【正文】 U dkjiP （ ） 35 第 5 章 工業(yè)熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 軟件系統(tǒng)組成 本系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，圖 。 (3)數(shù)據(jù)處理模塊 36 該模塊完成熱電勢(shì)與溫度之間、鉑電阻阻值與溫度之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，冷端補(bǔ)償以及檢定結(jié)果計(jì)算等功能。整個(gè)檢定過程按以下步驟自動(dòng)進(jìn)行： 37 圖 熱電偶檢定過程控制流程圖 (1)檢定參數(shù)輸入 輸入的參數(shù)包括：檢定點(diǎn)溫度值、日期、被檢熱電偶類型 、支數(shù)、檢定曲線、初始 PID參數(shù)、上下限幅、標(biāo)準(zhǔn)熱電偶修正值。如果爐溫已經(jīng)穩(wěn)定， 則開始檢定，計(jì)算機(jī)依次導(dǎo)通多路開關(guān)中各通道，同時(shí)向測(cè)量?jī)x福祿克 FLUCK289發(fā)讀數(shù)信號(hào)，測(cè)量?jī)x依次讀取冷端電阻阻值、各熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)，并送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)再對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)換，保存在計(jì)算機(jī)中。第一次，用測(cè)得的電阻值去查 Ptl00熱電阻的分度表，得到冷端溫度；第二次，用冷端溫度值去查相應(yīng)熱電偶的分度表，得到冷端補(bǔ)償電 勢(shì)，與直接檢測(cè)到的熱電偶電勢(shì)相加，進(jìn)行冷端補(bǔ)償；第三次，用經(jīng)過冷端補(bǔ)償之后的熱電勢(shì)，去查熱電偶分度表，得到熱電偶實(shí)際檢測(cè)的溫度值。檢定系統(tǒng)在技術(shù)要求和性能指標(biāo)等方面基本符合國(guó)家熱電偶檢定規(guī)程，實(shí)現(xiàn)了熱電偶的溫標(biāo)量值傳遞的自動(dòng)化。 ①設(shè)計(jì)了低寄生電勢(shì)的多路通道切換裝置。主要有： (1)用冷端電阻取代恒溫槽 (或冰點(diǎn)槽 )，實(shí)現(xiàn)熱電偶檢定的冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償，節(jié)約了系統(tǒng)成本 (2)設(shè)計(jì)了高分辨率、多通道測(cè)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了熱電阻信號(hào)和熱電偶信號(hào)的同時(shí)采集。 模糊自適應(yīng) PID控制算法的軟件實(shí)現(xiàn) 控制算法的軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖 。 在本系統(tǒng)中，采取直接查分度表的方法。 (3)升溫 當(dāng)各熱電偶連線正確無誤后，系統(tǒng)開始按照輸入的檢定曲線升溫，同時(shí)周期性地 38 讀取程控調(diào)節(jié)儀檢測(cè)到的爐溫實(shí)時(shí)溫度，送顯示器顯示。 (5)系統(tǒng)管理模塊 該模塊完成系統(tǒng)管理上的一些工作，包括使用者權(quán)限設(shè)置、檢定證書的打印、歷史數(shù)據(jù)查詢、各類型熱電偶和鉑電阻分度表的管理等 ［ 16］ 。包括檢定參數(shù)的輸入，檢定過程中爐溫、開關(guān)狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)、實(shí)時(shí)溫度 曲線等的動(dòng)態(tài)顯示，數(shù)據(jù)記錄 ［ 15］ 。 按以上方法計(jì)算出在不同的偏差和偏差變化率時(shí)， PID參數(shù)的調(diào)整量的輸入值， 32 也就是模糊控制表對(duì)應(yīng)的數(shù)值，由此可以計(jì)算出△ KP的模糊控制器的查詢表。39。39。111139。由此推理結(jié)果為： 39。一般 |ec|較小時(shí)， KD取值較大些；當(dāng) |ec|較大時(shí)， KD取值應(yīng)該較小些。 