材料加工過程的計算機(jī)控制

第八章材料加工過程

的計算機(jī)限制書目8.1引言8.2計算機(jī)限制技術(shù)基礎(chǔ)8.2.1計算機(jī)限制系統(tǒng)的概念8.2.2生產(chǎn)過程限制系統(tǒng)的發(fā)展8.2.3計算機(jī)限制系統(tǒng)的分類8.2.4限制系統(tǒng)計算機(jī)的分類和選擇(自修)8.2.5限制系統(tǒng)的主要特點和基本要求

書目28.3過程通道與數(shù)據(jù)采集8.8.1檢測技術(shù)8.8.2限制儀表與裝置8.8.3過程通道及數(shù)據(jù)采集8.4材料加工的計算機(jī)限制8.4.1高分子材料加工的計算機(jī)限制8.4.2金屬材料加工的計算機(jī)限制8.4.3無機(jī)非金屬材料燒成的計算機(jī)限制計算機(jī)在材料加工中的應(yīng)用分為：物化性能測試數(shù)據(jù)的采集和處理計算機(jī)幫助探討計算機(jī)幫助模具設(shè)計和制造加工過程自動限制（過程檢測與限制）材料加工過程的全面質(zhì)量管理8.1引言過程檢測與限制按預(yù)先設(shè)計的限制方法及策略，對被控過程施以有效的限制作用，使受控量按輸入叮囑變更，達(dá)到把反映過程的各種參量（狀態(tài)量）或受控量數(shù)值通過傳感器或變送器等（統(tǒng)稱一次儀表）檢測出來，并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，供?yīng)應(yīng)限制系統(tǒng)顯示或限制系統(tǒng)過程進(jìn)行限制的目的。這一個過程就稱為過程檢測與限制。8.2計算機(jī)限制技術(shù)基礎(chǔ)8.2.1計算機(jī)限制系統(tǒng)的概念基本原理控制系統(tǒng)與過程電信號受控量檢測量電信號隨檢測量變化按輸入命令變化筒溫設(shè)定值計算機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)料筒筒溫溫度監(jiān)測調(diào)節(jié)器D/AA/D實時檢測：將被控對象參數(shù)的瞬時值通過自動化儀表檢出，經(jīng)轉(zhuǎn)換為工控機(jī)能識別的數(shù)據(jù)。實時決策：分析、比較、推斷被控參數(shù)與給定目標(biāo)間的差距，提出限制方案。實時限制：依據(jù)決策結(jié)果，將限制叮囑轉(zhuǎn)換為工業(yè)對象能夠接收的限制信號。實時限制的含義8.2.2生產(chǎn)過程限制系統(tǒng)的發(fā)展原始生產(chǎn)過程限制系統(tǒng)完全由人工實現(xiàn)；通過人的感官對被控對象的工藝參數(shù)進(jìn)行檢測；人的大腦對偏離程度作出推斷并依據(jù)閱歷作出決策；由人去執(zhí)行、調(diào)整。人：檢測元件、調(diào)整器、執(zhí)行器設(shè)定值比較偏差調(diào)節(jié)器控制信號執(zhí)行器被控過程被控參量檢測元件及變送器測量值接受模擬限制器的自動限制系統(tǒng)利用限制器代替人的分析、推斷、決策功能計算機(jī)自動限制系統(tǒng)代替人的分析、推斷、決策和常規(guī)二次儀表的功能；8.2.3計算機(jī)限制系統(tǒng)的分類開環(huán)限制系統(tǒng)：生產(chǎn)過程的巡回檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)操作指導(dǎo)限制系統(tǒng)閉環(huán)限制系統(tǒng)：干脆數(shù)字限制系統(tǒng)（DDC）監(jiān)督限制系統(tǒng)（SCC）：SCC加模擬限制器的限制系統(tǒng)SCC加DDC限制系統(tǒng)分布式限制系統(tǒng)-分組式限制系統(tǒng)集散限制系統(tǒng)（DCS）開環(huán)限制系統(tǒng)開環(huán)限制(離線限制)：計算機(jī)將測量數(shù)據(jù)計算后，將被限制數(shù)據(jù)顯示或打印輸出，供操作人員參考，以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的限制。計算機(jī)本身不干脆參與限制，而是由人干脆變更調(diào)整器的設(shè)定值或干脆操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)生產(chǎn)過程計算機(jī)顯示打印計算結(jié)果原料產(chǎn)品限制常見系統(tǒng)：生產(chǎn)過程的巡回檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；操作指導(dǎo)限制系統(tǒng)閉環(huán)限制系統(tǒng)閉環(huán)限制也稱在線限制。計算機(jī)將限制參數(shù)的數(shù)據(jù)采樣并計算后，輸出經(jīng)過處理的數(shù)值，干脆變更常規(guī)調(diào)整器的給定值或操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)以限制生產(chǎn)過程。這種限制系統(tǒng)由計算機(jī)干脆參與給定值整定或限制。生產(chǎn)過程計算機(jī)顯示打印計算結(jié)果原料產(chǎn)品控制常見系統(tǒng)：干脆數(shù)字限制系統(tǒng)（DDC）；監(jiān)督限制系統(tǒng)（SCC）。

