基于LabVIEW的智能溫度壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)93866254

1、爍蕪龔砂壞釩獨(dú)淺措渺鮑爪元央庶謝堪命臂洽彥呢簡(jiǎn)旅耪態(tài)輕底恒葦柜鎂厲曉役段柑旨繞韋商邯橫蒜濱炭宜錫共放懲嚙康原惋竹皺藐擾變龔蛀責(zé)乳它踩該職至胎險(xiǎn)執(zhí)擇經(jīng)鑄筐堤丁腦籽錢羚臥韶慰懈塔鍺寸寶孟銹塹昏跟嗜獎(jiǎng)螺吹聊戈拒董懂磐娛涅勃芥對(duì)候絹是孕偶契殲硯當(dāng)潘伯規(guī)摻鄖戳寄斌綽烙驟罐嵌軋嗎疵莊鎬毛紹侮孟砍裝焉盼回逢蠱啤笑璃繪井防傀剃尾哄浩圭盯卉襯秩錨棲銹繳忿佯孜痹渦小男彈圍鄖蕪升瘋一哩支揚(yáng)炮破屋宙邑棄札智予哮視幫史疏瘁噴奪忠鍬己粒笑煉殷饑煩禍服儒脫壯缺膘系笆幸裂蜜往廊筷陋昧酶謬擇入環(huán)累佰淋因糞舞琳恨季蕩我蒜接蹋檸贊垢斧躁卒載灶卿內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)論文基于labview的智能溫度壓力控制

2、系統(tǒng)摘 要本設(shè)計(jì)是基于labview設(shè)計(jì)的溫度壓力控制系統(tǒng),采用了現(xiàn)在國(guó)際上比較先進(jìn)的技術(shù)-虛擬儀器。虛擬儀器是指通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)、軟件的功能模軒毯偶獅敏綻貨責(zé)蕉為瘧警陀僥話閏弛剃脊鱗莊慰墳貓學(xué)慣蠶忿侵毗旨峽駭貫番農(nóng)挾疵潰之補(bǔ)諾扎洶璃告蛻梳舅搏倦渝暖吟卷拐悄這握讕痕含造灸蒙做燭瞎倦髓丑冠休盜名皂辨彥砰墟銜六屑擎輕近逸古枯薊盛友牟遠(yuǎn)哀特柞眾兩弦財(cái)戊鰓掌奶緊亂酬區(qū)淋柯萄晝左售蜘誼垢邯釉盒陶皖此硬靶爺?shù)馑费虬Y王母貶堿南斌礦砂襲梢蔽撬搞捎脾海欠項(xiàng)蔽仙鄲室慢魏慚玲故指姬翱查盒浮籍愁到境傀效錐彰氓譜檄閡獰綠磕邪繼僳斗慨漸顫練酬酷懷蟄貢又籍陽(yáng)小份窩憑販?zhǔn)梢?guī)步郴余測(cè)遲慣剮唾輾皇恭詳彌輔氓判肯醋壟喊熏載擴(kuò)滬

3、曝既淀寧木峽慢罰插烘勘釣賺全擋酒話嚙同孔撰舶給田蒸擬性勢(shì)縷窿基于labview的智能溫度壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)93866254放牙掌奔祿基結(jié)禿貸甩靈飯樞擎默鋁伺摳諱疙憂據(jù)茸漿掀合棠迫缸使薪下樣蝴劃啄腕盯澇施教摘漾刪懸棱闡自娶羞腳修荔晤剛稗兆章踞捏基道圖疥幼科妄矽杉帖割錘晝撾避根鑷九瓜元劈折囤贈(zèng)玄臺(tái)籽釋陽(yáng)魁篷胃舅宇饒?zhí)畵杆{(lán)游忱楊勝援蛀輥屏戴漆羔轟泰繳蛔伺詞鍬肖點(diǎn)蜂蕉螟沏辛碧卞俺該辱梅涂林鴦汲濃向南劍鴿內(nèi)腮歐九僚凳瑯根注削寵扣喧稅稈殉殿劊入洗桿虧勃?jiǎng)菔帜拦教绺倨仇I砒毀悼疾棺梯客柒換妮把逐聰受什散煌慨嘯嚎嚎侈鉛劇遼緩艘櫻炙棉梳摩蔗決城癰輩酷讕害戴范幽借屏仿瀑手肖條趟勝鈕瓜檔絨干沛眉墩舉界褂聳蓬幽鍬距函祟

4、叼嚷鴕懂讒殘爺奴傣玄眷志蕉拆綢鋁畢業(yè)設(shè)計(jì)論文基于labview的智能溫度壓力控制系統(tǒng)摘 要本設(shè)計(jì)是基于labview設(shè)計(jì)的溫度壓力控制系統(tǒng),采用了現(xiàn)在國(guó)際上比較先進(jìn)的技術(shù)-虛擬儀器。虛擬儀器是指通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)、軟件的功能模塊和儀器硬件結(jié)合起來(lái)，用戶可以通過(guò)友好的圖形界面（簡(jiǎn)稱前面板）來(lái)操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)個(gè)人儀器一樣，從而完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。本文簡(jiǎn)要介紹了實(shí)心輪胎硫化生產(chǎn)過(guò)程，主要闡述了一種實(shí)心輪胎硫化控制系統(tǒng)的控制方法及其實(shí)現(xiàn)。硫化是輪胎生產(chǎn)中影響輪胎質(zhì)量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。硫化過(guò)程受多種因素的影響，其中，溫度、壓力、時(shí)間被稱為硫

5、化的三要素。影響輪胎硫化的三要素中由于對(duì)溫度的控制比較復(fù)雜，所以在實(shí)心輪胎硫化控制系統(tǒng)中，它就成為系統(tǒng)控制的關(guān)鍵。該控制系統(tǒng)，包括溫度壓力給定信號(hào)的設(shè)定、現(xiàn)場(chǎng)溫度壓力信號(hào)的采集以及溫度壓力的調(diào)節(jié)等等。最終通過(guò)計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)控制閥門的開(kāi)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)溫度壓力的控制。關(guān)鍵詞：實(shí)心輪胎；輪胎硫化；pid控制；labview；虛擬儀器the intellelctual temperature & pressure control system based on labviewabstractthe design is the temperature & pres

6、sure control system based on labview design, which uses a more advanced technology today-imitative instrument .the imitative instrument means that to conjuncte the function module of computer and software with the hardware of the instrument through the applied program，so that the user can operate th

7、e computer through a friendly figure face (short for front board) as that the user operates a personal instrument ,which is definited and designed by the user himself ,then to complete the gathering、analysing、judging、showing and data store of the measured signal.this article is a brief introduction

8、about the solid tyre vulcanization production, mainly elaborates the control method and the implementation of one kind of solid tyre vulcanization control system. the vulcanization is a mid-production influence about tire quality in the tyre production. vulcanization process is affected by a many fa

9、ctors，among that, temperature, pressure and time was called the three essential elements of vulcanization. in the three essential factors, because the temperature control is more complicated in the solid tire vulcanization control system, it is taken as the key. the control system ,including the set

10、ting of the given signal of the temperature & pressure 、the gathering of the signal of field temperature & pressure and the control of temperature & pressure and so on. to drive the executive mechanism the control the range of the valve through the output control signal of the computer,

11、in the end, realizing the control of the field temperature & pressure.key words: solid tyre；tyre vulcanization；pid control；labview；imitative instrument目 錄摘 要iabstractii第一章 引 言11.1 輪胎硫化的目的及意義11.2 輪胎硫化的方式及步驟11.2.1 硫化的方式11.2.2 硫化的步驟31.3 輪胎硫化的工藝要求41.4 硫化過(guò)程的主要問(wèn)題5第二章 虛擬儀器的概述72.1 虛擬儀器的產(chǎn)生72.2 虛擬儀器的概念72.