PID參數(shù)的整定必須考慮到不同時(shí)刻三個(gè)參數(shù)的作用及相互之間的關(guān)系。 KI越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但 KI過大，在響應(yīng)過程的初期會(huì)產(chǎn)生積分 飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。從 30 傳統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)定精度等各方來來考慮 KP、 KI、 KD的作用如下： (1)比例系數(shù) KP的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。系統(tǒng)的輸入量是設(shè)定的溫度值，所以這里選擇模糊輸入接口模糊控制器輸出接口執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象檢測(cè)裝置 r （ t ）+c ( t ) 28 控制器的輸入量為溫度的偏差 e和偏差變化率 ec，輸出量為 PID參數(shù)的修正量△ KP、△Ki、△ Kd。 27 圖 模糊控制系統(tǒng)組成原理框圖 模糊控制器又稱為模糊邏輯控制器，它的模糊控制規(guī)則用模糊條件語句來描述，是一種語言型控制器，因此有時(shí)又被稱為模糊語言控制器 ［ 11］ 。 模糊控制系統(tǒng)是由被控對(duì)象、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、過程輸入輸出通道、檢測(cè)裝置、模糊控制器等幾部分組成。常規(guī)的 PID控制系統(tǒng)框圖如圖 ： 比 例積 分微 分被 控 對(duì) 象r （ t ） +e ( t )_++U ( t )+E ( ) 圖 PID控制系統(tǒng)的原理框圖 PID的數(shù)學(xué)模型可用下式表示： ])()(1)([)( 0 dt tdeTdtteTteKtut diP ? ??? （ ） 其中： u(t)一控制器的輸出 e(t)一控制器的輸入，它是給定值和被控對(duì)象輸出值的差，稱偏差信號(hào) KP一控制器的比例系數(shù) Ti一控制器的積分時(shí)間 Td一控制器的微分時(shí)間 在以微處理器為硬件核心的 控制系統(tǒng)中，由于是以采樣周期對(duì)輸入和輸出狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，故它是離散時(shí)間控制系統(tǒng)。PID控制是發(fā)展最早、理論最成熟、應(yīng)用最為廣泛的 控制策略，具有計(jì)算量小、實(shí)時(shí)性好、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)?？紤]到在實(shí)際的過程中，還存在延遲現(xiàn)象，所以被控對(duì)象檢定爐的數(shù)學(xué)模型中還有一個(gè)滯后環(huán)節(jié)。 假定， T為爐內(nèi)溫度， Qj為加熱量， QS為散熱量， A為檢定爐熱容。結(jié)構(gòu)圖如圖 。 23 第 4 章 熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)溫度控制方法 在熱電偶檢定過程中，檢定爐的溫度控制的好壞對(duì)熱電偶檢定起關(guān)鍵作用。其中高可靠性是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的保證。當(dāng)選擇電流方式時(shí)需裝配電阻 R19(D/A0)、 R12(D/A1)，當(dāng)選 0～ 10mA時(shí) R1 R12應(yīng)裝配阻值為 560Ω阻值，當(dāng)選 4～ 20mA時(shí)，應(yīng)裝 250Ω電阻 ［ 7］ 。 