制实时性要求不高的场合应用。（4）vxi总线方式的vivxi总线是vmebus extension for instrumentation的缩写，是高速计算机总线vme在vi领域的扩展，有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的rfi/emi屏蔽。

31、由于它的标准开放，且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用众多仪器厂家支持的优点，得到了广泛的应用。经过多年的发展，vxi系统的组建和使用越来越方便，有其他仪器无法比拟的优势，适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，但vxi总线要求有专用机箱、零槽管理器及嵌入式控制器造价比较高。（5）pxi总线方式的vipxi总线是pci extension for instrumentation的缩写，是pci在vi领域的扩展。这种新型模块化仪器系统是在pci总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，具有多板同步触发、精确定时的星形触发、相邻模块间高速通讯的

32、局部总线以及高度的可扩展性等优点，适用于大型高精度集成系统。（6）网络接口方式的vi尽管internet技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起，不过ni等公司己经开发了通过web浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品，使人们可以通过internet操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，能够方便的将虚拟仪器组成计算机网络，利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。现在，有关mcn(measurement and control networks)方面的标准正在积极进行，并取得了一定进展。由此可见，网络化虚拟仪器将具

33、有广泛的应用前景。（7）usb接口方式的viuniversal serial bus(usb)因为其在pc机上的广泛使用、即插即用的易用性和usb2.0高达480mbits/s的传输速率，逐渐的成为仪器控制的主流总线技术。usb接口被广泛应用，也使得工程师可以很方便的将基于usb的测量仪器连接到整个系统中。但是usb在仪器控制方面亦有一些缺点，比如usb的传输线没有工业标准的规格，在恶劣的环境下，可能造成数据的丢失；此外，usb对传输线的距离也有一定的限制。无论哪种vi系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式微机或工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。第三章 系统的总体设计3.1 系统

34、的总原理框图pc机ni pci-6221pt100热电阻scc-rtd01伺服放大器手操器执行机构开关阀扩散硅差压变送器电磁阀图3.1 系统原理框图本设计的原理图如图3-1，该系统总体上可分为：硬件设计和软件设计。硬件部分由两部分组成，即数据采集部分和执行部分。数据采集部分是由传感器、信号调理模块、daq板卡组成。传感器pt100热电阻传感器感器和扩散硅式差压变送器。信号调理模块只有热电阻调理模块，扩散硅式差压变送器输出的信号可以直接给daq板卡。daq板卡是选用ni公司的pci-6221数据采集卡。执行部分是由伺服放大器、电动伺服操作器（手操器）和电动执行机构组成。伺服放大器对daq板卡输出

35、的微弱信号进行放大，手操器可以进行手自动切换，电动执行机构对控制阀进行动作。其中控制阀包括进气阀和排气阀。进气阀是一个电磁阀(开度阀)，而排气阀是一个气开阀（开关阀）。其中软件设计由：温度压力设定子程序，温度压力采集子程序，温度压力控制子程序和曲线回放子程序构成。各个子程序的正确连接就可以实现对温度压力的调节，起到调节器的作用。各子程序的具体介绍将在第五章详细说明。温度反馈控制系统采用单回路控制系统，方块图如下。其中温度pid调节器是由温度pid控制子程序实现的。只有进气阀工作。在进行温度控制阶段，排气阀始终处于关闭状态。此时，系统输出的控制量只对硫化罐进气阀的开度进行调节。对象为硫化罐，对其

36、内部温度进行控制。温度给定也是由程序给定。图3.2 温度单回路控制系统方块图压力反馈控制系统也是采用单回路控制系统，其方块图如下。其中压力给定也是由编写程序给定的。压力调节器同样由压力调节子程序实现。当温度控制之后，便开始对硫化罐内压力进行控制。此时控制阀还是包括进气阀和排气阀。系统对排气阀的开关状态进行控制。使硫化罐内压力严格按照给定压力变化。图3.3 压力单回路控制系统方块图3.2 labview的总面板及程序设计在现有的实验条件下，只能实现了一个温度控制系统。本设计仅以pt100传感器，scc-rtd01温度调理模块为模型进行说明。本设计前面板才用选项卡结构，包括六部分：温度压力设定部分

