氣體滲碳的計(jì)算機(jī)控制

目錄

摘要......................................................................1

ABSTRACT....................................................................................................錯(cuò)誤！未定義書簽。

1緒論....................................................................2

L1滲碳技術(shù)概述.........................................................2

1.1.1滲碳工藝、組織和性能研究.........................................2

1.1.2碳勢(shì)測(cè)試與控制技術(shù)...............................................4

1.2DCS系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì).....................................................5

1.2.1DCS發(fā)展趨勢(shì)....................................................5

1.2.2DCS的結(jié)構(gòu)......................................................6

1.2.3DCS的特點(diǎn)......................................................7

2MCS-51系列單片機(jī).......................................................9

2.1MCS-51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu).............................................9

2.2MCS-51單片機(jī)外部引腳及其功能......................................12

3傳感器電路的設(shè)計(jì).......................................................14

3.1傳感器電路.........................................................14

3.1.1傳感器電路的作用................................................14

3.1.2對(duì)傳感器電路的主要要求..........................................14

3.1.3傳感器電路的設(shè)計(jì)方法............................................16

3.2傳感器電路抗干擾設(shè)計(jì)...............................................17

3.3傳感器電路抗溫度干擾設(shè)計(jì)...........................................18

3.3.1環(huán)境溫度變化是不可避免的........................................18

3.3.2環(huán)境溫度變化對(duì)電路的影響........................................19

3.3.3抗溫度漂移的方法與設(shè)計(jì)..........................................19

4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)...........................................................21

4.1系統(tǒng)組成概述.......................................................21

4.2主機(jī)...............................................................21

4.2.1總線擴(kuò)展........................................................22

4.2.2并行總線擴(kuò)展基本問題............................................22

4.2.3具體電路設(shè)計(jì)....................................................23

4.3輸入通道...........................................................26

4.4輸出通道...........................................................30

4.5液晶屏和鍵盤接口...................................................30

5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)...........................................................32

5.1溫度控制的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).............................................32

5.1.1主程序設(shè)計(jì)......................................................32

5.1.2自診斷程序設(shè)計(jì)..................................................33

5.1.3中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)................................................34

5.1.4數(shù)據(jù)采集輸入程序設(shè)計(jì)............................................35

5.1.5復(fù)合濾波程序設(shè)計(jì)................................................35

5.1.6線性化處理與標(biāo)度變換程序設(shè)計(jì)....................................37

5.1.7PID控制程序設(shè)計(jì)................................................39

5.2碳勢(shì)控制的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)..............................................40

5.2.1氣氛控制過(guò)程簡(jiǎn)介與數(shù)學(xué)模型的建立................................40

5.2.2碳勢(shì)采樣........................................................41

5.2.3碳勢(shì)PID運(yùn)算...................................................42

5.2.4碳勢(shì)控制量輸出程序設(shè)計(jì)..........................................43

6結(jié)論...................................................................44

參考文獻(xiàn).................................................................45

附錄.....................................................................46

致謝...................................................................47

II

摘要

氣體滲碳是應(yīng)用廣泛的表面強(qiáng)化熱處理技術(shù)，氣體滲碳的計(jì)算機(jī)控制是氣體滲碳生

產(chǎn)質(zhì)量的保證。微型計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的外圍設(shè)備配合不僅能自動(dòng)測(cè)量，記錄，調(diào)節(jié)工藝過(guò)

程的參數(shù)，還能根據(jù)測(cè)得的過(guò)程參數(shù)進(jìn)行工況分析，綜合，判斷，數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)預(yù)

先給定的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果調(diào)整給定值，優(yōu)化生產(chǎn)工藝過(guò)程，達(dá)

到質(zhì)量最優(yōu)。因此，隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，熱處理工藝自動(dòng)控制向著精確和高度