主要技術(shù)參數(shù)： (1)輸出通道數(shù)： 2路 (互相獨(dú)立，可同時(shí)或分別輸出 ) DXK 2G 2K 2G 1K 1MCO MGDBNAKE BKE KKE ZFW 2FW 1FK 4FK 3 來自 TAFK 2FK 2FK 1RMS手動(dòng)380 v220 v 20 (2)輸出范圍： 電壓方式： O～ 5V、 ～ + 電流方式： 0～ 10mA、 4～ 20mA (3)D／ A轉(zhuǎn)換器件： DAC0832 (4)D／ A轉(zhuǎn)換分辨率： 8位 (5)D／ A轉(zhuǎn)換綜合建立時(shí)間：≤ 5μ S (6)D／ A轉(zhuǎn)換綜合誤差： 電壓方式：≤ ％ 電流方式：≤ l％ 輸入輸出插座接口定義見表 ： 表 PC6320輸入輸出插座接口定義表 插座引腳號(hào) 信號(hào)定義 插座引腳號(hào) 信號(hào)定義 1 CH0 2 模擬地 3 CH1 4 模擬地 5 CH2 6 模擬地 7 CH3 8 模擬地 9 CH4 10 模擬地 11 CH5 12 模擬地 13 CH6 14 模擬地 15 CH7 16 模擬地 17 V00 18 數(shù)字地 19 V01 20 數(shù)字地 21 空腳 22 空腳 23 I00 24 +12V輸出 21 25 I01 26 +12V輸出 I／ O基地址選擇： I／ O基地址的選擇是通過開關(guān) K進(jìn)行的，開關(guān)撥至“ ON處為 0，反之為 l。PC6320模入模出接口卡適用于具有 ISA總線的 PC系列微機(jī)，具有很好的兼容性。觸發(fā)功率大，最大可觸發(fā) KP2020A晶閘管； (3)具有軟啟動(dòng)功能 :開機(jī)和過流復(fù)位時(shí)，輸出電壓逐漸達(dá)到設(shè)定值，避免大電流沖擊； (4)過流自動(dòng)鎖定功能：當(dāng)設(shè)備發(fā)生過流時(shí)，經(jīng)延時(shí)后自動(dòng)封鎖觸發(fā)脈沖，并自動(dòng)保持?？煽康倪^流保護(hù)使得主回路可控硅損壞不會(huì)導(dǎo)致控制器損壞，甚至在觸發(fā)線路接錯(cuò)情況下，短時(shí)間內(nèi)也不會(huì)損壞。 單相晶閘管調(diào)壓觸發(fā)器 控制輸入與觸發(fā)輸出光電隔離，可以與各種自動(dòng)化儀表配套使用，并且單相 220V／ 380VAC通用。應(yīng)用程序可以用任何一種可以使用 DLL鏈接庫(kù)的編程工具來編寫。 表 端口地址與功能表 端口操作地址 操作命令 功能 基地址 +0 讀 寫 A組前 8路開關(guān)量輸入信號(hào) 基地址 +1 讀 寫 A組后 8路開關(guān)量輸入信號(hào) 基地址 +2 寫 寫 B組前 8路開關(guān)量輸出信號(hào) 基地址 +3 寫 寫 B組后 8路開關(guān)量輸出信號(hào) 16 開關(guān)量輸入輸出信號(hào)的數(shù)據(jù)格式采用的是位方式，即一個(gè)字節(jié)中的任意一位對(duì)應(yīng)一路輸入輸出信號(hào)。 輸入輸出插座接口定義： 本卡的安裝十分 簡(jiǎn)便，只要在關(guān)電情況下將主機(jī)機(jī)殼打開，將本卡插入主機(jī)的任何一個(gè)空余擴(kuò)展槽中，再將檔板固定螺絲壓緊即可。 (3)使用與操作 I/O基地址選擇： I/O基地址的選擇是通過開關(guān) K1進(jìn)行的，開關(guān)撥至“ ON”處為 0，反之為 1。卡上的輸出驅(qū)動(dòng)器件 ULN2020中內(nèi)部帶有吸收二極管，可有效地吸收感性負(fù)載啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的達(dá) 600mA的峰值電流。 13 光 耦 器八路整形器八路整形器驅(qū) 動(dòng) 器光 耦 器八D鎖存器 八D鎖存器I/O譯碼 I/O控制 數(shù)據(jù)緩沖 圖 PC6408開關(guān)量輸入輸出接口卡工作原理框圖 鎖 存 器光 電 耦 合 器+ 5 v鎖 存 控 制數(shù) 據(jù) 總 線電 源 端輸 出 端地 端驅(qū) 動(dòng) 器 圖 開關(guān)量輸出部分工作原理圖 輸出驅(qū)動(dòng)器件 ULN2020的輸出端允許通過 IC電流 200mA，飽和壓降 VCE約 1V左右，耐壓 BVCEO約為 36V。但每組總輸出電流不應(yīng)超過 2A。 主要技術(shù)指標(biāo)： 1) 輸入路數(shù)及電氣連接方式： 16路共地 (共陰 )方式。產(chǎn)品符合GB14048標(biāo)準(zhǔn)以及 IEC255， IEC947和日本 JIS標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)量部分和控制部分均通過 I／ O接口與計(jì)算機(jī)相連。