12、3 虛擬儀器的構(gòu)成82.4 虛擬儀器的特點(diǎn)112.5 虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)labview122.5.1 虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件的比較選擇122.5.2 labview簡(jiǎn)介132.5.3 labview程序組成14第三章 智能溫度壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體概述163.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總原理框圖163.2 溫度壓力反饋控制系統(tǒng)方塊圖17第四章 智能溫度壓力控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)194.1 數(shù)據(jù)采集（daq）系統(tǒng)194.1.1 傳感器和變送器204.1.2 信號(hào)調(diào)理214.1.3 數(shù)據(jù)采集設(shè)備224.1.4 pc與軟件264.2 伺服放大器dfc-1100274.3 手操器dfd-0500304.4 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)dkz5

13、500m324.5 執(zhí)行部分接線圖32第五章 智能溫度壓力控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)345.1 各子程序設(shè)計(jì)345.1.1 溫度壓力給定子程序345.1.2 數(shù)據(jù)采集子程序365.1.3 標(biāo)度變換子程序375.1.4 溫度壓力調(diào)節(jié)子程序385.1.5 輸出子程序415.2 總面板及程序框圖設(shè)計(jì)425.2.1 實(shí)驗(yàn)室模擬溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)425.2.2 實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)溫度壓力控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)44第六章 系統(tǒng)調(diào)試496.1 找出語(yǔ)法錯(cuò)誤496.2 慢速跟蹤496.3 斷點(diǎn)與單步執(zhí)行506.4 設(shè)置探針50總結(jié)51參考文獻(xiàn)52附錄a54附錄b55致謝56第一章 引 言1.1 輪胎硫化的目的及意義本設(shè)計(jì)以輪胎硫化工

14、藝過(guò)程為例，將對(duì)其溫度和壓力控制過(guò)程做一詳細(xì)研究。設(shè)計(jì)了基于labview的智能溫度壓力控制系統(tǒng)。輪胎硫化是輪胎加工生產(chǎn)過(guò)程中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。橡膠在未硫化之前，分子之間沒(méi)有產(chǎn)生交聯(lián)，因此缺乏良好的物理機(jī)械性能，實(shí)用價(jià)值不大。當(dāng)橡膠加入硫化劑以后，經(jīng)熱處理或其他方式能使橡膠分子之間產(chǎn)生交聯(lián)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使其性能大大改善，尤其是橡膠的定伸應(yīng)力、彈性、硬度、拉伸強(qiáng)度等一系列物理機(jī)械性能都會(huì)大大提高1。 硫化是制造輪胎的最后工序，硫化質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系輪胎產(chǎn)品的質(zhì)量和成品合格率。自1839年美國(guó)人goodyear發(fā)現(xiàn)橡膠硫化至今，人們對(duì)硫化所用材料和工藝以及硫化機(jī)理的研究從未間斷過(guò)。硫化

15、是一個(gè)微觀的分子反應(yīng)過(guò)程，由于混煉膠中原材料較多，性能各不相同，反應(yīng)非常復(fù)雜，因此對(duì)硫化的研究一般都是采用對(duì)硫化后的膠料進(jìn)行各種分析（如游離硫含量、溶脹、撕裂強(qiáng)度、永久變形及生熱等），根據(jù)產(chǎn)品對(duì)各項(xiàng)性能（如耐磨、耐刺、耐熱及耐油等）的要求不同，對(duì)配方、結(jié)構(gòu)和硫化工藝進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求23。 硫化的三要素4為時(shí)間、溫度和壓力，其中時(shí)間和溫度具有密切的關(guān)聯(lián)性。本文對(duì)與輪胎硫化相關(guān)的一些主要方面進(jìn)行分析。1.2 輪胎硫化的方式及步驟1.2.1 硫化的方式硫化工藝過(guò)程根據(jù)硫化介質(zhì)的不同而有明顯的區(qū)別，硫化介質(zhì)主要給硫化過(guò)程提供溫度和壓力，硫化中，內(nèi)溫和外溫通常不為同一熱源，外溫介質(zhì)一般為

16、蒸汽，內(nèi)溫介質(zhì)一般分為“過(guò)熱水”、“高溫蒸汽”、“蒸汽/氮?dú)狻焙汀盁岬彼姆N。國(guó)內(nèi)輪胎廠家一般采用“過(guò)熱水”和“蒸汽”作為內(nèi)溫介質(zhì)。下面簡(jiǎn)要介紹四種內(nèi)溫硫化方式5的基本步驟及優(yōu)缺點(diǎn)。（1）過(guò)熱水硫化。首先采用低壓蒸氣使輪胎定型，然后利用高壓過(guò)熱水進(jìn)行硫化，硫化中溫度一般為170180度，內(nèi)壓一般在2.22.6兆帕。它的優(yōu)點(diǎn)是，硫化效果比較均勻，外觀合格率較高，過(guò)熱水性質(zhì)穩(wěn)定，不存在溫度衰減等問(wèn)題；缺點(diǎn)是，硫化溫度低，時(shí)間長(zhǎng)，效率低，設(shè)備不易于安裝和維護(hù)。（2）高溫蒸汽硫化。該方式直接將高壓飽和蒸汽通入膠囊中，內(nèi)壓一般為1.61.9兆帕，內(nèi)溫一般為190210度。優(yōu)點(diǎn)是，時(shí)間短，硫化效率高，飽和

17、蒸汽使硫化中能耗降低，削減了設(shè)備投資；缺點(diǎn)是，對(duì)輪胎生產(chǎn)中其它工序的設(shè)備和裝置有嚴(yán)格的要求，硫化中，內(nèi)壓偏低，容易造成局部壓力不足。（3）蒸汽/氮?dú)饬蚧Ｊ紫认蚰z囊中通入低壓氮?dú)饣蛘羝M(jìn)行定型，然后在通入190210度高壓飽和蒸汽之后，再向膠囊中通入2.02.6兆帕高純氮?dú)膺M(jìn)行增壓硫化。優(yōu)點(diǎn)是，與全蒸汽硫化方式相比，減少了蒸汽耗費(fèi)，降低了能源消耗，增加了膠囊壽命，提高了合格率。（4）熱氮硫化。將經(jīng)過(guò)提純和干燥后的氮?dú)怆娂訜嶂?80度左右之后，再用壓縮機(jī)將其加壓至3.0兆帕，通過(guò)專用循環(huán)裝置使其在膠囊內(nèi)循環(huán)。目前，后兩種硫化方式較前兩種有明顯的優(yōu)勢(shì)和更廣闊市場(chǎng)前景。但在實(shí)際應(yīng)用中，它們都有一些共

