人造金刚石压机 - 图文

开题报告

中文题目：人造金刚石压机智能化压力测控系统设计

英文题目：DESIGN COMPRESSOR INTELLIGENT PRESSURE MEASURING AND CONTROL SYSTEM FOR SYNTHETIC DIAMOND

一、课题背景及意义（包括课题现状、发展趋势以及研究的意义等） 人造金刚石是石墨在触媒作用下施以高温高压 (2000℃／lOOMpa)而合成的，常用合成设备是六面顶压机。液压压力是设备的动力来源和高压供者。压力测控系统(仪)就是测量液压系统的压力，并根据合成工艺所预设压力转换点，以开关触点的开或闭等形式发出控制指令，如图1所示。压力的准确而可靠的测量与控制非常重要，因为压力控制系统的任何失灵，可能导致严重后果。例如，金刚石合成物在高压熔融状态下误发卸压指令会发生爆炸，危及压机设备和人身安全；超程保护不动作也会产生严重后果。因此，设计压力测控系统时必须重视可靠性问题。由于人造金刚石压机工作环境十分恶劣且长年累月不问断工作，工业现场的干扰严重[113且难以消除，系统的可靠性设计难度很大。在目前常用的测控系统中，接点式压力表类体积庞大、维护困难、功能欠缺、压力工艺参数设定不便；带AD模块的PLC类测控系统成本高、工艺参数设定不直观；模拟比较电路类功能欠缺D]。基于抑制干扰防止误动作的可靠性原则，本文提出了一种以单片机为主控的智能化方案。该方案采取软硬结合的抗干扰措施。硬件采用光电隔离、硬件滤波和优选器件等措施；软件采用仿PLC扫描工作模式、数模信号软件滤波和数据容错保护技术实践表明，智能化压力测控系统采取这些措施后，系统的可靠性达到了令人满意的要求，而且系统性能完善，价格便宜，适合国情，能有效提高我国人造金刚石装备的信息化水平。 二、研究内容及目标 1 系统的硬件构成压力测控的工业现场存在严重干扰，且难以通过硬件方法完全消除n。21之，但加强硬件抗干扰措施仍然能有效提高系统的可靠性。经综合考虑，得。 (1)电源和地线的处理。致命的现场干扰大多通过电源耦合进入单片机系统，如浪涌电流等。这种干扰不但引起死机，甚至会损坏器件。电源进线需加入LC滤波器；强弱电采用不同电源供电且光电隔离；适当加入去耦电容；数模地要分别布线，再通过耦合电感单点连接之，防止高频信号进入模拟通道。 (2)模拟通道。变阻式压力传感器输入引线采用屏蔽电缆抑制干扰。信号放大采用专门仪表放大器，通过电阻R。调节放大倍数，同时考虑到传感器电桥未必能精确做到零压力时零输出，加入调零电阻R：及相关偏置电路很有必要。采用10位AD转换可足测量精度要求。数模地线的连接按(1)进行。 (3)光隔与继电器输出。根据不同的压机主控制器要求，提供光隔输出和继电器输出。由于输出通道被隔离于测控系统之外，可有效抑制干扰的串入。继电器为24VDC驱动，触点容量为220VAC／10A。 (4)看门狗和EEPROM芯片X25045。该芯片主要作用是防止系统死机和存储压力工艺参数。利用写入使能端保护EEPROM的数据。 (5)复式地址译码。由GAL20VlO组合读写信号、地址高8位信号构成复式地址译码，除了用于AD数据的读写外，还用来控制输出锁存芯片74LS373的 写入，这种译码读写要比P2或P3 E1的单线译码更能的测控系统硬件构成图。从提高系统可靠性等方面看。抵御干扰，防止误读误写。 (6)操作面板。按键值采用扫描式获取，提供参数设定等基本操作。LED显示采用专门的SPI串行驱动器件MAX7219，数据刷新过程虽然很快，但仍需屏蔽显示以防止数显混乱，保证数显清晰明快。 三、初步研究方案 真正有效的抗干扰需软硬结合。这里，软件抗干扰措施的主要目的是：防止“飞程”和“死机”；防止干扰引起误动作；保护工艺参数。 3．1 扫描工作原理及其优特点 间歇扫描工作模式是PLC软件普遍采用的工作方式，本系统软件的运行即采用这种工作方式。其原理是：当主程序完成初始化任务后单片机即进入睡眠状态，通过内部定时中断T1定期唤醒单片机，并由中断服务程序实施定时的检测与控制工作，之后又进入睡眠状态。