正確連線后，主回路送電，給計(jì)算機(jī)輸入必要的參數(shù) (熱電偶檢定溫度設(shè)定點(diǎn)、被檢熱電偶支數(shù)等 )，計(jì)算機(jī)輸出 4～ 20mA的控制信號(hào)，通過觸發(fā)器及電壓調(diào)整器對(duì)檢定爐升溫，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶把檢測(cè)到的爐溫信號(hào)，通過數(shù)字測(cè)量?jī)x傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)，在顯示屏上顯示爐溫及偏差值，并反饋給計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。測(cè)量部分完成數(shù)據(jù)采集工作，控制部分完成爐溫控制，計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)控制中心。 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 數(shù)字計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快，計(jì)算精度高，存儲(chǔ)信息量大，以及通用靈活等特點(diǎn)?？煽毓杩販卦O(shè)備按其脈沖控制電路觸發(fā)方式的不同，可分為可控硅調(diào)壓器和可控硅調(diào)功器。系統(tǒng)中控溫系統(tǒng)由控溫?zé)犭娕肌?D／ A接口模塊、可控硅調(diào)壓器觸發(fā)板和可控硅組成。 爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 熱電偶自 動(dòng)檢定系統(tǒng)對(duì)檢定爐各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求較高，整個(gè)檢定過程要求達(dá)到升溫快，恒溫時(shí)爐溫變化率不能超過177。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要采集標(biāo)準(zhǔn)熱電偶、最多 8支被檢熱電偶的 mV值，以及用于冷端溫度檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的阻值。 以上列出的溫度測(cè)量方法都必須經(jīng)過 A／ D轉(zhuǎn)換等電路，都會(huì)引入轉(zhuǎn)換誤差。但此方法同樣存在芯片外殼對(duì)環(huán)境溫度的滯后性影響問題。然而，首先測(cè)量設(shè)備內(nèi)部溫度場(chǎng)并不均勻，熱點(diǎn)偶補(bǔ)償線接 入點(diǎn)的溫度與 CPU的表面溫度存在差值其次，集成溫度傳感器的靈敏度一般為 ℃，精度177。 通常有兩種溫度補(bǔ)償方式：方式一，搭建溫度補(bǔ)償回路；方式二，精確測(cè)量冷端環(huán)境溫度，選擇軟件補(bǔ)償。 根據(jù)中間溫度定律，當(dāng)熱電偶冷端溫度 t0≠ 0℃時(shí)，熱電偶熱端溫度 t和輸出熱電勢(shì)E(t， 0)，之間的關(guān)系式為： 6 ? ? ? ? ? ?0ttt0t 00 ， EEE ?? （ ） 式 中 ， E (t,0)，是熱電偶熱端溫度為 t、冷端溫度為 0℃時(shí)的輸出熱電勢(shì)； E（ t,t0），是熱電偶熱端溫度為 t、冷端溫度為 t0時(shí)的輸出熱電勢(shì)； E(t0,0)，是熱電偶熱端溫度為 t0、冷端溫度為 0℃時(shí)的輸出熱電勢(shì)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇 冷端補(bǔ)償方案 由熱電偶測(cè)溫原理可知，只有當(dāng)熱電偶的冷端溫度保持不變，熱電勢(shì) 才是被測(cè)溫度的單值函數(shù)。 (2)控溫精度 在熱電偶檢定過程中，對(duì)檢定爐溫度 的控制有要求。這些技術(shù)指標(biāo)來自于兩個(gè)方面，一個(gè)是國(guó)家頒布的關(guān)于熱電偶檢定規(guī)程里明確規(guī)定的技術(shù)條件，另一個(gè)是委托企業(yè)計(jì)量管理部門提出的技術(shù)要求，兩方面的技術(shù)性能要求歸納起來，主要有以下幾點(diǎn)： (1)可檢定 S、 R、 K、 B、 E、 J、 N等 8種型號(hào)的工作用熱 電偶； (2)平均每個(gè)溫度檢定點(diǎn)升溫和檢定時(shí)間不超過 30分鐘； (3)檢定溫度范圍： 200～ 1