基于labview的智能温度压力控制系统.docx

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基于labview的智能温度压力控制系统

毕业设计论文

基于LabVIEW的智能温度压力控制系统

摘要

本设计是基于LabVIEW设计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、判断、显示、数据存储等。

本文简要介绍了实心轮胎硫化生产过程，主要阐述了一种实心轮胎硫化控制系统的控制方法及其实现。

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，所以在实心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，进而实现现场温度压力的控制。

关键词：

实心轮胎；轮胎硫化；PID控制；LabVIEW；虚拟仪器

TheIntellelctualTemperature&PressureControlSystemBasedOnLabVIEW

Abstract

Thedesignisthetemperature&pressurecontrolsystembasedonlabviewdesign,whichusesamoreadvancedtechnologytoday-imitativeinstrument.Theimitativeinstrumentmeansthattoconjunctethefunctionmoduleofcomputerandsoftwarewiththehardwareoftheinstrumentthroughtheappliedprogram，sothattheusercanoperatethecomputerthroughafriendlyfigureface（shortforfrontboard）asthattheuseroperatesapersonalinstrument,whichisdefinitedanddesignedbytheuserhimself,thentocompletethegathering、analysing、judging、showinganddatastoreofthemeasuredsignal.

Thisarticleisabriefintroductionaboutthesolidtyrevulcanizationproduction,mainlyelaboratesthecontrolmethodandtheimplementationofonekindofsolidtyrevulcanizationcontrolsystem.Thevulcanizationisamid-productioninfluenceabouttirequalityinthetyreproduction.Vulcanizationprocessisaffectedbyamanyfactors，Amongthat,temperature,pressureandtimewascalledthethreeessentialelementsofvulcanization.Inthethreeessentialfactors,becausethetemperaturecontrolismorecomplicatedinthesolidtirevulcanizationcontrolsystem,itistakenasthekey.Thecontrolsystem,includingthesettingofthegivensignalofthetemperature&pressure、thegatheringofthesignaloffieldtemperature&pressureandthecontroloftemperature&pressureandsoon.Todrivetheexecutivemechanismthecontroltherangeofthevalvethroughtheoutputcontrolsignalofthecomputer,intheend,realizingthecontrolofthefieldtemperature&pressure.

Keywords:

solidtyre；tyrevulcanization；PIDcontrol；LabVIEW；imitativeinstrument

第一章引言

一.1轮胎硫化的目的及意义

本设计以轮胎硫化工艺过程为例，将对其温度和压力控制过程做一详细研究。

设计了基于LabVIEW的智能温度压力控制系统。

轮胎硫化是轮胎加工生产过程中很重要的一个环节。

橡胶在未硫化之前，分子之间没有产生交联，因此缺乏良好的物理机械性能，实用价值不大。

当橡胶加入硫化剂以后，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]。

硫化是制造轮胎的最后工序，硫化质量的好坏，直接关系轮胎产品的质量和成品合格率。

自1839年美国人Goodyear发现橡胶硫化至今，人们对硫化所用材料和工艺以及硫化机理的研究从未间断过。

硫化是一个微观的分子反应过程，由于混炼胶中原材料较多，性能各不相同，反应非常复杂，因此对硫化的研究一般都是采用对硫化后的胶料进行各种分析（如游离硫含量、溶胀、撕裂强度、永久变形及生热等），根据产品对各项性能（如耐磨、耐刺、耐热及耐油等）的要求不同，对配方、结构和硫化工艺进行适当的调整，从而达到设计要求[2][3]。

硫化的三要素[4]为时间、温度和压力，其中时间和温度具有密切的关联性。

本文对与轮胎硫化相关的一些主要方面进行分析。

一.2轮胎硫化的方式及步骤

一.2.1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”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[5]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170~180度，内压一般在2.2~2.6兆帕。

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1.6~1.9兆帕，内温一般为190~210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190~210度高压饱和蒸汽之后，再向胶囊中通入2.0~2.6兆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。

一.2.2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，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）。

一.3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[6]。

等效硫化公式[5]（其中硫化温度系数可调）如下：

τ1/τ2=K（t2-t1）/10

τ1－温度为t1的硫化时间

τ2－温度为t2的硫化时间

K－硫化温度系数（该系数根据产品不同为可变值）

（3）温度控制精度为±1℃（0～160℃）

（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。

一.4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[6]。

（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。

第二章虚拟仪器的概述

二.1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（VirtualInstrument，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。

虚拟仪器的概念[7]，是美国国家仪器公司（NationalInstrumentsCorp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。

二.2虚拟仪器的概念

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（通常叫做虚拟前面板，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、判断、显示、数据存储等。

虚拟仪器通过软件对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口，把计算机资源（如微处理器、显示器等）和仪器硬件（如A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号调理等）的测量能力、控制能力结合在一起。