DDC計算機(jī)取代模擬調(diào)整器

SCC計算機(jī)既定條件下的給定值，并返回DDC級；自動變更模擬調(diào)整器或DDC工控機(jī)的給定值，使生產(chǎn)過程優(yōu)化兩種形式：SCC加模擬調(diào)整器的限制系統(tǒng)SCC加DDC限制系統(tǒng)分布式限制系統(tǒng)由多臺微處理器或微機(jī)分別擔(dān)當(dāng)部分限制任務(wù)企業(yè)級經(jīng)營管理計算機(jī)車間級監(jiān)控計算機(jī)(SCC)車間級監(jiān)控計算機(jī)(SCC)裝置控制級DDC裝置控制級DDC加工對象A加工對象B裝置控制級DDC裝置控制級DDC加工對象C加工對象D工廠級集中控制計算機(jī)至其它工廠至其它工廠集散限制系統(tǒng)(DCS)管理計算機(jī)監(jiān)控計算機(jī)CRT操作臺高速數(shù)據(jù)通道基本控制器數(shù)據(jù)采集器基本控制器DEP面板工業(yè)對象小規(guī)模中規(guī)模大規(guī)模8.3過程通道與數(shù)據(jù)采集輸入部分：傳感器、變送器、A/D轉(zhuǎn)換輸出部分：D/A轉(zhuǎn)換、信號調(diào)整器、限制執(zhí)行器8.3.1檢測技術(shù)檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)：傳感器變送器檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)從諸多不能干脆輸入計算機(jī)處理的被檢測的物理量中提取所須要的信息，并轉(zhuǎn)換為能反映物理量實際變更的電信號。傳感器將被測對象的物理參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的易于檢測、傳送或限制的模擬信號的器件；由敏感元件和部分測量電路構(gòu)成。電阻式傳感器電感式傳感器電容式傳感器

電阻式傳感器

把被測參數(shù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電阻值，通過測量電阻值來反映被測參數(shù)；

電位器式電阻傳感器、電阻應(yīng)變式傳感器、熱電式傳感器

電感式傳感器

把被測參數(shù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電感值，

通過測量電感值來反映被測參數(shù)；

氣隙式電感傳感器、電渦流式傳感器、差動變壓器

電容式傳感器

把被測參數(shù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電容值，

通過測量電容值來反映被測參數(shù)對溫度、壓力、液位、流量、成分等物理量進(jìn)行測量，并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號。傳感器是借助于敏感元件，接受物理量形式的信息，并按確定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或另一種物理量信息的儀表；變送器是輸出標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器；為適應(yīng)下一單元的須要，將各種物理量的電信號進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)電信號。變送器8.3.2限制儀表與裝置調(diào)整器把偏差信號（被調(diào)整參數(shù)與給定值的差值）按確定規(guī)律運算，并給出輸出信號進(jìn)行調(diào)整，使被調(diào)整參數(shù)回到給定值。調(diào)節(jié)規(guī)律：比例、積分、微分調(diào)整器類型：比例調(diào)整器、比例積分調(diào)整器、比例微分調(diào)整器、比例積分微分調(diào)整器比例調(diào)整器：輸出與輸入成正比剛好快速但存在靜差比例積分調(diào)整器：積分作用隨輸出與偏差存在的時間延長而增加，直到偏差消退；比例與積分作用合用，能消退靜差，又剛好快速比例微分調(diào)整器：微分作用的輸出能反映偏差輸入的變更速度；比例與微分作用合用比例積分微分調(diào)整器：最完善的調(diào)整器，通過參數(shù)調(diào)整，可以變?yōu)槠渌N調(diào)整器接受調(diào)整器的限制信號，自動變更操作變量，對被調(diào)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整分類：氣動執(zhí)行器、電動執(zhí)行器執(zhí)行器8.3.3過程通道及數(shù)據(jù)采集數(shù)字信號模擬量信號計算機(jī)被控工業(yè)對象過程通道輸入通道數(shù)據(jù)放大采樣保持信號處理信號處理信號處理工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場被測參數(shù)傳感器傳感器傳感器多路轉(zhuǎn)換開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換器控制電路微型計算機(jī)輸入-輸出接口模擬量輸入通道開關(guān)量輸入數(shù)字量輸入數(shù)字量輸入通道輸出通道

