人造金刚石压机智能化压力测控系统设计_图文

1、第27卷第6期增刊2006年6月仪器仪表学报Chinese Journal of Scientific InstrumentV01.27No.6June.2006人造金刚石压机智能化压力测控系统设计*莫金海李海标(桂林电子科技大学机电与交通工程系桂林541004摘要鉴于人造金刚石压机的恶劣工作环境,提出了一个高可靠的智能化压力测控仪(系统的软硬件设计方案。该方案采取多种软硬件相结合的抗干扰措施。硬件主要采用光电隔离技术;软件采取仿PLC的扫描式软件工作方式,包含软件滤波和容错性工艺参数保护技术。实践表明,该系统运行稳定且安全可靠。关键词人造金刚石压力测控单片机PLCDesign of inte

2、lligent pressure measuring and control system for man。made diamond synthetic machineMo Jinhai I。i Haibiao (Dept.of Electronic Machinery&Transportation Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Guilin54J004,ChinaAbstract Due tO the bad working condition of man-made diamond synthetic

3、machine,this paper presents a highly reliable pressure measuring and contr01system in which many software and hardware combined anti-interference measures are adopted.The hardware measures are mainly based on photoelectric isolation technique,whereas software measures based on scanning working patte

4、rn as in PLC,together with software filtering against noise and data errortolerant technique for the protection of important processing parameters.Application results show that this system is highly safe,reliable and stable in operation.Key words man-made diamond pressure measuring and contr01single

5、chip PLCl引言人造金刚石是石墨在触媒作用下施以高温高压(2000/lOOMpa而合成的,常用合成设备是六面顶压机。液压压力是设备的动力来源和高压供者。压力测控系统(仪就是测量液压系统的压力,并根据合成工艺所预设压力转换点,以开关触点的开或闭等形式发出控制指令,如图1所示。压力的准确而可靠的测量与控制非常重要,因为压力控制系统的任何失灵,可能导致严重后果。例如,金刚石合成物在高压熔融状态下误发卸压指令会发生爆炸,危及压机设备和人身安全;超程保护不动作也会产生严重后果。因此,设计压力测控系统时必须重视可靠性问题。由于人造金刚*基金项目:广西青年科学基金(0007011资助项目石压机工作环境

6、十分恶劣且长年累月不问断工作,工业现场的干扰严重113且难以消除,系统的可靠性设计难度很大。在目前常用的测控系统中,接点式压力表类体积庞大、维护困难、功能欠缺、压力工艺参数设定不便;带AD模块的PLC类测控系统成本高、工艺参数设定不直观;模拟比较电路类功能欠缺D。基于抑p甓P4P,P2PlP,图1增压曲线及压力测控仪的7个可设发令点制干扰防止误动作的可靠性原则,本文提出了一种以494仪器仪表学报第27卷单片机为主控的智能化方案。该方案采取软硬结合的抗干扰措施。硬件采用光电隔离、硬件滤波和优选器件等措施;软件采用仿PLC扫描工作模式、数模信号软件滤波和数据容错保护技术。实践表明,智能化压力测控系

7、统采取这些措施后,系统的可靠性达到了令人满意的要求,而且系统性能完善,价格便宜,适合国情,能有效提高我国人造金刚石装备的信息化水平。2系统的硬件构成压力测控的工业现场存在严重干扰,且难以通过硬件方法完全消除n。21之,但加强硬件抗干扰措施仍然能有效提高系统的可靠性。经综合考虑,得如图2所示的测控系统硬件构成图。从提高系统可靠性等方面看,该电路有如下特点。.一测1。6牌每P0PO刮触74卿LS37瓣3H 5妣x TI腻L521kf口、刳tAT89C5l一丁+幽兰.I,。Y。;窦盹JLl。,二.“2003Vrov。,点v。RD驾G蚍AL2酾0V1。WRAB8l;。砌太lj,P2弋一3×3

8、扫描式按键I、3,7P22-7甲7.,73复位芯片+EEPROMl一2,77P1o一黑篆嚣量零LED驱动与昆示x25045l,RESET4×MAX7219图2压力测控系统的硬件构成图(1电源和地线的处理。致命的现场干扰大多通过电源耦合进入单片机系统,如浪涌电流等。这种干扰不但引起死机,甚至会损坏器件。电源进线需加入LC滤波器;强弱电采用不同电源供电且光电隔离(图2所示继电器输出通路;适当加入去耦电容;数模地要分别布线,再通过耦合电感单点连接之,防止高频信号进入模拟通道。(2模拟通道。变阻式压力传感器输入引线采用屏蔽电缆抑制干扰。信号放大采用专门仪表放大器,通过电阻R。调节放大倍数,同

9、时考虑到传感器电桥未必能精确做到零压力时零输出,加入调零电阻R:及相关偏置电路很有必要。采用10位AD转换可满足测量精度要求。数模地线的连接按(1进行。(3光隔与继电器输出。根据不同的压机主控制器要求,提供光隔输出和继电器输出。由于输出通道被隔离于测控系统之外,可有效抑制干扰的串入。继电器为24VDC驱动,触点容量为220VAC/10A。(4看门狗和EEPROM芯片X25045。该芯片主要作用是防止系统死机和存储压力工艺参数。利用写入使能端保护EEPROM的数据。(5复式地址译码。由GAL20VlO组合读写信号、地址高8位信号构成复式地址译码,除了用于AD 数据的读写外,还用来控制输出锁存芯片