自動(dòng)化方向發(fā)展，例如，熱處理的微機(jī)測(cè)溫技術(shù)，微機(jī)控制滲碳等。系統(tǒng)的硬件配置以

89c52微控制器為核心，擴(kuò)展了多路數(shù)據(jù)采集，控制量輸出，鍵盤以及顯示等。系統(tǒng)軟

件采用了模塊化思路。它的主要功能有：數(shù)據(jù)采集功能，數(shù)字濾波功能，標(biāo)度變換和線

形化處理功能，順序控制功能，信號(hào)報(bào)警功能，數(shù)據(jù)通信功能等。

通過(guò)滲碳控制系統(tǒng)的下位機(jī)的建立，可以精確的控制零件表面含碳量，碳濃度梯度

和滲碳層厚度，穩(wěn)定滲碳工藝的質(zhì)量，因而提高了滲碳零件的機(jī)械性能。實(shí)現(xiàn)無(wú)氧化、

無(wú)脫碳與增碳熱處理，可以提高零件的表面質(zhì)量及機(jī)械性能，減少零件的加工余量和鋼

材的燒損量，因而就能節(jié)省工時(shí)及能耗，節(jié)約金屬材料。實(shí)現(xiàn)特殊的熱處理工藝，如硅

鋼片的脫碳退火，軋制鋼材的復(fù)碳退火等。實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改

善勞動(dòng)條件。

關(guān)鍵詞：滲碳過(guò)程微捽制器表面強(qiáng)化技術(shù)

1緒論

1.1滲碳技術(shù)概述

滲碳是目前機(jī)械制造工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種化學(xué)熱處理工藝。通過(guò)滲碳，工件表

層可以得到足夠高的硬度、耐磨性及疲勞抗力，而心部保持足夠的強(qiáng)度和韌性。我國(guó)遠(yuǎn)

在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期就廣泛應(yīng)用固體滲碳法，且達(dá)到很高的技術(shù)水平。上世紀(jì)40年代后，氣體

滲碳工藝迅速發(fā)展起來(lái)，它具有生產(chǎn)率高、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)，滲碳層碳濃

度可以控制，滲碳質(zhì)量高，滲碳后可直接淬火等優(yōu)點(diǎn)。尤其是計(jì)算機(jī)及計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)

應(yīng)用到滲碳工藝以后實(shí)現(xiàn)按工件要求的表面碳濃度、層深、滲碳過(guò)程的全自動(dòng)控制和調(diào)

節(jié)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、可靠，從而確定了它在生產(chǎn)中的主導(dǎo)地位。我國(guó)氣體滲碳的數(shù)學(xué)模

型和計(jì)算機(jī)模擬研究始于上世紀(jì)70年代末、80年代初。數(shù)值模擬便于處理非線性問題,

氣體滲碳的數(shù)值模擬，將工藝參數(shù)（溫度、氣體成分、傳遞系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)等）作為時(shí)間

的函數(shù)，并考慮了形狀因素的影響，使之更加貼近生產(chǎn)實(shí)際情況。在大多數(shù)情況下，可

以用擴(kuò)散方程的一維有限差分方程模擬滲層瞬態(tài)濃度場(chǎng)，根據(jù)碳濃度分布可以進(jìn)一步計(jì)

算硬度分布。盡管滲碳技術(shù)是?項(xiàng)比較成熟的技術(shù)，但隨著技術(shù)的發(fā)展，尤其是微電子

技術(shù)和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使得目前國(guó)內(nèi)外對(duì)滲碳技術(shù)的研究仍比較活躍，1996年以來(lái)，僅

國(guó)內(nèi)科技期刊發(fā)表的關(guān)于滲碳方面的文章就達(dá)200余篇。

1.1.1滲碳工藝、組織和性能研究

（1）中高合金鋼滲碳研究

由于對(duì)滲碳件綜合性能，如高強(qiáng)度、高韌性和高淬透性要求的不斷提高，中高合金

滲碳鋼的研究和應(yīng)用研究也多了起來(lái)。郭雅萍等人對(duì)17Cr2Ni2M。鋼制齒輪滲碳工藝進(jìn)

行了研究，應(yīng)用在軋機(jī)主減速機(jī)齒軸上代替進(jìn)口材料。針對(duì)滲碳后緩冷產(chǎn)生裂紋問題，

陳柯研究了17CrNiMo6鋼滲碳齒輪滲碳后緩冷產(chǎn)生裂紋的原因，認(rèn)為在緩冷過(guò)程中析

出網(wǎng)狀碳化物是產(chǎn)生裂紋的根源，提出的解決辦法是控制滲層表面含碳量不要超過(guò)

0.9%。合金元素含量較高的滲碳鋼，滲碳后存在大量殘余奧氏體，不僅降低硬度和耐磨

性，而且容易產(chǎn)生磨削裂紋，導(dǎo)致早期失效，文獻(xiàn)認(rèn)為通過(guò)采用兩次高溫回火可解決該

問題。文章探討了20Cr2Mn2M。鋼滲碳后空冷開裂原因，認(rèn)為過(guò)高的碳濃度以及不合適

的冷卻速度導(dǎo)致了開裂。以上分析說(shuō)明，過(guò)高的碳濃度是導(dǎo)致滲碳缺陷的一個(gè)重要原因,

因而，合理控制滲層含碳量是控制滲碳質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵問題。劉喜明等人通過(guò)不同溫度

