基于虚拟仪器的轮胎硫化温度、压力控制系统设计——数据库部分软件设计

基于虚拟仪器的轮胎硫化温度、压力控制系统设计——数据库部分软件设计内容摘要：

展。 有一种较普遍地说法将测量仪器的发展分为五个阶段，如图 所示。 模 拟 仪 器 虚 拟 仪 器智 能 仪 器数 字 仪 器电 子 仪 器1 9 世 纪 九 十 年 代七 十 年 代2 0 世 纪五 十 年 代图 测量技术的发展 从十九世纪初到二十世纪末，测量仪器经历了模拟 仪器、电子仪器、数字仪器、智能仪器等阶段，发展到现在的虚拟仪器。 模拟仪器主要有模拟式电压表、电流表等，这些仪表解决了当时对某些量的测量的需求。 从二十世纪初到五十年代左右，测量仪器的材料性能得到改善出现了电子管，同时测量理论和方法与电子技术、控制技术相结合，出现了以记录仪和示波器为代表的电子仪表五十年代以后随着晶体管和集成电路的出现以及应用电子技术的发展将数字技术成功地应用到测量仪器。 这时电子控制集成电路和计算机技术开始融为一体成为测量仪器的主要特征。 七十年代初第一片微处理器问世，微型计算机技术从此发展迅猛， 在其影响下测量仪器呈现出新的活力并取得了长足进步。 伴随微电子技术、计算机技术、网络技术的迅速发展及在电工电子测量技术领域的应用，测量仪器也不断进步和发展，出现了智能仪器。 智能仪器是将微机置于仪器内部，使仪器具有控制、存储、运算、逻辑判断及自动操作等智能特点，并在测量准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用能力及解决测量技术问题的深度和广度等方面都有明显的进步。 这种内置微处理器的仪器，既能进行自动测试又能完成数据处理，可取代部分的脑力劳动。 随着电子技术、微计算机技术的发展，智能仪器的智能水平不断提高。 但是在 数字化仪器、智能仪器阶段基本上没有摆脱传统仪器那种独立使用、手动操作的模式，难以胜任更复杂、多任务的测量需求。 为解决这样的问题，总线式内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 3 仪器与系统应运而生。 人们发明制造出 CAMAC、 RS232 和 GPIB 等多种仪器通讯接口总线，用于将多台智能仪器连在一起，以构成更复杂的测试系统。 1982 年美国西北仪器公司总裁德 伯克提出了微机化仪器的概念，也就是人们现在常提到的卡式仪器。 卡式仪器是虚拟仪器的雏形，是将传统独立式仪器的测量电路部分与接口部分集合在一起制成仪器功能卡，将其插入微机的内部插槽或外部插件箱中形成的仪器。 PC 总线仪器系统是卡式仪器的一种，它是利用 PC 机内部的总线，把若干块仪器卡插在 PC 机内部或外部扩展机箱内而组成的。 插卡总线机箱与 PC 机间的通信，可利用 RS23 GPIB 接口总线或以太网电缆等进行。 虽然许多厂家通过定义新的仪器总线，不断对卡式仪器进行改进，但其大多是在微机内总线的插槽上进行开发，没有统一标准，且各厂家生产的插卡尺寸大小不一，设备兼容性较差。 在这种情况下，用户自然会提出标准化的要求。 1987 年，美国的惠普和泰克等 5 家公司在 VME 总线的基础上，联合提出了一种新型总线系统VXI(VME eXtension For Instrumentation)总线，即由微机总线 VME 扩展而成的微机化仪器专用总线。 1997 年美国 NI 公司推出了一种新的仪器总线标准 PXI 总线标准。 制定 PXI 规范的目的是为了将 PC 的性能价格比优势和 PCI 总线面向仪器领域的必要扩展结合起来，以期形成一种主流的虚拟仪器测试平台。 相对 VXI 仪器，按 PXI总线标准制成的 PXI 仪器具有成本低、便于组成便携式测试系统等优点。 这些以PC 为核心、由测量功能软件支持，具有虚拟控制面板、必要仪器硬件和通信能力的 PC 仪器或 VXI 仪器就是虚拟仪器。 虚拟 仪器技术的出现，使得用户可以自己定义仪器，灵活地设计仪器系统，满足多种多样的实际需求。 随着虚拟仪器软件开发平台及硬件的发展，基于虚拟仪器的仪器系统的开发周期更短，费用更低，测量速度、准确度及可复用性提高，且更便于相应仪器系统的维护和扩展。 当今社会正处于一个正在高速发展的状态中，要在有限的时空内实现大量的信息交换，随之而来的是信息密度急剧增大，因而在研究和生产过程中要求数据采集系统对信息的处理速度越来越高，功能越来越强。 先进的数据采集系统，不仅希望设备能够单独进行数据采集，还希望他们之间能够互相通信，构成数 据采集系统，甚至是测试网络系统，实现信息共享，以便对众多的被测信号进行对比、综合和自动分析、从而得出准确的判断。 然而传统的数据采集仪器在此方面受到很大的限制。 基于虚拟仪器技术的数据采集系统的提出在一定程度上解决了传统数据采集所面临的问题，虚拟仪器数据采集系统成为当今数据采集系统发展的重要方向。 本内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 4 文正是在虚拟仪器技术的基础上对多通道数据采集系统进行了设计，实现多路信号的采集，并对实验数据进行实时显示、记录、分析处理。 虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新趋势和新方向，并且是信息技术的 重要领域扩充，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。 本章小结 本设计所做的工作 本设计以 两 个 采集 通道进行设计，从传感器来的模拟输入信号，经过信号调理后，输入到 NI PCI6221 数据采集卡，然后经过 PCI 总线送入 PC机，由软件进行数据处理 和 采样波形的实时显示，并以一定的时间间隔插入数据库进行历史数据保存，边采集边保存，然后通过 虚拟仪器的 实现了历史 数据的检索和 WEB 远程控制查询。 本设计优点 把数据库技术同虚拟仪器结合起来，既利用了虚拟仪器测量和数据分析能力强的特点，又能使其数据管理能力弱的缺点 得以克服。 数据库技术应用于虚拟仪器是一个很好的选择，但目前的应用还远未发挥其最大功能。 尽管现在的虚拟仪器数据库系统都具有一定的数据分析能力，且在数据量小数据间关系不太复杂时是有效的，但随着测试系统越来越大型化、复杂化和综合化，传统的数据分析方法越来越显得力不从心，因而数据挖掘在虚拟仪器数据库系统中的应用是虚拟仪器数据管理的一个发展方向。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 5 第二章 轮胎硫化技术 轮胎硫化的目的及意义 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。 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。 轮胎硫化的方式及步骤 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 ~ 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~ 兆帕，内温一般为 190~210 度。 优点是，时间短，硫化效率高，饱和蒸汽内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 6 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 ~ 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 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。 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。 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，再内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 7 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）。 轮胎硫化的工艺要求 1） 本控制系统可设定的硫化曲线， 随时可供观察轮胎硫化工程中实际温度、压力 变化和设定的曲线进行比较。 图 分别为温度压力设定曲线。 图 温度控制曲线 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 8 图 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： τ1/τ2=K (t2t1)/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 177。 1 ℃ （ 0～ 160℃ ） 4）蒸汽压力控制精度 177。 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 177。 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 177。 2℃的误差。 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 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。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 9 图 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。