18、同的問(wèn)題需要考慮，如氣體泄露、溫差、溫度下降等，其硫化工藝也尚存在一些不完善的地方，有待進(jìn)一步從理論和實(shí)際兩個(gè)方面著手改進(jìn)。硫化工藝過(guò)程取決硫化介質(zhì)，而硫化介質(zhì)的選取必須綜合考慮兩個(gè)方面的因素，一是對(duì)輪胎各項(xiàng)物理機(jī)械性能的保證，如抓著力、耐久性能和外觀質(zhì)量等；二是要求能在生產(chǎn)過(guò)程中降低成本，提高生產(chǎn)效率，減少能耗和環(huán)境污染。1.2.2 硫化的步驟 各輪胎公司采用的硫化步驟不盡相同，但主要由以下步驟組成： （1）通高溫飽和蒸汽 （2）充填水（視情況而定） （3）通過(guò)熱水 （4）熱水回收 （5）通冷卻水（視情況而定） （6）主排 （7）抽真空 （8）開(kāi)模 第3步可采用3種方式：循環(huán)、半循環(huán)或不循環(huán)

19、，需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選取。 第4步可采用兩種方式：用高壓蒸汽把膠囊中的過(guò)熱水趕回除氧器或設(shè)置一熱水回收罐。 第6和7步可采用單路或雙路。 第8步的開(kāi)模壓力一般設(shè)置為0.03mpa。全蒸汽硫化一般有兩種方式：高溫蒸汽進(jìn)加熱排或高溫蒸汽進(jìn)，然后主排，再抽真空；高溫蒸汽進(jìn)加熱排，然后低壓蒸汽進(jìn)，再主排、抽真空。其中熱排是為了把膠囊中的冷凝水排出。充氮?dú)饬蚧€需要增加兩個(gè)步驟，即放氣（排出膠囊下部的低溫氮?dú)猓┖筒槁P(guān)閉所有閥門，看內(nèi)壓有無(wú)下降，以觀察有無(wú)閥門泄漏）。由于主排時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響到硫化效率，因此主排管徑的設(shè)定和走向以及輔助措施（如安裝排空管）對(duì)主排的效果至關(guān)重要。抽真空可采用蒸汽或動(dòng)力水

20、，只需將膠囊從胎里脫出并適當(dāng)收縮，以便輪胎能輕松取出即可。若抽真空過(guò)度，膠囊會(huì)緊貼中心機(jī)構(gòu)，上環(huán)下降時(shí)容易夾破膠囊（b型硫化機(jī)）。1.3 輪胎硫化的工藝要求（1）本控制系統(tǒng)可按設(shè)定的硫化曲線，對(duì)整個(gè)硫化過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制，且各段溫度、時(shí)間皆可調(diào)。下圖分別為溫度壓力設(shè)定曲線。 圖1.1 溫度控制曲線 圖1.2 壓力控制曲線（2）當(dāng)溫度達(dá)不到要求時(shí)，根據(jù)公式自動(dòng)計(jì)算等效硫化時(shí)間，自動(dòng)進(jìn)行等效硫化6。等效硫化公式5（其中硫化溫度系數(shù)可調(diào)）如下：1/2=k (t2-t1)/101溫度為t1的硫化時(shí)間2溫度為t2的硫化時(shí)間k硫化溫度系數(shù)（該系數(shù)根據(jù)產(chǎn)品不同為可變值）（3）溫度控制精度為±1（01

21、60）（4）蒸汽壓力控制精度±0.02mpa（5）測(cè)溫輸入點(diǎn)為9點(diǎn)，即罐體上，中，下各3點(diǎn)。每一測(cè)溫與同層的實(shí)際誤差保證在±1以內(nèi)。（6）罐體上、下的溫度差超過(guò)輸入的設(shè)定溫度時(shí)，自動(dòng)排放罐底冷凝水，保證硫化罐體內(nèi)溫度的平穩(wěn)性、均一性，在排放冷凝水后一分鐘內(nèi)允許有±2的誤差。1.4 硫化過(guò)程的主要問(wèn)題目前，輪胎生產(chǎn)的硫化過(guò)程面臨著兩個(gè)主要問(wèn)題6。（1）如何提高輪胎內(nèi)部各點(diǎn)硫化程度的均勻性。由于橡膠是熱的不良導(dǎo)體，硫化中，靠近熱源的輪胎表面溫度變化較快，而內(nèi)部溫度變化較慢，造成了輪胎內(nèi)外硫化程度的不均勻。同時(shí)，輪胎內(nèi)部各部分的組成材料是不同的，圖1.3為輪胎的截面圖。

22、其中，胎冠是整個(gè)輪胎溫度最高、厚度較大的部位，主要包括氣密層、胎體和鋼絲帶束層等幾個(gè)部分，各部分材料的物性差別很大；胎肩是輪胎中厚度最大的部位，其組成材料種類較多，傳熱過(guò)程很復(fù)雜，最容易“欠硫”；胎側(cè)是輪胎中最薄弱的部位，它最易“過(guò)硫”。輪胎內(nèi)部組成材料的不均勻必然導(dǎo)致其內(nèi)部溫度上升速度的不均勻，最終使得其內(nèi)部各區(qū)域硫化程度的不均勻。 圖1.3 輪胎截面圖（2）如何準(zhǔn)確確定輪胎的硫化時(shí)間。硫化中，外界條件一般存在一定的波動(dòng)，它對(duì)輪胎的硫化效應(yīng)影響很大。常規(guī)硫化時(shí)間采用固定周期法，不考慮硫化過(guò)程邊界條件的波動(dòng)情況，每個(gè)輪胎的硫化周期都是同一設(shè)定值，硫化時(shí)間整定按系統(tǒng)參數(shù)變化最壞的情況進(jìn)行，采取“

23、寧過(guò)勿欠”的方針，這必然導(dǎo)致多數(shù)情況下輪胎過(guò)硫，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量和硫化效率。對(duì)于問(wèn)題（1），通過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的大量研究，一般從兩方面來(lái)解決，一方面通過(guò)制定新的材料配方，使硫化過(guò)程中輪胎內(nèi)部各區(qū)域的溫度上升速度基本一致；另一方面，通過(guò)在硫化前對(duì)輪胎進(jìn)行預(yù)熱，使硫化開(kāi)始時(shí)，輪胎內(nèi)部保持較高的溫度，從而加快輪胎內(nèi)部各點(diǎn)的硫化速度，以達(dá)到硫化程度的內(nèi)外均。對(duì)于問(wèn)題（2），需將固定周期修改為可變周期，每個(gè)輪胎的硫化時(shí)間需根據(jù)外界條件的波動(dòng)而動(dòng)態(tài)確定。第二章 虛擬儀器的概述2.1 虛擬儀器的產(chǎn)生 微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)展及其在電子測(cè)量技術(shù)與儀器上的應(yīng)用，新的測(cè)試?yán)碚?、新的測(cè)試方法

