球墨铸铁件水冷温控系统的设计

　　摘要：球墨铸铁作为一种廉价的结构材料，因其良好的耐磨性、减震性、低缺口敏感性以及优良的切削加工性能和铸造性能，已广泛用于汽车、农业机械、机床、冶金机械等多个领域，具有重要的应用价值和广阔的应用前景。

　　温度变化对球墨铸铁的塑性、韧性、耐磨性等方面影响较大。高温条件下，球墨铸铁的塑性将增强，韧性和耐磨性将降低。低温时，球墨铸铁三个指标均会下降，影响其工作性能。所以研究用于控制球墨铸铁件摩擦产生的温度防止球墨铸铁件因温度过高而老化的温控系统十分必要。

　　关键词：球墨铸铁;温度控制

　　Abstract： Ductile cast iron as a cheap material， because of its good wear resistance， shock absorption， and low notch sensitivity and excellent machining performance and casting performance， has been widely used in many fields of automobile， agricultural machinery， machine tools， metallurgy and machinery， which has important application value and broad application prospect. At the same time，the temperature change of ductile iron with plastic， toughness， wear resistance， impact.

　　Under the condition of high temperature， plastic ductile cast iron will be enhanced， toughness and wear resistance will decrease.

　　When the temperature is low， ductile iron three indexes will fall， affecting their work performance. So the research for the control of nodular cast iron friction temperature to prevent nodular cast iron and the aging temperature due to high temperature control system is very necessary.

　　Key words： Ductile iron; temperature control

　　1 总体设计分析

　　球墨铸铁件水冷温控系统由球墨铸铁件温度调节模块，主控制电路，信号采集模块，A/D转换模块，无线传输模块，显示模块，继电器控制模块，报警模块，自检模块组成。

　　当一个单片机系统有检测到温度信号时通过无线传输模块到另一个单片机系统中检测该温度信号是否超过设定的温度信号，如果超过设定值报警模块报警，继电器控制模块动作控制水阀的关断。使用自检功能，首先假设装置发生故障时，上位机控制台有异常显示，同时下位机面板上的异常指示灯会亮，当一旦发现异常可及时更换装置。

　　如无法及时更换，下位机应该仍可实现手动控制出水。

　　2 设计方案

　　1)主控制电路：使用STC89C52单片机构建上下位机的主控制电路。

　　下位机需要完成温度传感信号采集与处理，电动阀驱动水冷喷淋功能，可以使用STC89C52单片机完成以上功能控制需求。此单片机是一款功耗很低、性价比高的8位微处理器，拥有容量为8K的可编程Flash 存储器，能满足本设计的逻辑控制需求。

　　2)温度采集检测电路：使用铂热电阻PT100温度传感器构建温度采集检测电路。

　　球墨铸铁热衰退区间一般在200℃～350℃，选用PT100可以满足温度检测要求。铂热电阻PT100温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器，由于其测量准确度高、测量范围大和稳定性好等，被广泛用于中温(-200℃～650℃)范围的温度测量中。

　　3)无线传输模块：使用CC2430芯片构建zigbee无线传输模块。

　　为了保证高质量的无线信号传输，选用采取zigbee技术的CC2430芯片。该芯片提供以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用。外围系统的集成费用低，集成后的功能较强。芯片集成了一个2.4GHz 直接序列扩频射频收发器核心和一个8051处理器，可以满足本设计对于无线通信功能的需求。

　　4)水冷模块：使用电动阀构建水冷模块。

　　因为水冷动作需要根据球墨铸铁件温度变化量实时调整，所以拟采用可进行动作调节的电动阀实现此模块功能。电动阀是自控阀门中的高端产品，它不仅可以实现开关作用，调节型电动阀还可以实现阀位调节功能。

　　电动执行器的行程可分为：90°角行程和直行程两种，特殊要求还可以满足180°、270°、360°全行程。而角行程控制器完成对阀门的角度控制，实现阀门90°以内旋控制管道流体通断;直行程控制器完成对阀门的线位置控制，实现阀板上下动作控制管道流体通断。

　　5)显示模块：使用LCD1602构建显示模块。

　　上位机需要提供数据显示，拟采用LCD液晶屏完成数显功能。LCD1602是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。

　　此液晶屏由多个5*7或者5*11的点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形(用自定义CGRAM，显示效果也不好)。本设计上下位机均带液晶数字显示功能，LCD1602可以满足所述功能。

　　3 系统实现

　　3.1 硬件实现

　　利用温度检测采集模块将信号传输到主控制电路中，由显示模块显示工作，同时主控制电路控制无线发送的工作。当无线接收器接收到信号时，如所接收到的信号超过设定信号时报警模块报警、继电器工作控制水阀的关断。