可以看出，在这种间歇扫描工作方式中，单片机实际工作时间很短，干扰对程序的破坏作用的可能性大为减少；而且单片机的工作能耗很少，发热量亦很少，可大大优化单片机的工作温度环境，使之更能适应诸如盛夏季节之类的恶劣环境，保证可靠性。单片机的定时中断可靠性很高，但为保证其万无一失，在重新进入睡眠状态之前，定义中断的各类参数，如中断控制位、时间常数和堆栈指针等重要数据，仍需进行检验和重置，防止意外修改。为了能及时响应外界的开关信号，T1的中断定时取10ms为宜。因此，软件采用扫描工作方式，与硬件看门狗电路配合，单片机的“飞程”、“死机”现象是能够完全消除的。 3. 2操作站监控软件设计 整个操作站监控软件采用模块化编程，由一个主控控制程序采取了当前比较先进的曲线加温和利用变频器进行优化动态补压的控制方式。在加热控制方面，采用了曲线升温的方式能够使合成腔体内温度不会随保温时间的延长或内部结构变化而改变，可通过操作界面设定多达10条由折线组成的升温曲线，PLC根据接收到的加热曲线参数控制加热系统的大电流加热电源工作，使系统的加热功率满足工艺的要求；并可根据合成要求的不同，设定相应的提前加热参数以使合成腔体内的压力和温度同步达到金刚石的相变条件。 在进行动态补压时，当增压器压力升到保压点(如90．0 MPa)后，油泵停止，压机自然泄漏，当压差大于设定的补压差(如0．2 MPa)时，压机开始补压至保压点90．0 MPa，因为压机补压从静态到动态要克服密封件的摩擦力，对压力有一定的消耗，腔体内的实际压力要低于90．0 MPa。多次补压之后，腔体的实际压力会越来越低，为了解决这个问题，当加压子程序对压机补压到保压点以后，再利用变频控制的小泵继续对压机进行补压使补压后的压力比前次略高出一个设定值，以此克服压机摩擦力对腔体压力的影响，令腔体内部的压力始终一致。当实际压力和保压压力的差值在设定压差之内时，大泵停止，由工控机根据当前的压力值按照设定的控制方案控制变频器输出相应的频率，利用小泵对增压器进行动态补压。通过PLC控制的大泵和变频器控制的小泵的共同控制从而实现了动态的优化补压。本文仅以保压过程为例介绍了PLC程序的实现。其梯形图的编制如图3所示，实际压力值为EN235模拟量模块实时采集的增压器当前压力值。当超压过程结束且系统处于自动运行状态下时，程序进入保压过程并开始 3．3数据的安全保护 程序的“飞程”可能会破坏系统存贮的数据，所以除了通过控制EEPROM的写使能端保护其内部工艺参数外，软件上还必须采用数据容错技术以保证其可靠，避免压力测控器的误输出，使系统安全运行。其原理为：工艺参数组前后附加几个校验字(出错标识)组成一个数据块，制作此数据块的若干备份。当某数据块的校验字出错时，该块数据极可能已遭毁灭性破坏，这时可利用未损的备份数据块进行数据恢复；若所有的备份数据均被破坏，则必须使控制器处于待命和停机状态，提示系统需数据重置，待数据人工修复后才能启用。 模块实时采集的增压器当前压力值。当超压过程结束且系统处于自动运行状态下时，程序进入保压过程并开始模块和4个子模块组成，即参数设定子程序模块、手动调整子程序模块、自动运行子程序模块及系统管理子程序模块。其中参数设定子程序模块是在金刚石合成之前，通过交互式菜单方式，由软键盘输入合成金刚石所需要的各种参数，并存储在计算机的内存中 此系统中最多可允许存放256组合成设定参数，并可选择任意1‘组作为当前合成金刚石的控制参数。调整子程序模块只有检测到主操作台面上的方式选择开关为调整方式时方可被调用，用于各种手工调节功能。自动运行子程序主要实现压力／电流曲线显示、当前状态显示、故障分析及报警、保压过程中对变频器进行最优化控制等功能。系统管理子程序模块则可对历史数据进行存贮，输入系统维护密码，可以进行系统参数维护及查询历史数据，并可通过对历史数据的统计分析进而实现对参数的优化配置E 一 。 3．4 系统软件的核心技术