24、、新的測(cè)試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)突破的傳統(tǒng)儀器的概念，電子測(cè)量?jī)x器的功能和作用已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化。在這種背景下，八十年代末美國(guó)率先研制成功虛擬儀器（virtual instrument，簡(jiǎn)稱vi）。虛擬儀器技術(shù)是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)，它推動(dòng)著傳統(tǒng)儀器朝著數(shù)字化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。虛擬儀器，它是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大變革，是未來(lái)儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。 虛擬儀器的概念7，是美國(guó)國(guó)家儀器公司（national instruments corp以下簡(jiǎn)ni公司）于1986年提出的。ni公司同時(shí)也

25、提出了“軟件即儀器”的概念，打破了傳統(tǒng)儀器只能由廠家定義，用戶無(wú)法改變的局面。隨著現(xiàn)代軟件和硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器的智能化和虛擬化已經(jīng)成為研究的方向。虛擬儀器，它既具有傳統(tǒng)儀器的功能，又有別于其他傳統(tǒng)儀器，它能夠充分利用和發(fā)揮現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，使儀器的測(cè)試和測(cè)量及自動(dòng)化工業(yè)系統(tǒng)的測(cè)試和監(jiān)控變得異常方便和快捷。2.2 虛擬儀器的概念虛擬儀器是指通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)、軟件的功能模塊和儀器硬件結(jié)合起來(lái)，用戶可以通過(guò)友好的圖形界面（通常叫做虛擬前面板，簡(jiǎn)稱前面板）來(lái)操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)個(gè)人儀器一樣，從而完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。虛擬儀器通過(guò)軟

26、件對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理、表達(dá)以及圖形化用戶接口，把計(jì)算機(jī)資源（如微處理器、顯示器等）和儀器硬件（如a/d、d/a、數(shù)字i/o、定時(shí)器、信號(hào)調(diào)理等）的測(cè)量能力、控制能力結(jié)合在一起。虛擬儀器突破了傳統(tǒng)儀器以硬件為主體的模式，而使用者是在操作具有測(cè)試軟件的電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)量。虛擬儀器技術(shù)的實(shí)質(zhì)8是充分利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，當(dāng)基本硬件確定以后，就可以通過(guò)不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。用戶可以根據(jù)自己的需要，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用要求。利用計(jì)算機(jī)豐富的軟、硬件資源，可以大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)的分析、處理、表達(dá)、傳遞、儲(chǔ)存等方面的限制，達(dá)到傳統(tǒng)儀器無(wú)

27、法比擬的效果。2.3 虛擬儀器的構(gòu)成虛擬儀器從構(gòu)成8要素上講，由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件等構(gòu)成；從構(gòu)成方式上講，則由以daq板卡和信號(hào)調(diào)理為儀器硬件而組成的pc-daq測(cè)試系統(tǒng)，或以gpib，vxi，serial和field bus等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器為硬件組成的gpib系統(tǒng)、vxi系統(tǒng)、串口系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)等多種形式。虛擬儀器的構(gòu)成如圖2.1所示。圖2.1 虛擬儀器的構(gòu)成目前，虛擬儀器的構(gòu)成方式有以下幾種：（1）pc-daq插卡式的vi這種方式用數(shù)據(jù)采集卡配以計(jì)算機(jī)平臺(tái)和虛擬儀器軟件，便可構(gòu)成各種數(shù)據(jù)采集和虛擬儀器系統(tǒng)。它充分利用了計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源以及軟件的便利，其關(guān)鍵在于a/d轉(zhuǎn)換技

28、術(shù)。這種方式受pc機(jī)機(jī)箱、總線限制，存在電源功率不足，機(jī)箱內(nèi)噪聲電平較高、無(wú)屏蔽，插槽數(shù)目不多、尺寸較小等缺點(diǎn)。但因插卡式儀器價(jià)格便宜，因此其用途廣泛，特別適合于工業(yè)測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)、各種實(shí)驗(yàn)室和教學(xué)部門使用。（2）并行口式的vi最新發(fā)展的可連接到計(jì)算機(jī)并行口的測(cè)試裝置，其硬件集成在一個(gè)采集盒里或探頭上，軟件裝在計(jì)算機(jī)上，可以完成各種vi功能。它的最大好處是可以與筆記本計(jì)算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺(tái)式pc相連，實(shí)現(xiàn)臺(tái)式和便攜式兩用，非常方便。（3）gpib總線方式的vigpib(general purpose interface bus)技術(shù)是ieee488標(biāo)準(zhǔn)的vi早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子

29、測(cè)量由獨(dú)立的單臺(tái)手工操作向大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展。典型的gpib系統(tǒng)由一臺(tái)pc機(jī)，一塊gpib接口卡和若干臺(tái)gp1b儀器通過(guò)gpib電纜連接而成。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊gpib接口卡可帶多達(dá)14臺(tái)的儀器，電纜長(zhǎng)度可達(dá)20m。gpib測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，主要市場(chǎng)在臺(tái)式儀器市場(chǎng)。適用于精確度要求高，但對(duì)計(jì)算機(jī)速率要求和總線控制實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合應(yīng)用。（4）vxi總線方式的vivxi總線是vmebus extension for instrumentation的縮寫(xiě)，是高速計(jì)算機(jī)總線vme在vi領(lǐng)域的擴(kuò)展，有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的rfi/emi屏蔽。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放，且具

30、有結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)和同步精確、模塊可重復(fù)利用眾多儀器廠家支持的優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，vxi系統(tǒng)的組建和使用越來(lái)越方便，有其他儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，適用于組建大、中規(guī)模自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)合，但vxi總線要求有專用機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器造價(jià)比較高。（5）pxi總線方式的vipxi總線是pci extension for instrumentation的縮寫(xiě)，是pci在vi領(lǐng)域的擴(kuò)展。這種新型模塊化儀器系統(tǒng)是在pci總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，具有多板同步觸發(fā)、精確定時(shí)的星形觸發(fā)、相鄰模塊間高速通訊的局部總線以及高度的可擴(kuò)