　　如果要使用自检功能，首先假设电路出现故障不能正常工作，然后把这个信息传给主控制电路，主控制电路把检测到的故障信息在上位机上显示出来进行报警便于及时更换，如无法及时更换，下位机应该仍可实现手动控制出水。

　　3.2 软件实现

　　程序主要由主程序和子程序两部分构成。主程序主要是无线发送和无线接收程序，子程序主要包括PT100温度信号采集程序，AD转换程序，LCD显示程序，报警处理程序已经键盘扫描程序。

　　1)下位机主程序流程图

　　2)上位机主程序流程图

　　3.3 实物展示

　　4 综述

　　通过对球墨铸铁件的金属特性研究可知，球墨铸铁件温度在150℃以下，应该属于正常使用的范围，但考虑到金属受热形变老化等问题，设置球墨铸铁件温度达到90℃时进行间断式喷水进行冷却，并实时监控温度变化;球墨铸铁件温度在150℃以上，需连续喷水冷却，并实时监控温度变化;如果高于200℃，就必须采取强制措施，一般可以停机并使用手动冷却的方式进行。

　　实验结果表明，该水冷温控装置可以在保持球墨铸铁件金属固有特性的前提下，有效抑制因温度过高时产生的件体龟裂等不可逆老化问题的发生。

　　参考文献：

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　　[7] 苏勇，叶天汉，李先芬，陈翌庆，黄光伟，丁厚福.高性能汽车制动毂的研究与生产[J].汽车工艺与材料， 2003(12).

　　[8] 陈翌庆，苏勇，黄斌，叶天汉.提高汽车制动毂耐磨性的研究[J].热加工工艺，2000(3).

　　[9] 2010中国(天津)汽车配件用品市场新闻发布会[J].中国汽配市场，2010(5).

　　系统设计是新系统的物理设计阶段。根据系统分析阶段所确定的新系统的逻辑模型、功能要求，在用户提供的环境条件下，设计出一个能在计算机网络环境上实施的方案，即建立新系统的物理模型。

　　第一篇

　　1测试系统总体设计

　　根据实际分析，装置的设计需满足以下条件:1)系统能实现-20～50℃范围内任意时刻的检测并保证测试设备机械结构对测试结果无影响;2)系统应具有较高的自动化水平，在整个测试过程中，用户只需简单操作系统就可完成整个测试。

　　根据设计要求提出的装置整体示意简图如图1所示。

　　系统由恒温试验箱、三轴平台、激光位移传感器、控制系统等主要部分组成。

　　工作时，将待测零件固定在工装板上并放置到试验箱安装支架上，然后关闭试验箱测试室门，当测试室达到预定的温度时，三轴平台带着传感头运动，传感头发出的光束透过双层隔热玻璃从每个零件表面扫过，同时测量值被传感控制器接收，并传输到上位机LabVIEW中。

　　在此过程中，控制系统主要控制伺服电机、恒温试验箱、报警装置等的工作，还对激光位移传感器的信号进行采集、显示、处理和输出。

　　2测试系统硬件设计

　　为实现预定的功能，提高测试效率，保证系统的可靠性，本文提出的双金属片形变测试系统硬件部分整体框图如图2所示。

　　因传统水域测量法采用水作为双金属片的传热介质，在节能、效率、测量精度等方面均存在不足。

　　因此，本文选择恒温试验箱为测试系统提供测试环境，并完成试验箱的设计和激光位移传感器的选型。

　　2.1分体式恒温试验箱的设计目前，市场上的恒温试验箱的测试区与制冷系统为一体式[8]，压缩机等部件在工作过程中的振动会导致被测双金属片的振动，从而影响测试精度。

　　因此，本文设计了分体式恒温试验箱。

　　该试验箱由制冷、制热系统、循环通风系统、测试室以及控制系统等部分组成，分左右2个箱体，2个箱体之间用软管连接用于通风循环，制冷回路、加热管以及风机安装在左箱体中，测试室安装在右箱体中并在其顶侧开有玻璃窗用于激光位移传感器的透光检测。

　　试验箱通过热平衡控温法实现测试室温度控制，表1为分体式恒温试验箱的主要性能参数。

　　2.2激光位移传感器的选择激光位移传感器由传感头和传感控制器组成，是测试系统的核心。

　　传感头主要实现位置信号的采集，传感控制器对位置信号进行预处理并及时传输到上位机，考虑到测试过程中传感器检测光需透过双层玻璃，为保证测试精度，分别选用松下和基恩士的传感器产品做透双层玻璃试验，经过测试比较多个产品的综合性能，最终选用基恩士LK—G5000型激光位移传感器，其传感头主要性能见表2所示。

