基于虛擬儀器的輪胎硫化溫度、壓力控制系統設計-------測量控制部分軟硬件設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ） 7 待進一步從理論和實際兩個方面著手改進。硫化工藝過程取決硫化介質，而硫化介質的選取必須綜合考慮兩個方面的因素，一是對輪胎各項物理機械性能的保證，如抓著力、耐久性能和外觀質量等；二是要求能在生產過程中降低成本，提高生產效率，減少能耗和 環境污染。 輪胎硫化的方法 傳統控制方法：傳統控制硫化過程的方法是定時控制，這種方法是假定橡膠硫化的過程中模柜內溫度和壓力保持恒定，但是由于鍋爐蒸汽壓力波動以及蒸汽在管道中傳輸溫度遞減等因素的影響，硫化溫度很不穩定。這樣生產出的輪胎，經常出現過硫化和欠硫化現象，另外工人的勞動強度大，資源浪費嚴重。 現代控制方法：現代控制硫化過程的方法是根據蒸汽管道內的溫度實時調整硫化時間的等效硫化控制。 輪胎硫化的步驟 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）開模 第 3 步可采用 3 種方式：循環、半循環或不循環，需根據實際情況進行選取。 第 4 步可采用兩種方式：用高壓蒸汽把膠囊中的過熱水趕回除氧器或設置一熱內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 8 水回收罐。 第 6 和 7 步可采用單路或雙路。 第 8 步的開模壓力一般設置為 。 全蒸汽硫化一般有兩種方式：高溫蒸汽進加熱排或高溫蒸汽進，然后主排，再抽真空；高溫蒸汽進加熱排，然后低壓蒸汽進，再主排 、抽真空。其中熱排是為了把膠囊中的冷凝水排出。 充氮氣硫化還需要增加兩個步驟，即放氣（排出膠囊下部的低溫氮氣）和查漏（關閉所有閥門，看內壓有無下降，以觀察有無閥門泄漏）。 由于主排時間的長短直接影響到硫化效率，因此主排管徑的設定和走向以及輔助措施（如安裝排空管）對主排的效果至關重要。抽真空可采用蒸汽或動力水，只需將膠囊從胎里脫出并適當收縮，以便輪胎能輕松取出即可。若抽真空過度，膠囊會緊貼中心機構，上環下降時容易夾破膠囊（ B 型硫化機）。 硫化過程的主要問題 目前，輪胎生產的硫化過程面臨著兩個主要問題。 （ 1） 如何提高輪胎內部各點硫化程度的均勻性。由于橡膠是熱的不良導體，硫化中，靠近熱源的輪胎表面溫度變化較快，而內部溫度變化較慢，造成了輪胎內外硫化程度的不均勻。同時，輪胎內部各部分的組成材料是不同的，圖 為輪胎的截面圖。其中，胎冠是整個輪胎溫度最高、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，傳熱過程很復雜，最容易“欠硫”；胎側是輪胎中最薄弱的部位，它最易“過硫”。輪胎內部組成材料的不均勻必然導致其內部溫度上升速度的不均 勻，最終使得其內部各區域硫化程度的不均勻。 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 9 圖 輪胎截面圖 （ 2）如何準確確定輪胎的硫化時間。硫化中，外界條件一般存在一定的波動，它對輪胎的硫化效應影響很大。常規硫化時間采用固定周期法，不考慮硫化過程邊界條件的波動情況，每個輪胎的硫化周期都是同一設定值，硫化時間整定按系統參數變化最壞的情況進行，采取“寧過勿欠”的方針，這必然導致多數情況下輪胎過硫，從而影響產品質量和硫化效率。 對于問題（ 1），通過國內外學者的大量研究，一般從兩方面來解決，一方面通過制定新的材料配方， 使硫化過程中輪胎內部各區域的溫度上升速度基本一致；另一方面，通過在硫化前對輪胎進行預熱，使硫化開始時，輪胎內部保持較高的溫度，從而加快輪胎內部各點的硫化速度，以達到硫化程度的內外均。 對于問題（ 2），需將固定周期修改為可變周期，每個輪胎的硫化時間需根據外界條件的波動而動態確定。 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 10 第二章 LabVIEW的 簡介 虛擬儀器的產生 微電子技術、計算機技術、軟件技術、網絡技術的高度發展及其在電子測量技術與儀器上的應用，新的測試理論、新的測試方法、新的測試領域以及新的儀器結構不斷出現，在許多方面已經突破的傳統儀器的概念，電子測 量儀器的功能和作用已經發生了質的變化。在這種背景下，八十年代末美國率先研制成功虛擬儀器（ Virtual Instrument，簡稱 VI）。虛擬儀器技術是當今計算機輔助測試領域的一項重要技術，它推動著傳統儀器朝著數字化、智能化、模塊化、網絡化的方向發展。虛擬儀器，它是現代計算機技術、通信技術和測量技術相結合的產物，是傳統儀器觀念的一次巨大變革，是未來儀器產業發展的一個重要方向。 