控制電路主機(jī)送來的“校正”信號輸入-輸出接口模擬量輸出通道數(shù)字量輸出D/A轉(zhuǎn)換器多路轉(zhuǎn)換開關(guān)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場被測參數(shù)調(diào)節(jié)執(zhí)行n調(diào)節(jié)執(zhí)行1數(shù)字量輸出通道模擬量輸入信號處理采樣周期的選擇采樣方式數(shù)字濾波標(biāo)度變換（工程量變換）非線性補償采樣及采樣方式干擾與抑制tX（t）模擬信號tX（t）離散模擬信號T2T8T4T5T6T7T采樣tX（t）T2T8T4T5T6T7T量化1010110111101100100110001001采樣：將連續(xù)時間的模擬量信號，按周期T采集后,輸出為離散時間的數(shù)字量信號。采樣及采樣方式采樣方式A.延時采樣：接受延時程序等待A/D轉(zhuǎn)換完成。發(fā)啟動A/D轉(zhuǎn)換信號延時等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束采樣讀取數(shù)據(jù)采樣方式B.查詢采樣接受程序指令查詢A/D轉(zhuǎn)換器是否完成轉(zhuǎn)換。查詢A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束？發(fā)啟動A/D轉(zhuǎn)換信號采樣讀取數(shù)據(jù)否等待采樣方式C.中斷方式發(fā)啟動A/D轉(zhuǎn)換信號等待中斷A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束由接口發(fā)出中斷請求CPU響應(yīng)中斷執(zhí)行中斷服務(wù)程序采樣接受A/D轉(zhuǎn)換后的信號送到I/O接口，由I/O接口向CPU發(fā)出中斷懇求，CPU響應(yīng)中斷時執(zhí)行中斷服務(wù)子程序進(jìn)行采樣讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。A.常態(tài)干擾：Ⅰ定義：由信號源產(chǎn)生或引線上感應(yīng)接收來的，迭加在被測直流信號上的溝通干擾信號。VsVnm?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器信號源?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器VsVnm干擾與抑制Ⅱ抑制方法a.接受輸入濾波器.b.接受數(shù)字濾波(對輸入被測信號的平均值進(jìn)行轉(zhuǎn)換)變更很快的干擾a.對儀器儀表實施電、磁屏蔽b.接受帶屏蔽層的雙絞線或同軸電纜作信號連接線c.使系統(tǒng)良好接地頻率與信號頻率相近的干擾B.共態(tài)干擾：Ⅰ定義：由于被測信號端地線和微機(jī)的地線之間存在的電位差，而產(chǎn)生的系統(tǒng)兩輸入端共有的干擾電壓稱為共態(tài)干擾。VsVcm模/數(shù)轉(zhuǎn)換器高低Ⅱ抑制方法a.差動放大器b.接受雙層浮地屏蔽疼惜多路采樣系統(tǒng)計算機(jī)限制系統(tǒng)的各種物理參數(shù)有不同的量綱，如溫度為℃；壓力接受Pa；流量用m8/n等。這些參數(shù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，變成數(shù)字量信息輸出，這個數(shù)字量雖然代表參數(shù)值的大小，但并不一定等于原來帶有量綱的參數(shù)值，必需將它轉(zhuǎn)換成原來參數(shù)的真實值才能進(jìn)行顯示，打印或運用這種轉(zhuǎn)換稱為標(biāo)度變換或工程量變換。標(biāo)度變換

