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

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内容摘要：

） 7 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。 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内的温度实时调整硫化时间的等效硫化控制。 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内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 8 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）。 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。 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。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 10 第二章 LabVIEW的 简介 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。 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。 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内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 11 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。 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 [6][7][8]，如图 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， RS232， 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，就能简单地构造出新的 VI 系统而不丢失己有的硬件和软件资源。 虚 拟 仪 器 开 发 者虚 拟 仪 器 软 件 面 板虚 拟 仪 器 软 件 开 发 平 台底 层 驱 动 程 序硬 件 模 块虚 拟 仪 器 开 发 者操 作 系 统 图 虚拟仪器开发框图 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 12 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。 LabVIEW 的优势 和常规仪器技术相比， Nl 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，同时还提内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 13 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集成到单个系统，减少了任务的复杂性。 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 PCDAQ 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 所示。 显 示 器信 号 分 析 及 处 理数 据 发生 器A / D 转换 器D / A 转换 器信 号 调理 器信 号 调理 器信 号 调理 器各 类 接 口人 机 接 口信 号 输 入 信 号 输 出 图 虚拟仪器的构成 目前，虚拟仪器的构成方式有以下几种： （ 1） PCDAQ 插卡式的 VI 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 14 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(General Purpose Interface Bus)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 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。 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内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 15 价比较高。 （ 5） PXI 总线方式的 VI PXI 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 Inter 技术最 初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设。