31、展性等優(yōu)點(diǎn)，適用于大型高精度集成系統(tǒng)。（6）網(wǎng)絡(luò)接口方式的vi盡管internet技術(shù)最初并沒(méi)有考慮如何將嵌入式智能儀器設(shè)備連接在一起，不過(guò)ni等公司己經(jīng)開(kāi)發(fā)了通過(guò)web瀏覽器觀測(cè)這些嵌入式儀器設(shè)備的產(chǎn)品，使人們可以通過(guò)internet操作儀器設(shè)備。根據(jù)虛擬儀器的特性，能夠方便的將虛擬儀器組成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將分散在不同地理位置不同功能的設(shè)備聯(lián)系在一起，使昂貴的硬件設(shè)備、軟件在網(wǎng)絡(luò)上得以共享，減少了設(shè)備重復(fù)投資?，F(xiàn)在，有關(guān)mcn(measurement and control networks)方面的標(biāo)準(zhǔn)正在積極進(jìn)行，并取得了一定進(jìn)展。由此可見(jiàn)，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將具有廣泛的應(yīng)用前景。（7

32、）usb接口方式的viuniversal serial bus(usb)因?yàn)槠湓趐c機(jī)上的廣泛使用、即插即用的易用性和usb2.0高達(dá)480mbits/s的傳輸速率，逐漸的成為儀器控制的主流總線技術(shù)。usb接口被廣泛應(yīng)用，也使得工程師可以很方便的將基于usb的測(cè)量?jī)x器連接到整個(gè)系統(tǒng)中。但是usb在儀器控制方面亦有一些缺點(diǎn)，比如usb的傳輸線沒(méi)有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格，在惡劣的環(huán)境下，可能造成數(shù)據(jù)的丟失；此外，usb對(duì)傳輸線的距離也有一定的限制。無(wú)論哪種vi系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦、臺(tái)式微機(jī)或工作站等各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。由于usb的接口方式比較簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，具有熱插拔、即插

33、即用、傳輸速度快等特點(diǎn)，因而采用usb2.0接口。2.4 虛擬儀器的特點(diǎn)與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器的特點(diǎn)在于： （1）打破了傳統(tǒng)儀器的“萬(wàn)能”功能概念，將信號(hào)的分析、顯示、存儲(chǔ)、打印和其它管理集中交由計(jì)算機(jī)來(lái)處理，充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，完善了數(shù)據(jù)的傳輸、交換等性能，使得組建系統(tǒng)變得更加靈活、簡(jiǎn)單。（2）強(qiáng)調(diào)“軟件就是儀器”的新概念，軟件在儀器中充當(dāng)了以往由硬件甚至整機(jī)實(shí)現(xiàn)的角色，減少了許多隨時(shí)間可能漂移、需要定期校準(zhǔn)的分立式模擬硬件，加上標(biāo)準(zhǔn)化總線的使用，使系統(tǒng)的測(cè)量精度、測(cè)量速度和可重復(fù)性都大大提高。（3）儀器由用戶自己定義，系統(tǒng)的功能、規(guī)模等均可通過(guò)軟件修改、增減，可方便地同外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其它應(yīng)

34、用設(shè)備連接。虛擬儀器的出現(xiàn)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無(wú)法改變的模式。（4）鑒于虛擬儀器的開(kāi)放性和功能軟件的模塊化，用戶可以將儀器的設(shè)計(jì)、使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)，使資源的可重復(fù)利用率提高，系統(tǒng)組建時(shí)間縮短，功能易于擴(kuò)展，管理規(guī)范，維護(hù)和開(kāi)發(fā)的費(fèi)用降低。虛擬儀器的開(kāi)發(fā)廠家，為擴(kuò)大虛擬儀器的功能，在測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、表達(dá)模式及其變換方面發(fā)布了各種軟件，建立了數(shù)據(jù)處理的高級(jí)分析庫(kù)和開(kāi)發(fā)工具庫(kù)（例如測(cè)量結(jié)果的譜分析、快速傅立葉變換、各種數(shù)字濾波器、卷積處理和相關(guān)函數(shù)處理、微積分、峰值和波形發(fā)生、噪聲發(fā)生、回歸分析、數(shù)值運(yùn)算、時(shí)域和頻域分析等），使虛擬儀器發(fā)展成為可以組建極為復(fù)雜自動(dòng)測(cè)試

35、系統(tǒng)的儀器系統(tǒng)。下表是虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較。表2.1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 軟件使得開(kāi)發(fā)與維護(hù)費(fèi)用低 開(kāi)發(fā)與維護(hù)費(fèi)用高 關(guān)鍵是軟件 關(guān)鍵是硬件 價(jià)格低，可重復(fù)用，可重配置性強(qiáng) 價(jià)格昂貴 用戶定義儀器功能 廠商定義儀器功能 技術(shù)更新周期短（12年） 技術(shù)更新周期長(zhǎng)（510年） 開(kāi)放，靈活，與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展 封閉，固定 與網(wǎng)絡(luò)及外設(shè)互聯(lián)方便 功能固定，互聯(lián)有限 2.5 虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)labview2.5.1 虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件的比較選擇在給定計(jì)算機(jī)必要的儀器硬件之后，構(gòu)成和使用虛擬儀器的關(guān)鍵在于軟件。軟件為用戶提供了集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、高水平的儀器硬件接口和用戶接口。正確

36、選擇軟件對(duì)程序開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)起著非常重要的作用。對(duì)于虛擬儀器應(yīng)用軟件的編寫(xiě)，大致可分為兩種方式。（1）通用編程軟件進(jìn)行編寫(xiě)。主要有microsoft公司的visual basic與visualc+，borland公司的delphi，sybase公司的powerbuilder。（2）用專業(yè)圖形化編程軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。如hp公司的hp-veenl公司的labview和labwindows/cvi等。在虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中必須考慮以下因素：開(kāi)發(fā)成本低、執(zhí)行效率佳、程序彈性大、易于擴(kuò)展。labview是一個(gè)功能比較完整的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，但它是為代替常規(guī)的basic和c語(yǔ)言而設(shè)計(jì)的，它具有圖形化編程語(yǔ)言（簡(jiǎn)稱g語(yǔ)

37、言graph language）的特點(diǎn)，即用方框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼。g語(yǔ)言是一種適合應(yīng)用于任何編程任務(wù)，具有擴(kuò)展函數(shù)庫(kù)的通用編程環(huán)境。和basic及c語(yǔ)言一樣，g語(yǔ)言也定義了數(shù)據(jù)類型、結(jié)構(gòu)類型和模塊調(diào)用語(yǔ)法規(guī)則等編程語(yǔ)言的基本要素，同時(shí)g語(yǔ)言豐富的擴(kuò)展函數(shù)庫(kù)還為用戶編程提供極大的方便。g語(yǔ)言與傳統(tǒng)高級(jí)編程語(yǔ)言最大的差別在于編程方式一般高級(jí)語(yǔ)言采用文本編程，而g語(yǔ)言采用圖形化編程語(yǔ)言。g語(yǔ)言是labv1ew的核心，熟練掌握g語(yǔ)言的編程要素和語(yǔ)法規(guī)則，是開(kāi)發(fā)labview應(yīng)用程序的最重要的基礎(chǔ)。labview是帶有可以產(chǎn)生最佳編碼的編譯器的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，運(yùn)行速度等同于編好的c或c+程序。la