37、，热电阻及调理模块部分，温度压力采集部分，温度压力控制部分，曲线回放部分和系统说明部分。程序框图见附录a。图3-4温度压力设定前面板该面板的功能是设定温度压力的值以及时间。图3-4热电阻及调理模块参数设定前面板该面板对热电阻及调理模块参数的设定。图3-5温度压力采集前面板该面板可以对采集通道、采样频率、采样方式进行设置，温度压力给定和采集曲线的同步显示和对数据保存。图3-6温度压力控制前面板该面板为温度pid调节部分和压力的。此面板功能包括：温度给定和pid控制输出同步显示， pid参数调节和出气阀状态显示。图3-7输出端设置该面板可对数据输出的通道最大值、最小值、输出采样频率进行设置图3-8

38、数据曲线回放前面板该面板可以对温度压力曲线保存到指定文件夹中，并且从指定文件夹中回放历史曲线。第四章 硬件设计调理模块工业pc温度传感器数据采集卡ni-6221 被 测 对 象差压变送器执行机构变送器图4-1温度、压力控制系统硬件结构图图为温度压力控制硬件结构图，在本章将详细的介绍。4.1 传感器和变送器选择4.1.1 测温原理热电阻的测温是利用固体材料的电阻随温度而变化的原理测量温度，如铂电阻、铜电阻和热敏电阻。采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测小于1摄氏度的信号是不适用的。4.1.2 pt100热电阻简介热电阻是电阻体、绝缘导管

39、和接线盒等主要部件组成，其中，电阻体是热电阻的最主要组成部分。传感器采用铂电阻pt100。铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件；且此元件线性较好，在0100摄氏度之间变化时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。铂热电阻与温度关系为： （1）-200t0时， rpt100=1001+at+b*t2+c*t3(t-100)（2）0t650时， rpt100=100*(1+at+b*t2)式中，a=0.00390802；b=-0.000000580；c=0.0000000000042735。可见pt100在常温0150摄氏度之间变化时限性度非常好，其阻值表达式可近似简化

40、为：rpt=100（1+at），当温度变化1摄氏度，pt100阻值近似变化0.4欧。4.1.3 pt100温度传感器的主要参数pt100温度传感器的主要技术参数如下： 测量范围：-200+850； 允许偏差值：a级（0.150.002t）， b级（0.300.005t）； 热响应时间 30s； 最小置入深度：热电阻的最小置入深度200mm； 允通电流 5ma。 另外，pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。 下表4.1为pt100的分度表（0100） 表4.1 pt100分度 0123456780100.0100.3100.7101.1101.5101.9102.3

41、102.7103.110103.9104.2104.6105.0105.4105.8106.2106.6107.020107.7108.1108.7108.9109.3109.7110.1110.5110.930111.6112.0112.4112.8113.2113.6114.9114.3114.740115.5115.9116.3116.7117.0117.4117.8118.2118.650119.4119.7120.1120.5120.9121.3121.7122.0122.460123.2123.6124.0124.3124.7125.1125.5125.9126.370127.01

42、27.4127.8128.2128.6128.9129.3129.7130.180130.8131.2131.6132.0132.4132.8133.1133.5133.990134.7135.0135.4135.8136.2136.6136.9137.3137.7100138.5138.8139.2139.6140.0140.3140.7141.1141.54.1.4 扩散硅式差压变送器 压力测量部分使用扩散硅式差压变送器，具体介绍如下。扩散硅式差压变送器是无杠杆的变送器。它采用硅杯压阻传感器为敏感元件，同样具有体积小、重量轻、结构简单、线性化和稳定性好的优点，精度也较高。敏感元件由两片研磨

43、后胶合成杯状的硅片组成。当硅杯受压时，压阻效应使其上的应变电阻阻值发生变化，从而使由这些电阻组成的电桥产生不平衡电压。硅杯两面浸在硅油中，硅油和被测介质之间用金属隔离膜片分开。当被测差压输入到测量室内作用于隔离膜片上时，膜片将驱使硅油移动，并把压力传递给硅杯压阻传感器。于是传感器上的不平衡电桥就有电压信号输出给放大器，经放大处理输出420ma直流电流信号。本设计具体使用edr-75-nl型扩散硅式传感器(95b71004)。其各种参数如下，测量范围：0400kpa；输出信号：420ma.dc；基本误差：调校量程的0.2%；电源电压：24v.dc ；负载电阻：06000；环境湿度：-40+90；