10、74LS373的写入,这种译码读写要比P2或P3E1的单线译码更能抵御干扰,防止误读误写。(6操作面板。按键值采用扫描式获取,提供参数设定等基本操作。LED显示采用专门的SPI串行驱动器件MAX7219,数据刷新过程虽然很快,但仍需屏蔽显示以防止数显混乱,保证数显清晰明快。3软件设计真正有效的抗干扰需软硬结合。这里,软件抗干扰措施的主要目的是:防止“飞程”和“死机”;防止干扰引起误动作;保护工艺参数。3.1扫描工作原理及其优特点间歇扫描工作模式是PLC软件普遍采用的工作方式,本系统软件的运行即采用这种工作方式。其原理是:当主程序完成初始化任务后单片机即进入睡眠状态,通过内部定时中断T1定期唤醒

11、单片机,并由中断服务程序实施定时的检测与控制工作,之后又进入睡眠状态。可以看出,在这种间歇扫描工作方式中,单片机的实际工作时间很短,干扰对程序的破坏作用的可能性大为减少;而且单片机的工作能耗很少,发热量亦很少,可大大优化单片机的工作温度环境,使之更能适应诸如盛夏季节之类的恶劣环境,保证可靠性。单片机的定时中断可靠性很高,但为保证其万无第6期增刊人造金刚石压机智能化压力测控系统设计495一失,在重新进入睡眠状态之前,定义中断的各类参数,如中断控制位、时间常数和堆栈指针等重要数据,仍需进行检验和重置,防止意外修改。为了能及时响应外界的开关信号,T1的中断定时取10ms为宜。因此,软件采用扫描工作方

12、式,与硬件看门狗电路配合,单片机的“飞程”、“死机”现象是能够完全消除的。3.2数据的安全保护程序的“飞程”可能会破坏系统存贮的数据,所以除了通过控制EEPROM的写使能端保护其内部工艺参数外,软件上还必须采用数据容错技术以保证其可靠,避免压力测控器的误输出,使系统安全运行。其原理为:工艺参数组前后附加几个校验字(出错标识组成一个数据块,制作此数据块的若干备份。当某数据块的校验字出错时,该块数据极可能已遭毁灭性破坏,这时可利用未损的备份数据块进行数据恢复;若所有的备份数据均被破坏,则必须使控制器处于待命和停机状态,提示系统需数据重置,待数据人工修复后才能启用。3.3数宇滤波模拟量必须采取数字滤

13、波措施来抑制信号的毛刺类干扰,保证输入量的准确性。点采样采用均值滤波。考虑到所测的实际压力为一个相对缓慢的变量,两周期采样之间还需接入适当的低通滤波进行平滑:P。+1=aP。+(1一aP。+1d1(1式中:P分别为输入的压力变量。3.4软件结构和框图根据扫描式软件运行模式的要求,测控软件分两部分:主程序和中断服务程序。主程序功能简单,在完成定时常数等参数设置和定时中断开启后,即进入并长期处于睡眠状态。实际上,所有的测控工作都是由中断服务程序来完成的,其流程框图如图3所示。4结束语理论分析和大量的长时间运行实践表明,本文所述的智能压力测控系统,由于硬件采取LC滤波、数模地隔离、光电隔离、复式地址

14、译码、看门狗等抗干扰措施,软件采取间歇式扫描工作方式、数据容错技术、软件滤波平滑等措施,系统的可靠性得到显著而有效的提高。这种压力测控系统与传统的系统相比,价格低廉、操作简便、性能卓越、适合国情,有利于提高我国人造金刚石制造设备的信息化水平。其中,可靠性设计的核心和关键,在于软件运行引入仿PLC的间歇扫描式工作模式。该软件运行模式普遍适用于实时性不图3定时器T1中断服务程序之框图强、被测控量变化不激烈的控制系统,例如温控系统等。因此,本文所述的软硬件可靠性测控方案,具有较大的参考价值和普遍性意义。参考文献E13王柏林.单片机系统设计的误区与对策EJ3.电子技术应用,2002,27(2:2224

15、.2王幸之,王雷,翟成,等.单片机应用系统抗干扰技术IM.北京:北京航空航天大学出版社,2000.3方啸虎.超硬材料的科学与技术M.北京:中国建材工业出版社,1998. 人造金刚石压机智能化压力测控系统设计作者:莫金海, 李海标, Mo Jinhai, Li Haibiao作者单位:桂林电子科技大学机电与交通工程系,桂林,541004刊名: 仪器仪表学报英文刊名:CHINESE JOURNAL OF SCIENTIFIC INSTRUMENT年,卷(期:2006,27(z1引用次数:3次参考文献(3条1.王柏林单片机系统设计的误区与对策期刊论文-电子技术应用 2002(22.王幸之.王雷.翟成.王闪单片机应用系统抗干扰技术 20003.方啸虎超硬材料的科学与技术 1998相似文献(2条1.会议论文莫金海.李海标人造金刚石压机智能化压力测控系统设计2006鉴于人造金刚石压机的恶劣工作环境,提出了一个高可靠的智能化压力测控仪(系统的软硬件设计方案.该方案采取多种软硬件相结合的抗干扰措施.硬件主要采用光电隔离技术;软件采取仿PLC的扫描式软件工作方式,包含软件滤波和容错性工艺参数保护技术.实践表明,该系统运行稳定且安全可靠.2.会议论文何少佳.莫金海.黄知超PLC在人造金刚石压机中的应用2002本文介绍了人造金刚石生产的工艺及技术要