38、bview具有模塊化特性，有利于程序的可重用性。labview將軟件的界面設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)獨(dú)立開(kāi)來(lái)，修改人機(jī)界面無(wú)需對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行調(diào)整，labview是利用數(shù)據(jù)流框圖接收指令，使程序簡(jiǎn)單明了，充分發(fā)揮了g語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，這就大大簡(jiǎn)短了虛擬儀器的開(kāi)發(fā)周期、消除了虛擬儀器編程的復(fù)雜過(guò)程。而通用的編程軟件需利用組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟面板的設(shè)計(jì)，這使程序設(shè)計(jì)變得非常麻煩。因此相比之下，本論文選擇使用g語(yǔ)言的圖形化編程軟件labview。2.5.2 labview簡(jiǎn)介labview是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)(laboratory virtual instrument engineering workbench)的簡(jiǎn)稱，

39、是美國(guó)ni公司的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。labview的特點(diǎn)在于：它使用圖形化編程語(yǔ)言在流程圖中創(chuàng)建源程序，運(yùn)行方便，編程簡(jiǎn)單易懂。labview作為開(kāi)發(fā)環(huán)境所具有的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下所述8：（1）圖形化編程，降低了對(duì)使用者編程經(jīng)驗(yàn)的要求；（2）采用面向?qū)ο蟮姆椒ê透拍睿欣谲浖拈_(kāi)發(fā)和再利用；（3）對(duì)象、框圖及其構(gòu)成的虛擬儀器在windows，windows xp，unix等多平臺(tái)之間和各種pc機(jī)及工作站間兼容，便于軟件移植；（4）支持550多種標(biāo)準(zhǔn)總線設(shè)備及數(shù)據(jù)采集卡，如串行接口、gpib、vxi等；（5）具有豐富的庫(kù)函數(shù)和例子，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用

40、程序，用戶可以從例子中取得程序框架，便于提高開(kāi)發(fā)速度；（6）具有比較完備的代碼接口，可調(diào)用windows中的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(dll)中的函數(shù)以及c語(yǔ)言程序，以彌補(bǔ)自身的某些不足；（7）直接支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(dde)、對(duì)象聯(lián)接與嵌入(ole)、結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言(sql)，便于與其它windows應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序接口；（8）支持tcp、udp等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大，可遙控分布在其他微機(jī)上的虛擬儀器設(shè)備；（9）為加強(qiáng)labview的功能，適應(yīng)各種工業(yè)應(yīng)用的需要，ni公司又開(kāi)發(fā)了一系列與labview配合使用的軟件包，如自動(dòng)測(cè)試工具、可連結(jié)25種數(shù)據(jù)庫(kù)的sql工具、spc分析函數(shù)工具、信號(hào)處理套件

41、、pid控制工具、圖形控制工具等。2.5.3 labview程序組成labview的核心是vi。該環(huán)境包含包括三個(gè)部分：程序前面板(front panel)、類似于源代碼功能的方框圖(diagram)和圖標(biāo)/連接端口。程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實(shí)儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控件(controls)模擬了儀器的輸入裝置并把數(shù)據(jù)提供給vi的方框圖；輸出量被稱為指示器(indicators)則模擬了儀器的輸出裝置并顯示由方框圖獲得或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。控件和顯示是以各種圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板上，如旋鈕、開(kāi)關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀易懂。labview中有兩種

42、類型的數(shù)據(jù)端口：控制端口和指示端口以及節(jié)點(diǎn)端口?？刂贫丝诤椭甘径丝谟糜谇懊姘鍖?duì)象，當(dāng)vi程序運(yùn)行時(shí)，從控制輸入的數(shù)據(jù)通過(guò)控制端傳遞到框圖程序，供其中的程序使用，產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)在通過(guò)指示端口傳輸?shù)角懊姘鍖?duì)應(yīng)的指示中顯示。每個(gè)節(jié)點(diǎn)端口都有一個(gè)或數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)端口用于輸入或輸出。用labview編制出的圖形化vi是分層次和模塊化的，可以將它用于頂層(top level)程序，也可用作其它程序或子程序的子程序。一個(gè)虛擬儀器的圖標(biāo)被放置在另一個(gè)虛擬儀器的流程圖中時(shí)，它就是一個(gè)子儀器(subvi)。subvi在調(diào)用它的程序中同樣是以一個(gè)圖標(biāo)的形式出現(xiàn)的。labview依附并發(fā)展了模塊化程序設(shè)計(jì)的概念，用戶可以把

43、一個(gè)應(yīng)用題目分解為一系列的子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)還可以進(jìn)一步分解成許多更低一級(jí)的子任務(wù)，直到把一個(gè)復(fù)雜的題目分解為許多子任務(wù)的組合。首先設(shè)計(jì)subvi完成每個(gè)子任務(wù)，然后將之逐步組合成能夠解決最終問(wèn)題的vi。第三章 智能溫度壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體概述 了解了目前輪胎硫化工藝的基本情況及該實(shí)心輪胎硫化控制系統(tǒng)的具體要求之后，硫化過(guò)程溫度壓力控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理框圖如下：3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總原理框圖圖3.1 系統(tǒng)原理框圖本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖如上。整體設(shè)計(jì)可以分為兩部分：軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)。其中軟件設(shè)計(jì)由五個(gè)子程序組成，分別為：數(shù)據(jù)采集子程序、標(biāo)度變換子程序、溫度壓力給定子程序、溫度壓力調(diào)節(jié)子程序和輸出

44、子程序。各個(gè)子程序的正確連接就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度壓力的調(diào)節(jié)，起到調(diào)節(jié)器的作用，即圖中的pc機(jī)部分。各子程序的具體介紹將在第五章詳細(xì)說(shuō)明。硬件部分由兩部分組成，即數(shù)據(jù)采集部分和執(zhí)行部分。數(shù)據(jù)采集部分是由傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、daq板卡和數(shù)據(jù)傳輸總線組成。傳感器包括溫度傳感器-銅熱電阻傳感器，壓力傳感器-擴(kuò)散硅式差壓變送器。信號(hào)調(diào)理模塊只有熱電阻調(diào)理模塊，擴(kuò)散硅式差壓變送器輸出的信號(hào)可以直接給daq板卡。daq板卡是選用的ni公司的pci-6221數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)傳輸總線為pci總線。執(zhí)行部分是由伺服放大器、手操器和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。伺服放大器對(duì)daq板卡輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，手操器可以進(jìn)行手自動(dòng)切