虛擬儀器的概念，是美國國家儀器公司（ National Instruments Corp 以下簡 NI公司）于 1986 年提出的。 NI 公司同時也提出了“軟件即儀器”的概念，打破了傳統儀器只能由廠家定義，用戶無法改變的局面。隨著現代軟件和硬件技術的飛速發展，儀器的智能化和虛擬化已經成為研究的方向。虛擬儀器，它既具有傳統儀器的功能，又有別于其他傳統儀器，它能夠充分利用和發揮現有計算機的先進技術，使儀器的測試和測量及自動化工業系統的測試和監控變得異常方便和快捷。 虛擬儀器的概況 所謂虛擬儀器，就是在通用的計算機平臺上定義和設計等同常規儀器的各種功能，用戶操作計算機的同時就是在使用一臺專門的電子儀器。虛擬儀器以計算機為核心，充分利用計算機強大的 圖形界面和數據處理能力，提供對測量數據的分析處理和顯示功能。虛擬儀器技術強調軟件在測控系統中的重要的地位，但也并不排斥測試硬件平臺的重要內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 11 性。虛擬儀器測控系統通過信號采集設備和調理設備將計算機硬件和被測量硬件連接起來，再通過軟件取代常規儀器硬件，將計算機硬件資源與儀器硬件有機地融合為一體，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件來實現對數據的顯示、存儲以及分析處理。 虛擬儀器的特點 虛擬儀器是基于計算機的功能化硬件模塊和計算機軟件構成的電子 測試儀器，而軟件是虛擬儀器的核心 [6][7][8]，如圖 所示，其中軟件的基礎部分是設備驅動軟件，而這些標準的儀器驅動軟件使得系統的開發與儀器的硬件變化無關。這是虛擬儀器最大的優點之一，有了這一點，儀器的開發和換代時間將大大縮短。虛擬儀器中應用程序將可選硬件（如 GPIB， VXI， RS232， DAQ 板）和可重復用庫函數等軟件結合在一起，實現了儀器模塊間的通信、定時與觸發。源代碼庫函數為用戶構造自己的虛擬儀器（ VI）系統提供了基本的軟件模塊。由于 VI 的模塊化、開放性和靈活性，以及軟件是關鍵的特點，當用戶的 測試要求變化時可以方便地由用戶自己來增減硬、軟件模塊，或重新配置現有系統以滿足新的測試要求。這樣，當用戶從一個項目轉向另一個項目時，就能簡單地構造出新的 VI 系統而不丟失己有的硬件和軟件資源。 虛 擬 儀 器 開 發 者虛 擬 儀 器 軟 件 面 板虛 擬 儀 器 軟 件 開 發 平 臺底 層 驅 動 程 序硬 件 模 塊虛 擬 儀 器 開 發 者操 作 系 統 圖 虛擬儀器開發框圖 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 12 虛擬儀器技術的優勢在于可由用戶定義自己的專用儀器系統，且功能靈活，很容易構建，所以應用面極為廣泛。虛擬儀器技術十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發展趨勢，因而常被稱作“軟件儀器” 。它功能強大，可實現示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號發 生器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可檢測特定系統的參數，如汽車發動機參數、汽油標號、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數等多種數據；它操作靈活，完全圖形化界面，風格簡約，符合傳統設備的使用習慣，用戶不經培訓即可迅速掌握操作規程。 LabVIEW 的優勢 和常規儀器技術相比， Nl 虛擬儀器技術有四大優勢 (1)性能高 虛擬儀器技術是在 PC 技術的基礎上發展起來的，所以完全繼承了以現成即用的 PC技術為主導的最新商業技術的優點，包括功能超卓的處理器和文件 FO，使您在數據高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析 。此外，不斷發展的因特網和越來越快的計算機網絡使得虛擬儀器技術展現其更強大的優勢。 LabvlEw 環境下溫度測控系統的深入研究與實現 (2)擴展性強 Nl 的軟硬件工具使得工程師和科學家們不再受硬件儀器的限制。這些都得益于 Nl軟件的靈活性，我們要做的只是更新計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進自己的系統。在利用最新科技的時候，還可以把它們集成到現有的測量設備，最終以較少的成本加速產品的設計時間。 (3)開發時間少 在驅動和應用兩個層面上， Nl 高效的軟件構架能與計算機、儀器 儀表和通訊方面的最新技術結合在一起。 Nl 設計這一軟件構架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 13 供了靈活性和強大的功能，使用戶輕松地配置、創建、發布、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。 (4)無縫集成 虛擬儀器技術從本質上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產品在功能上不斷地趨于復雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設備總是要耗費大量的時間。 Nl 的虛擬儀器軟件平臺為所有的 FO 設備提供了標準的接口，幫助用戶輕松地將多個測量設備集成到單個系統，減少了任務的復雜性。 虛擬儀器的構成 虛擬儀器從構成 [8]要素上講，由計算機、應用軟件和儀器硬件等構成；從構成方式上講，則由以 DAQ 板卡和信號調理為儀器硬件而組成的 PCDAQ 測試系統，或以GPIB， VXI， Serial 和 Field bus 等標準總線儀器為硬件組成的 GPIB 系統、 VXI 系統、串口系統和現場總線系統等多種形式。虛擬儀器的構成如圖 所示。 顯 示 器信 號 分 析 及 處 理數 據 發生 器A / D 轉換 器D / A 轉換 器信 號 調理 器信 號 調理 器信 號 調理 器各 類 接 口人 機 接 口信 號 輸 入 信 號 輸 出 圖 虛擬儀器的構成 目前，虛擬儀器的構成方式有以下幾種： （ 1） PCDAQ 插卡式的 VI 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 14 這種方式用數據采集卡 配以計算機平臺和虛擬儀器軟件，便可構成各種數據采集和虛擬儀器系統。它充分利用了計算機的總線、機箱、電源以及軟件的便利，其關鍵在于A/D 轉換技術。這種方式受 PC 機機箱、總線限制，存在電源功率不足，機箱內噪聲電平較高、無屏蔽，插槽數目不多、尺寸較小等缺點。但因插卡式儀器價格便宜，因此其用途廣泛，特別適合于工業測控現場、各種實驗室和教學部門使用。 （ 2）并行口式的 VI 最新發展的可連接到計算機并行口的測試裝置，其硬件集成在一個采集盒里或探頭上，軟件裝在計算機上，可以完成各種 VI 功能。它的最大好處是可以與筆記本計算 機相連，方便野外作業，又可與臺式 PC 相連，實現臺式和便攜式兩用，非常方便。 （ 3） GPIB 總線方式的 VI GPIB(General Purpose Interface Bus)技術是 IEEE488 標準的 VI 早期的發展階段。它的出現使電子測量由獨立的單臺手工操作向大規模自動測試系統發展。典型的 GPIB 系統由一臺 PC 機，一塊 GPIB 接口卡和若干臺 GP1B 儀器通過 GPIB 電纜連接而成。在標準情況下，一塊 GPIB 接口卡可帶多達 14 臺的儀器，電纜長度可達 20m。 GPIB 測試系統的結構和命令簡單，造價較低，主要市場在臺 式儀器市場。適用于精確度要求高，但對計算機速率要求和總線控制實時性要求不高的場合應用。 （ 4） VXI 總線方式的 VI VXI 總線是 VMEbus eXtension for Instrumentation 的縮寫，是高速計算機總線 VME在 VI 領域的擴展，有穩定的電源，強有力的冷卻能力和嚴格的 RFI/EMI 屏蔽。由于它的標準開放，且具有結構緊湊、數據吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復利用眾多儀器廠家支持的優點，得到了廣泛的應用。經過多年的發展， VXI 系統的組建和使用越來越方便，有其他儀器無法比擬的優勢，適用于組 建大、中規模自動測量系統以及對速度、精度要求高的場合，但 VXI 總線要求有專用機箱、零槽管理器及嵌入式控制器造內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 15 價比較高。 （ 5） PXI 總線方式的 VI PXI 總線是 PCI eXtension for Instrumentation 的縮寫，是 PCI 在 VI 領域的擴展。這種新型模塊化儀器系統是在 PCI 總線內核技術上增加了成熟的技術規范和要求形成的，具有多板同步觸發、精確定時的星形觸發、相鄰模塊間高速通訊的局部總線以及高度的可擴展性等優點，適用于大型高精度集成系統。 （ 6）網絡接口方式的 VI 盡管 Inter 技術最 初并沒有考慮如何將嵌入式智能儀器設