　　3测试系统软件设计

　　3.1基于PLC的控制程序设计本文选用台达DVP40EH—PLC作为下位机，实现对伺服电机、循环风机、报警装置的控制，其控制流程如图3所示。

　　系统在完成原点回归后，以当前位置作为检测起始点，由于不同类型零件高度不同且激光位移传感器的测试范围为定值，所以，程序运行时首先根据上位机选择的零件类型，Z轴电机运行到指定的位置，然后控制三轴平台进行XY平面移动，待测试完成，系统重新初始化，等待下一次检测。

　　当系统发生错误时，PLC立即停止电机输出，报警灯响起，并把错误信息传输给上位机和触摸屏，以便用户处理。

　　此外，触摸屏除显示测试系统工作状态外，还能实现PLC相关参数的修改。

　　3.2基于LabVIEW的控制程序设计测试系统采用LabVIEW作为上位机控制软件[9]，主要实现以下功能:1)通过TCP/IP协议对激光位移传感器的数据进行读取、处理、显示、储存;2)经过NIOPCServers实现硬件接口的转换，通过RS—232串行接口实现与PLC的连接并通过该端口控制PLC工作;3)通过RS—485串行接口，实现与DTC的数据传输;4)根据测试要求编写人性化的人机界面。

　　3.2.1数据传输与数据处理测试中，LabVIEW根据PLC发送检测开始信号，调用数据采集子VI。

　　由于数据的实时处理会导致数据处理量大并增加编程的难度，并且在整个检测过程中零件需在不同温度下重复检测，为此，程序设计分2步:1)在传感器检测时，将数据实时存入数据库;2)检测完毕试验箱升温或降温时，调用检测数据进行数据处理。

　　1)数据采集传感控制器与LabVIEW是基于TCP/IP协议利用以太网实现两者的通信。

　　首先设置传感控制器和计算机的IP地址、子网掩码和网关，然后在LabVIEW中运用“Getdllpath”，“DllretcodetoVIErrcode”等函数编写数据采集子VI，供LabVIEW主程序调用，最终实现LabVIEW对传感器数据的采集。

　　LabVIEW数据库工具包基于ODBC(openda-tabaseconnectivity)技术，利用DSN(datasourcenames)连接数据库，将采集到的数据存入数据库，并对这些数据进行管理和查询。

　　图4为传感器数据采集程序。

　　2)数据处理LabVIEW对所采集的数据进行数据截取、数据过滤以及求平均值。

　　在每次检测完毕后，LabVIEW调用测试原始数据，由于被检测的零件成规则排布，可根据伺服电机的行走路径、行走速度以及采集到的数据进行计算分析，计算出每个零件数据的范围并截取出每个零件的数据段，然后针对每个零件数据进行过滤，除去误差较大的数值，最后对剩下的数据求平均值，即可得零件某温度下的位移量。

　　待零件所有温度检测点全部检测完毕后，系统根据每个温度检测点的检测数据，计算出双金属片在各温度间的相对变形量，然后与标准变形量比较，就可判断出零件的合格性。

　　当产品检测不合格时，记下该产品对应的序列号，测试时间和各项测试指标，并在人机界面上显示，用户可根据约定的排练顺序，取出不合格产品。

　　此外，LabVIEW利用数据库工具包和报表工具包编写数据库管理和生成Word报表程序，从而用户可在人机界面上查询数据并打印报表。

　　3.2.2基于OPC协议实现对PLC的控制LabVIEW与PLC通信的实现过程分为2步:1)建立PLC与NIOPC服务器的连接:在NIOPCServers软件中添加新的Channl后，选择ModbusSerial驱动程序，并设置通信格式，然后新建设备名并添加标签属性。

　　2)建立OPC与LabVIEW的连接:首先，创建I/O服务器，并通过I/O服务器连接OPC标签的共享变量，然后将带标签的共享变量拖入程序框图，从而实现上位机与PLC的通信。

　　测试系统运行中，LabVIEW通过RS—232串行接口把设置的参数和操作量传递给PLC，PLC根据内部程序执行上位机的指令，并向上位机传输PLC状态。

　　3.2.3基于Modbus协议实现对DTC的控制在恒温试验箱运行中，LabVIEW通过Modbus协议实现与温控器通信并控制温控器工作。

　　LabVIEW程序运用NIModbus函数实现对温控器的控制，采用“MBSerialInit”函数进行端口配置、“MBSerialMasterQuery(poly)”函数读写寄存器的值、“VISA关闭”函数关闭等函数进行编程并把程序封装成温控器子VI。