44、相对温度：095%；阻尼特性：时间常数在0.218之间；外形尺寸：233mm231mml48mm。主要应用于石油、化工、冶金、电站等领域。4.2 信号调理模块4.2.1 信号调理的方法从传感器出来的信号可能会很微弱，或者含有大量噪声，或者是非线性的等，这种信号在进入采集卡之前必须经过信号调理。信号调理的方法主要包括放大、衰减、隔离、多路复用、滤波、激励和数字信号调理等。（1）放大放大器提高输入信号电平以更好地匹配adc的输入范围，从而提高测量精度和灵敏度。此外，使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置，可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号-噪声比。（2）衰减衰减

45、即与放大相反的过程。它在电压（即被数字化的）超过数字化仪输入范围是十分必要的。这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度，从而经调理的信号处于adc范围之内。（3）隔离隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无须物理连接即可将信号从它的源传输至测量设备。除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压，从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。（4）多路复用通过多路复用技术，一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪，从而提供了一种节省成本的方式来极大地扩大系统通道数量。多路复用对于任何高通道数的应用都是十分必要的。（5）滤波滤波器在一定的频率范围内

46、去除不希望的噪声。几乎所有的数据采集应用都会受到一定程度的50hz或60hz的噪声（来源于电线或机械设备）。大部分信号调理装置都包括了为最大程度上抑制50hz或60hz的噪声而专门设计的低通滤波器。（6）激励激励对于一般转换器是必需的。例如应变计、电热调节器和rtd需要外部电压或电流激励信号。通常rtd和电热调节器测量都是使用一个电流源来完成的，这个电流源将电阻的变化转化为一个可测量的电压。应变计是一种超低电阻的设备，通常利用一个电压激励源来用于惠斯登电桥配置。（7）线性化许多传感器感应的电信号和物理量之间并不是呈线性关系，因而需要对输出信号进行线性化以补偿传感器带来的误差。（8）数字信号调理

47、数字信号在某种情况下也要进行调理才能进入daq卡。譬如，不能将工业环境中的数字信号直接接入daq卡，接入之前必须经过隔离来防止可能的高压放电或者经过削减来调整电平以适应daq卡的输入要求。4.2.2 rtd01简介图4.2 rtd01硬件图本设计采用ni scc-rtd01，它为双通道模块，可连接2、3或4线铂rtd。 ni scc-rtd01的每一通道都带有一个增益为25的放大器和一个30 hz低通滤波器。 而且每一模块还具有一个用于1或2 rtd的1 ma激励源。4.2.3 rtd噪声的考虑rtd的输出信号的典型值为毫伏量级，因而极易受到噪声的干扰。在rtd数据采集系统中常常使用低通滤波器

48、，以有效滤除rtd测量结果中的高频噪声。例如，低通滤波器对于滤除在大多数实验室和工厂环境中普遍存在的60 hz电源线噪声非常有用。也可以通过在信号源附近放大处理电压水平偏低的rtd电压，显著改善系统的噪声性能。由于rtd输出的电压水平是非常之低，所以应当选择合适的增益，以优化模数转换器（adc）的输入限制。4.3 数据采集卡的选择数据采集板卡的性能与众多因素相关，要根据具体情况来具体分析。所以在选择数据采集卡构成系统时，首先必须对数据采集卡的性能指标有所了解。4.3.1 数据采集卡的主要性能指标1）采样频率采样频率的高低，决定了在一定时间内获取原始信号信息的多少，为了能够较好的再现原始信号，不

49、产生波形失真，采样率必须要足够高才行。根据奈奎斯特理论采样频率至少是原信号的两倍，但实际中，一般都需要510倍。2）采样方法采集卡通常都有好几个数据通道，如果所有的数据通道都轮流使用同一个放大器和a/d转换器，要比每个通道单独使用各自的经济的多，但这仅适用于对时间不是很重要的场合。如果采样系统对时间要求严格，则必须同时采集，这就需要每个通道都有自己的放大和a/d转换器。但是处于成本的考虑，现在普遍流行的是各个数据通道公用一套放大器和a/d转换器。3）分辨率adc的位数越多，分辨率就越高，可区分的电压就越小。例如，三位的a/d转换把模拟电压范围分成23=8段，每段用二进制代码在000到111之间

50、表示。因而，数字信号不能真实地反映原始信号，因为一部分信息被漏掉了。如果增加到十二位，代码数从8增加到212=4096，这样就可以获得就能获得十分精确的模拟信号数字化表示。4）i/o通道数该参数表明了数据采集卡所能够采集的最多的信号路数。4.3.2 数据采集卡（daq）卡的组成1）多路开关。将各路信号轮流切换至放大器的输入端，实现多参数多路信号的分时采集。2）放大器。将切换进入采集卡的信号放大至需要的量程内。通常中的放大器都是增益可调的，使用者可根据需要来选择不同的增益倍数。3）采样保持器。把采集到的信号瞬间值，保持在a/d转换的过程中不变化。4）a/d转换器。将模拟的输入信号转化为数字量输出