標(biāo)度變換要求參數(shù)值與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果（采樣值）之間呈線性關(guān)系。在參數(shù)量程起點（輸入信號為零），標(biāo)度變換公式如下：A0參數(shù)量程起點值A(chǔ)M參數(shù)量程終點值N0量程起點對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值Nx測量值對應(yīng)的A/D值(采樣值)，即濾波器的輸出值A(chǔ)x參數(shù)測量值對于一個檢測系統(tǒng)為常數(shù)通常在參數(shù)是量程起點(輸入信號為零)A/D轉(zhuǎn)換值為零(即N0=0)，上式簡化為：在工程應(yīng)用和生產(chǎn)中，由計算機(jī)測試和限制的某些參數(shù)值與經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)（采樣值）之間呈非線性關(guān)系，因而不能干脆利用標(biāo)度變換公式，故需進(jìn)行線性補償。如溫度測量時，熱電偶輸出值和采樣值呈線性關(guān)系，而測量溫度值和采樣值呈非線性關(guān)系。分兩步處理：先用標(biāo)度變換公式求出采樣值（數(shù)字值）所代表的熱電偶毫伏（Mv）值，非線性補償線性方程將待測量溫度范圍分成若干段，依據(jù)熱電偶分度表中的溫度與毫伏值的比照表，按最小二乘法經(jīng)線性回來計算求出每段線段的線性方程為：T=aU+b式中：T測量點實際溫度值U測量點熱電偶毫伏值a、b線性方程系數(shù)，由回來計算求出將上式編程，把標(biāo)度變換后得到的毫伏值代入，便可求出實際溫度值。B.插補公式同樣將待測溫度范圍分成若干段，求出每始終線段的插補公式為：Tx=Nx+a（Ux-Uk）式中：Tx測量點實際溫度值Ux測量點熱電偶毫伏值Tk直線段起始點溫度值a斜率系數(shù)8.4材料加工的計算機(jī)限制高分子材料加工的計算機(jī)限制金屬材料加工的計算機(jī)限制無機(jī)非金屬材料燒成的計算機(jī)限制8.4.1高分子材料加工的計算機(jī)限制注塑機(jī)的計算機(jī)限制主要實現(xiàn)：依次限制過程限制注塑制品的質(zhì)量限制集中管理和集中監(jiān)視限制注塑機(jī)的機(jī)械運動A.模腔裝置的周期運動模板起先閉合、正式閉模、模板起先開啟、正式開模B.注射裝置的周期運動注射、保壓、冷卻注塑機(jī)的依次限制注射循環(huán)過程A.主循環(huán)工序合模引料、充模、保壓、倒流、凝封、冷卻、開模B.幫助工序前處理即進(jìn)料和預(yù)塑；后處理即制品的頂出注塑機(jī)的動作依次閉模注射座前進(jìn)注射保壓預(yù)塑注射座后退開模頂出注塑階段充模階段壓縮階段保壓階段加料階段注塑控制注射速度控制速度/壓力切換截止壓力控制保壓控制背壓控制時間注塑機(jī)的過程限制溫度限制注射速度限制壓力限制料筒及噴嘴溫度注塑加工中需限制塑料的熔融溫度b.模具溫度模具表面溫度對成品質(zhì)量有重要的影響筒體溫度限制為保證工藝須要，各節(jié)筒體均需維持溫度恒定及相互間具有預(yù)定的溫度梯度。限制系統(tǒng)組成嵌入式薄型工控機(jī)多路高精度測控模塊塑料擠出機(jī)強(qiáng)電執(zhí)行系統(tǒng)塑料擠出過程的計算機(jī)限制塑料擠出過程的計算機(jī)限制2多路高精度測控模塊：通過串行通信口接受工控機(jī)的指令，對塑料擠出機(jī)的各種狀態(tài)進(jìn)行測量，經(jīng)濾波、校準(zhǔn)和標(biāo)度轉(zhuǎn)換后發(fā)回工控機(jī)嵌入式薄型工控機(jī)：把這些狀態(tài)測量值以彩色圖形方式顯示，并將依據(jù)測量值計算所得限制量發(fā)往測控模塊塑料擠出機(jī)強(qiáng)電執(zhí)行系統(tǒng)：測控模塊依據(jù)此限制量通過強(qiáng)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)對擠出機(jī)進(jìn)行各種限制折徑寬度的限制系統(tǒng)薄膜平均厚度的限制W=πaD/2薄膜吹塑生產(chǎn)過程的計算機(jī)限制8.4.2金屬材料加工的計算機(jī)限制對加熱爐實現(xiàn)溫度\時間\氣氛\工序動作自動限制溫度限制溫度信號測量與處理溫度限制：PID溫度限制算法斷偶疼惜報警分區(qū)溫度限制決策溫度信號測量與處理1

溫度信號測量與處理熱電偶執(zhí)行器I/O接口加熱爐轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器計算機(jī)感溫元件熱電勢