虚拟仪器突破了传统仪器以硬件为主体的模式，而使用者是在操作具有测试软件的电子计算机进行测量。

虚拟仪器技术的实质[8]是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。

软件是虚拟仪器的关键，当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。

用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。

利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪器在数据的分析、处理、表达、传递、储存等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。

二.3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Fieldbus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2.1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，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VI

GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）技术是IEEE488标准的VI早期的发展阶段。

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VI

VXI总线是VMEbuseXtensionforInstrumentation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。

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VI

PXI总线是PCIeXtensionforInstrumentation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（MeasurementandControlNetworks）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有广泛的应用前景。

（7）USB接口方式的VI

UniversalSerialBus（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。

由于USB的接口方式比较简单，通用性强，具有热插拔、即插即用、传输速度快等特点，因而采用USB2.0接口。

二.4虚拟仪器的特点

与传统仪器相比，虚拟仪器的特点在于：

（1）打破了传统仪器的“万能”功能概念，将信号的分析、显示、存储、打印和其它管理集中交由计算机来处理，充分利用计算机技术，完善了数据的传输、交换等性能，使得组建系统变得更加灵活、简单。

（2）强调“软件就是仪器”的新概念，软件在仪器中充当了以往由硬件甚至整机实现的角色，减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件，加上标准化总线的使用，使系统的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。

（3）仪器由用户自己定义，系统的功能、规模等均可通过软件修改、增减，可方便地同外设、网络及其它应用设备连接。

虚拟仪器的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式。

（4）鉴于虚拟仪器的开放性和功能软件的模块化，用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准，使资源的可重复利用率提高，系统组建时间缩短，功能易于扩展，管理规范，维护和开发的费用降低。

虚拟仪器的开发厂家，为扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库（例如测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、峰值和波形发生、噪声发生、回归分析、数值运算、时域和频域分析等），使虚拟仪器发展成为可以组建极为复杂自动测试系统的仪器系统。

下表是虚拟仪器与传统仪器的比较。

表2.1虚拟仪器与传统仪器的比较

虚拟仪器传统仪器

软件使得开发与维护费用低开发与维护费用高

关键是软件关键是硬件

价格低，可重复用，可重配置性强价格昂贵

用户定义仪器功能厂商定义仪器功能

技术更新周期短（1~2年）技术更新周期长（5~10年）

开放，灵活，与计算机同步发展封闭，固定

与网络及外设互联方便功能固定，互联有限

二.5虚拟仪器软件开发平台LabVIEW

二.5.1虚拟仪器开发软件的比较选择

在给定计算机必要的仪器硬件之后，构成和使用虚拟仪器的关键在于软件。

软件为用户提供了集成开发环境、高水平的仪器硬件接口和用户接口。

正确选择软件对程序开发和设计起着非常重要的作用。

对于虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为两种方式。

（1）通用编程软件进行编写。

主要有Microsoft公司的VisualBasic与VisualC++，Borland公司的Delphi，Sybase公司的PowerBuilder。

（2）用专业图形化编程软件进行开发。

如HP公司的HP-VEE

Nl公司的LabVIEW和LabWindows/CVI等。

在虚拟仪器系统的设计中必须考虑以下因素：

开发成本低、执行效率佳、程序弹性大、易于扩展。

LabVIEW是一个功能比较完整的软件开发环境，但它是为代替常规的BASIC和C语言而设计的，它具有图形化编程语言（简称G语言GraphLanguage）的特点，即用方框图代替了传统的程序代码。

G语言是一种适合应用于任何编程任务，具有扩展函数库的通用编程环境。

和BASIC及C语言一样，G语言也定义了数据类型、结构类型和模块调用语法规则等编程语言的基本要素，同时G语言丰富的扩展函数库还为用户编程提供极大的方便。

G语言与传统高级编程语言最大的差别在于编程方式一般高级语言采用文本编程，而G语言采用图形化编程语言。

G语言是LabV1EW的核心，熟练掌握G语言的编程要素和语法规则，是开发LabVIEW应用程序的最重要的基础。

LabVIEW是带有可以产生最佳编码的编译器的图形化开发环境，运行速度等同于编好的C或C++程序。

LabVIEW具有模块化特性，有利于程序的可重用性。

LabVIEW将软件的界面设计与功能设计独立开来，修改人机界面无需对整个程序进行调整，LabVIEW是利用数据流框图接收指令，使程序简单明了，充分发挥了G语言的优点，这就大大简短了虚拟仪器的开发周期、消除了虚拟仪器编程的复杂过程。

而通用的编程软件需利用组件技术实现软面板的设计，这使程序设计变得非常麻烦。

因此相比之下，本论文选择使用G语言的图形化编程软件LabVIEW。

二.5.2LabVIEW简介

LabVIEW是实验室虚拟仪