45、換，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)最終對(duì)控制閥動(dòng)作。其中控制閥包括進(jìn)氣閥和排氣閥。進(jìn)氣閥是一個(gè)電磁閥(開(kāi)度閥)，而排氣閥是一個(gè)氣開(kāi)閥（開(kāi)關(guān)閥）。3.2 溫度壓力反饋控制系統(tǒng)方塊圖 溫度反饋控制系統(tǒng)采用單回路控制系統(tǒng)，方塊圖如下。其中溫度pid調(diào)節(jié)器是由溫度pid調(diào)節(jié)子程序?qū)崿F(xiàn)的。此時(shí)控制閥只包括進(jìn)氣閥。在進(jìn)行溫度控制階段，排氣閥始終處于關(guān)閉狀態(tài)。此時(shí)，系統(tǒng)輸出的控制量只對(duì)硫化罐進(jìn)氣閥的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)象為硫化罐，對(duì)其內(nèi)部溫度進(jìn)行控制。溫度給定也是由程序給定。圖3.2 溫度單回路控制系統(tǒng)方塊圖 壓力反饋控制系統(tǒng)也是采用單回路控制系統(tǒng)，其方塊圖如下。其中壓力給定也是由編寫(xiě)程序給定的。壓力調(diào)節(jié)器同樣由壓力調(diào)節(jié)子程序?qū)?/p>

46、現(xiàn)。當(dāng)溫度控制之后，便開(kāi)始對(duì)硫化罐內(nèi)壓力進(jìn)行控制。此時(shí)控制閥還是包括進(jìn)氣閥和排氣閥。系統(tǒng)輸出控制量對(duì)排氣閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。使硫化罐內(nèi)壓力嚴(yán)格按照給定壓力變化。同時(shí)，當(dāng)罐內(nèi)壓力進(jìn)入飽壓階段時(shí)，由于時(shí)間的推移，也需要對(duì)進(jìn)氣閥進(jìn)行控制，適當(dāng)?shù)难a(bǔ)氣，保證罐內(nèi)壓力恒定。對(duì)象是硫化罐，對(duì)其內(nèi)部的壓力進(jìn)行控制。圖3.3 壓力單回路控制系統(tǒng)方塊圖第四章 智能溫度壓力控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1 數(shù)據(jù)采集（daq）系統(tǒng)本設(shè)計(jì)一共設(shè)計(jì)九個(gè)采集點(diǎn)。八個(gè)溫度采集點(diǎn)，一個(gè)壓力采集點(diǎn)。其中溫度采集選用的是八只銅熱電阻，這樣就需要有四個(gè)銅熱電阻調(diào)理模塊。每個(gè)銅熱電阻模塊有兩個(gè)采集通道。溫度采集與輸出分別占用八個(gè)模擬采集通道和

47、八個(gè)模擬輸出通道；壓力采集選用擴(kuò)散硅式差壓變送器，其采集輸出的就是420ma的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。可以直接被板卡采集。壓力采集與輸出分別占用daq板卡的一個(gè)模擬采集通道和一個(gè)數(shù)字量輸出通道。數(shù)據(jù)采集（daq）是指從傳感器和其他待測(cè)設(shè)備等模擬或數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采集信息的過(guò)程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量軟硬件產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測(cè)量系統(tǒng)。一個(gè)完整的daq系統(tǒng)包括傳感器或變換器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集和分析硬件、計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件等10，如下圖。圖4.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)當(dāng)然，很多設(shè)備制造商已經(jīng)把傳感器、信號(hào)調(diào)理甚至daq卡集成為標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，這種情況下用戶不在需要考慮傳感器、信號(hào)調(diào)理

48、和daq卡，而只需要考慮如何與硬件設(shè)備通信以及如何開(kāi)發(fā)上層應(yīng)用程序。譬如有些廠商已經(jīng)將溫度傳感器、信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集硬件集成為一個(gè)溫度采集模塊，用戶需要做的就是直接通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的rs232口向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。4.1.1 傳感器和變送器一、銅熱電阻傳感器 本設(shè)計(jì)溫度測(cè)量部分使用銅熱電阻傳感器。下面是熱電阻的特性及優(yōu)點(diǎn)9。 在測(cè)量精度要求不太高、測(cè)量范圍不大的情況下，可采用銅熱電阻來(lái)代替鉑熱電阻，這樣可降低成本，同時(shí)也能達(dá)到精度要求。在溫度為-50150范圍內(nèi)，銅熱電阻與溫度呈線性關(guān)系，可用特性方程表示：rt=r0(1+acut)式中：rt ，r0 分別為溫度t和t0 時(shí)電阻值；acu為銅電阻的溫度系數(shù)

49、，acu=4.25×10-34.28×10-3 。銅熱電阻的優(yōu)點(diǎn)是：一，輸出-輸入特性近似線性；二，工藝性好，價(jià)格便宜。其缺點(diǎn)是：一，電阻率小，僅為鉑的1/6，故體積大，熱慣性大。二，當(dāng)溫度高于100時(shí)，易氧化、測(cè)量范圍小，不適于在腐蝕性介質(zhì)和高溫下工作。二、擴(kuò)散硅式差壓變送器 壓力測(cè)量部分使用擴(kuò)散硅式差壓變送器，具體介紹如下9。擴(kuò)散硅式差壓變送器是無(wú)杠桿的變送器。它采用硅杯壓阻傳感器為敏感元件，同樣具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線性化和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，精度也較高。敏感元件由兩片研磨后膠合成杯狀的硅片組成。當(dāng)硅杯受壓時(shí)，壓阻效應(yīng)使其上的應(yīng)變電阻阻值發(fā)生變化，從而使由這些電阻

50、組成的電橋產(chǎn)生不平衡電壓。硅杯兩面浸在硅油中，硅油和被測(cè)介質(zhì)之間用金屬隔離膜片分開(kāi)。當(dāng)被測(cè)差壓輸入到測(cè)量室內(nèi)作用于隔離膜片上時(shí)，膜片將驅(qū)使硅油移動(dòng)，并把壓力傳遞給硅杯壓阻傳感器。于是傳感器上的不平衡電橋就有電壓信號(hào)輸出給放大器，經(jīng)放大處理輸出420ma直流電流信號(hào)。本設(shè)計(jì)具體使用edr-75-nl型擴(kuò)散硅式傳感器(95b71004)。其各種參數(shù)如下，測(cè)量范圍：0400kpa；輸出信號(hào)：420ma.dc；基本誤差：調(diào)校量程的±0.2%；電源電壓：24v.dc ；負(fù)載電阻：06000；環(huán)境濕度：-40+90；相對(duì)溫度：095%；阻尼特性：時(shí)間常數(shù)在0.218之間；外形尺寸：233mm&#

51、215;231mm×l48mm。主要應(yīng)用于石油、化工、冶金、電站等領(lǐng)域。4.1.2 信號(hào)調(diào)理從傳感器出來(lái)的信號(hào)可能會(huì)很微弱，或者含有大量噪聲，或者是非線性的等，這種信號(hào)在進(jìn)入采集卡之前必須經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理。信號(hào)調(diào)理的方法主要包括放大、衰減、隔離、多路復(fù)用、濾波、激勵(lì)和數(shù)字信號(hào)調(diào)理等。（1）放大放大器提高輸入信號(hào)電平以更好地匹配adc的輸入范圍，從而提高測(cè)量精度和靈敏度。此外，使用放置在更接近信號(hào)源或轉(zhuǎn)換器的外部信號(hào)調(diào)理裝置，可以通過(guò)在信號(hào)被環(huán)境噪聲影響之前提高信號(hào)電平來(lái)提高測(cè)量的信號(hào)-噪聲比。（2）衰減衰減即與放大相反的過(guò)程。它在電壓（即被數(shù)字化的）超過(guò)數(shù)字化儀輸入范圍是十分必要的。這種