　　图5为温控器子VI。

　　3.2.4LabVIEW人机界面的设计本测试系统人机界面由主控、调试、报警、查询、登入等界面组成。

　　为了用户能够更好地操作测试系统，该系统采用了人性化操作界面，其中主控界面有基本参数选择按钮，测试系统实时状态显示功能，激光位移传感器采集数据实时显示等。

　　4试验研究

　　4.1系统标定按检测流程标定出测试范围(-20～50℃)内每个整数温度下工装板的形变，以便系统计算零件形变量时除去此部分误差，从而保证测量精度。

　　4.2试验描述与结果分析所研制的测试系统对宁波蓝宝石科技仪器有限公司煤气表C型温度补偿片进行了测试。

　　先将零件安置到试验箱中，并设置试验箱测试点温度:-5，5，15，25，35℃。

　　测试系统运行后，待测试室温度由室温降到-5℃，然后三轴平台带着传感头运动检测出各零件与传感器基准之间的相对位移，传感器依次检测各个温度点，5个检测点总共检测时间大约58min，每次检测零件数为180个且不良零件全部检出。

　　表3为部分零件检测数据。

　　结果表明:该测试系统工作效率高、可靠性好、自动化程度高。

　　5结论

　　基于恒温试验箱、激光位移传感器等硬件平台和Lab-VIEW软件平台研制了双金属片形变测试系统，并对设备进行了实际测试，结果表明:1)所研制的恒温试验箱很好地解决了压缩机等部件的振动对测试结果的影响，并为检测提供了稳定、可靠的测试环境，提高了检测效率。

　　2)所研制的测试系统控制部分以LabVIEW为核心，采用性能优良的激光位移传感器，实现了透过双层玻璃的检测，且可较好地实现高效精确的数据传输和分析功能。

　　3)研制的测试系统采用触摸屏和LabVIEW人机界面，系统可视性提高，便于实现在线监测。

　　作者：楼应侯 朱文斌 王贤成 胡宁波 王友林 单位：浙江大学 宁波理工学院 机电与能源工程学院 太原科技大学 机械工程学院

　　第二篇

　　1自抗扰控制系统

　　1.1ADRC系统设计ADRC结构如图1所示。

　　此系统主要跟踪微分器(TD)、分线性组合、被控对象、扩张状态观测器4部分组成。

　　整个系统的流程安排主要由跟踪微分器完成。

　　扩张状态观测器主要作用是估计系统状态、模型和干扰[6]。

　　非线性组合主要是完成非线性误差反馈(NLSEF)确定一个固定的控制信号。

　　如果异步电机驱动系统是矢量控制的，此时应该选用一阶模型控制器，其结构也应该与其匹配的二阶ESO结构[7]。

　　基于一阶ADRC转速控制器结构图如图2所示。

　　转子链条不点是矢量控制的一个重要的特点。

　　如果转动惯量发生变化，此时会造成系统模型误差和负载扰动的情况，可以利用ADRC的特点，通过ESO观测此时的扩张状态Z2[8]。

　　1.2ADRC的优化在如图2的结构中，并没有TD的输出，这是因为ESO输出的观测值并没有被控制对象的微分项输出。

　　如果NLSEF被线性比例调节所代替，代替之后的优点是模型简化、计算量减小，同时还能很好的保证控制器的性能[9]。

　　优化后的一阶ADRC转速控制结构图如图3所示。

　　2系统软件设计

　　系统的程序流程图如图4所示。

　　整个系统的编程采用结构化的形式进行，在软件STEP7V5.2环境下通过语句表STL完成[11]。

　　3测试结果和分析

　　测试系统主要由监控软件、变频器和光电编码器构成。

　　其中监控软件使用的是WinCC。

　　变频器使用的型号是S7-300PLC。

　　具体的连接示意图如图5所示。

　　在实际的应用当中，控制器的离散控制周期决定了参数β01(β01=1/h)和β02(β02=1/(5h)2)的值。

　　在测试中设定h=100ms，所以相应的β01和β02的值分别为10和20。

　　kp和b0通过由小到大的试凑法整定。

　　变频器是矢量控制方式，原始速度为200r/min，周期为60s，整个系统的闭环响应可以通过变化的三角波得到。

　　其中n的变化范围是200r/min～500r/min。

　　具体的测试结果如图6和图7所示。

　　通过图6可以看出，传统的PLD控制和ADRC控制方式相比，PLD控制的跟随性很差。

　　而ADRC控制方式的跟随性很好。

　　通过图7(a)可以看出，ADRC控制方式和传统的PLD控制方式相比，其鲁棒性和抗干扰性具有明显的优势。

　　通过图7(b)可以看出，ADRC控制方式和传统的PLD控制方式相比，其动态性能更好。

　　4结论

　　传统的PLC变频调速系统存在一些不足，为了很好的解决这些问题，文章提出了一种基于自抗扰控制器的异步电机变频调速系统。

　　文章主要介绍了此系统的数学模型和具体的实现方法。

　　测试结果表明，和传统的PLC变频调速系统相比运行性能提高了很多。

　　文章还介绍了ADRC的优化方法。

　　优化后的系统不但减少了计算量，而且控制器的参数也大大减少。

　　作者：马宏骞 单位：辽宁机电职业技术学院自控系