51、，完成信号幅值的量化。目前，通常将采样保持器和a/d转换器集成在同一块芯片上。以上四个部分是数据采集卡的重要组成部分，与其他的电路如定时/计数器、总线接口等电路仪器组成daq。4.3.3 ni pci-6221数据采集卡本设计采用的是ni pci-6221数据采集卡，它是ni公司的m系列多功能数据采集卡，采用的是一个a/d转换器，虽然是多路采集，实际上是分时工作的，所有在多路同时工作时采样率会成倍降低。该板卡的主要性能如下：l 16路模拟信号输入通道，采样率为250ks/s，输入范围为-10v+10v；l 2路模拟量输出通道，分辨率为16位；l 24路数字i/o，数字触发；l 2个32位定时计

52、数器；l ni-daqmx测试软件和硬件配置支持；l ni-mcal校准支持；l nist校准证书和多于70多种的信号调理模块选择。整个系统从被测对象开始，通过传感器转换成电信号，经过信号调理模块进行简单的信号出来，比如scc-rtd01热电阻调理模块，将信号送至数据采集卡进行采集，然后用软件进行处理。系统采用的是ni pci-6221采集卡，由于该卡支持daqmx驱动程序，所以本设计是直接使用daqmx-data acquisition开发的，在这部分中，主要是采集参数的设置，其中包括物理通道的选择，采样模式、采样率、每通道采样数、输入方式的配置，采样最大最小值的设置。随后通过采集卡采集到所

53、需信号，并在pc机上进行分析处理，从而得到我们所需的温度之后再通过采集卡对加热设备发送控制信号，来达到对被测对象的实时测温与控制的目的。4.4 伺服放大器4.4.1 伺服放大器概述dfc-型系列伺服放大器（以下简称伺放）是电动执行机构的配套装置，也是工业过程控制自动调节系统的核心部件之一。它与电动执行机构配合，广泛用于电力、冶金、化工等工业过程控制自动化调节系统中。本伺服采用固态继电器做功率输出部件，体积小，耐振动，可靠性高，dfc-1200型产品还具有信号断失保护功能，可提高系统运行的安全性。伺放还设有状态指示，便于观察和调试。4.4.2 主要技术参数（1）输入信号dfc -110型：010

54、ma dc dfc -1100型：420ma dc dfc -1200型：420ma dc (带断信号保护)（2）输入电阻dfc -110型：200dfc -1100型：250dfc -1200型：250（3）死区可调节范围：1%3%（4）额定负载电流：5a（交流有效值）（5）断信号识别：2ma，dc（仅对dfc -1200）（6）工作电源：220v，50hz（7）使用环境：温度：050 相对温度0（且超过死区）时，伺放有正向输出。当ic-if0（且超过死区）时，伺放有反向输出。当ic-if=0（或不超过死区）时，伺放无输出。伺放的接线端子如下图：图4-3 接线端子排列图4.4.4 模拟调试伺

55、放在接入系统使用前，一般应进行调试。调试接线方法如下图： 图4-4 伺放效验接线图调试步骤如下：（1）调试平衡（即调零）出厂时已调好，一般无需调整。a、分别调整ic和if，使两输入信号相等（推荐在输入信号量程的20%50%点调平衡）；b、用数字式电压表从伺放电路板上的“调零”测试孔上测量前置级的输出电压vo。c、调整调零电位器rs，使vo的值为数毫伏即可。（2）调死区a、保持调平衡时的if不变，改变ic，使ic增加（或减少）0.150.2ma。b、调整调死区电位器r1s，至h1或h2刚好不亮（ic是增加的，则h1亮，若ic是减少的，则h2亮）；c、改变ic，h1、h2应交替亮（但不应有同时亮的现象）。（3）断信号保护检查调整ic和if使h1或h2亮，然后分别断开s1和s2，h1和h2均应熄灭。4.4.5 接入系统调试经以上模拟调试，如无异常情况，可将伺放接入系统使用。当伺放接入系统后，若执行机构的阻尼特性不符合要求，在确定执行机构制动部件及位置发送器