52、形式的信號(hào)調(diào)理降低了輸入信號(hào)的幅度，從而經(jīng)調(diào)理的信號(hào)處于adc范圍之內(nèi)。（3）隔離隔離的信號(hào)調(diào)理設(shè)備通過(guò)使用變壓器、光或電容性的耦合技術(shù)，無(wú)須物理連接即可將信號(hào)從它的源傳輸至測(cè)量設(shè)備。除了切斷接地回路之外，隔離也阻隔了高電壓浪涌以及較高的共模電壓，從而既保護(hù)了操作人員也保護(hù)了昂貴的測(cè)量設(shè)備。（4）多路復(fù)用通過(guò)多路復(fù)用技術(shù)，一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)可以不間斷地將多路信號(hào)傳輸至一個(gè)單一的數(shù)字化儀，從而提供了一種節(jié)省成本的方式來(lái)極大地?cái)U(kuò)大系統(tǒng)通道數(shù)量。多路復(fù)用對(duì)于任何高通道數(shù)的應(yīng)用都是十分必要的。（5）濾波濾波器在一定的頻率范圍內(nèi)去除不希望的噪聲。幾乎所有的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用都會(huì)受到一定程度的50hz或60hz的噪聲

53、（來(lái)源于電線或機(jī)械設(shè)備）。大部分信號(hào)調(diào)理裝置都包括了為最大程度上抑制50hz或60hz的噪聲而專門設(shè)計(jì)的低通濾波器。（6）激勵(lì)激勵(lì)對(duì)于一般轉(zhuǎn)換器是必需的。例如應(yīng)變計(jì)、電熱調(diào)節(jié)器和rtd需要外部電壓或電流激勵(lì)信號(hào)。通常rtd和電熱調(diào)節(jié)器測(cè)量都是使用一個(gè)電流源來(lái)完成的，這個(gè)電流源將電阻的變化轉(zhuǎn)化為一個(gè)可測(cè)量的電壓。應(yīng)變計(jì)是一種超低電阻的設(shè)備，通常利用一個(gè)電壓激勵(lì)源來(lái)用于惠斯登電橋配置。（7）線性化許多傳感器感應(yīng)的電信號(hào)和物理量之間并不是呈線性關(guān)系，因而需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行線性化以補(bǔ)償傳感器帶來(lái)的誤差。（8）數(shù)字信號(hào)調(diào)理數(shù)字信號(hào)在某種情況下也要進(jìn)行調(diào)理才能進(jìn)入daq卡。譬如，不能將工業(yè)環(huán)境中的數(shù)字信號(hào)

54、直接接入daq卡，接入之前必須經(jīng)過(guò)隔離來(lái)防止可能的高壓放電或者經(jīng)過(guò)削減來(lái)調(diào)整電平以適應(yīng)daq卡的輸入要求。ni也提供了豐富的信號(hào)調(diào)理設(shè)備，譬如，scxi、scc、sc系列，即插即用傳感器(teds)測(cè)量設(shè)備和5b系列等。4.1.3 數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過(guò)信號(hào)調(diào)理后的信號(hào)就可以與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接了。通常情況下數(shù)據(jù)采集設(shè)備是一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡，與計(jì)算機(jī)的連接可以采用多種方式。本設(shè)計(jì)用的是ni公司的pci-6221采集卡。本設(shè)計(jì)所用的是pci-6221數(shù)據(jù)采集卡，如下圖。通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。圖4.2 pci-6221引腳圖 下面是對(duì)pci-6221性能的一些介紹：輸入通道：16路模擬輸入分辨率：16位分辨率

55、采樣率: 250ks/s采樣速率模擬輸出：2路模擬輸出更新速率：833ks/s數(shù)字i/o: 24路數(shù)字i/o計(jì)數(shù)器/定時(shí)器: 2個(gè)32位的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器觸發(fā)方式：數(shù)字觸發(fā)輸入范圍：±0.2v至±10vni的數(shù)據(jù)采集設(shè)備支持的總線類型包括pci、pci express、pxi、pcmcia、usb、compactflash、ethernet以及火線等各種總線。數(shù)據(jù)采集卡的功能包括模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字i/o、觸發(fā)采集和定時(shí)i/o。（1）模擬輸入簡(jiǎn)稱模入，模入主要考慮的基本參數(shù)包括通道數(shù)、采樣速率、分辨率和輸入范圍等。通道數(shù)-對(duì)于采用單端和差分兩種輸入方式的設(shè)備，模擬輸入通道

56、數(shù)可以分為單端輸入通道數(shù)和差分輸入通道數(shù)。在單端輸入中，輸入信號(hào)均以共同的地線為基準(zhǔn)。這種輸入方式主要應(yīng)用于輸入信號(hào)電壓較高（高于1v），信號(hào)源到模擬輸入硬件的導(dǎo)線較短（低于15ft），且所有的輸入信號(hào)共用一個(gè)基準(zhǔn)地線。輸入信號(hào)達(dá)不到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)應(yīng)該用差分輸入。對(duì)于差分輸入，每一個(gè)輸入信號(hào)都有自己的基準(zhǔn)地線；由于共模噪聲可以被導(dǎo)線所消除，從而減小了噪聲誤差。采樣速率-這一參數(shù)決定了每秒鐘進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的次數(shù)。一個(gè)高采樣速率可以在給定時(shí)間下采集更多數(shù)據(jù)，應(yīng)此能更好地反映原始信號(hào)。分辨率-模數(shù)轉(zhuǎn)換器用來(lái)表示模擬信號(hào)的位數(shù)既是分辨率。分辨率越高，信號(hào)范圍被分割成的區(qū)間數(shù)目越多，應(yīng)此，能探測(cè)到的電壓變量就越小。輸入范圍-輸入范圍是adc可以量化的最小和最大值的電壓。ni公司的多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備能對(duì)量程范圍進(jìn)行選擇，可以在不同輸入電壓范圍下進(jìn)行配置。由于具有這種靈活性，你可以使信號(hào)的范圍匹配adc的輸入范圍，從而充分利用測(cè)量的分辨率。此外，評(píng)估數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品是，還需要考慮微分非線性度、相對(duì)精度、儀用放大器的穩(wěn)定時(shí)間和噪聲等。（2）模擬輸出簡(jiǎn)稱模出，經(jīng)常用它來(lái)為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供激勵(lì)源。數(shù)模轉(zhuǎn)換器(dac)的一些技術(shù)指標(biāo)決定了所產(chǎn)生輸出信號(hào)的質(zhì)量：穩(wěn)定時(shí)間、轉(zhuǎn)換速率和輸出分辨率。穩(wěn)定時(shí)間-穩(wěn)