回火和冷處理的方法改變18Cr2Ni4WA鋼滲碳后的殘余奧氏體量，認(rèn)為在低載荷下奧氏

體量少、硬度高的耐磨性高，而高載荷下正好相反。通過(guò)對(duì)滲碳齒輪疲勞強(qiáng)度的研究，

認(rèn)為碳化物對(duì)疲勞強(qiáng)度是有害的，認(rèn)為滲層為共析成分或略高一點(diǎn)時(shí)疲勞強(qiáng)度高。通過(guò)

臺(tái)架試驗(yàn)研究了滲碳工藝對(duì)齒輪疲勞強(qiáng)度的影響，認(rèn)為滲碳層含碳量對(duì)滲層組織、殘余

奧氏體量等都有很大影響，同時(shí)也影響到滲層的殘余應(yīng)力及其分布，對(duì)疲勞性能的影響

2

是顯著的。

(2)過(guò)飽和滲碳技術(shù)

普通滲碳主要靠高碳馬氏體強(qiáng)化表面而當(dāng)工件中含有一定量的碳化物形成元素并

在一定碳勢(shì)下滲碳時(shí)，滲層中將有碳化物析出。這些細(xì)小、彌散分布的碳化物質(zhì)點(diǎn)使表

面具有更高的硬度和耐磨性能大幅度提高工模具的使用壽命，這種滲碳方法被稱為“過(guò)

飽和滲碳”或高濃度滲碳。高濃度滲碳具有滲速快和可得到大量(20-50%)碳化物的特點(diǎn)，

顯示出比普通滲碳優(yōu)異的耐磨性、耐蝕性，更高的接觸和彎曲疲勞強(qiáng)度，較高的沖擊韌

度和較低的脆性，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究較多。M42高速鋼和Crl2MoV冷模具鋼在流動(dòng)

粒子爐中進(jìn)行過(guò)飽和滲碳，可以在滲層中得到分布均勻、細(xì)小的碳化物。文獻(xiàn)對(duì)超飽和

滲碳理論以及數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了詳細(xì)討論，提出了碳化物極限值、碳勢(shì)門檻值等概念。認(rèn)

為合金鋼超飽和滲碳過(guò)程可分為三個(gè)階段。第一階段A狀態(tài)超飽和滲碳，第二階段是Y

狀態(tài)超飽和滲碳，第三階段形成了白亮層?？傊^(guò)飽和滲碳具有較大應(yīng)用前景，但由

于其滲碳過(guò)程的復(fù)雜性，工藝的穩(wěn)定性相對(duì)較差，目前還未在實(shí)際中得到大量使用。

(3)催滲技術(shù)

滲碳是熱處理中周期最長(zhǎng)的工藝之一因而人們對(duì)催滲技術(shù)的研究也就非常重視。

中國(guó)熱處理行業(yè)協(xié)會(huì)推薦的BH催滲劑及催滲技術(shù)被評(píng)為《中國(guó)機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)》

一等獎(jiǎng)，稀土化學(xué)熱處理是我國(guó)學(xué)者上世紀(jì)80年代初首次提出的嶄新課題。稀土元素

的加入，一方面加快了化學(xué)熱處理過(guò)程的速度，降低了溫度，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，同

時(shí)也提高了零件的綜合力學(xué)性能。稀土滲碳工藝可分為固體、液體、注式以及吸熱式氣

氛稀土滲碳。陳立佳等采用液體滲碳方法進(jìn)行稀土碳共滲，利用X射線衍射技術(shù)、穆斯

堡爾譜等研究了稀土對(duì)滲碳層組織及性能的影響。結(jié)果表明，稀土元素的滲入可抑制滲

碳體的形成，且可使?jié)B碳層中殘余奧氏體及(Fe,Cr)7c3型碳化物量增加，馬氏體量減少。

此外稀土的滲入也可提高滲碳層的硬度和耐磨性。閻牧夫等在吸熱式可控氣氛中加入稀

土進(jìn)行稀土滲碳，結(jié)果表明，900C稀土滲碳可使?jié)B層深度增加，比原工藝(9300C滲碳)

滲層深度增加14.1%,表層組織、表面硬度及耐磨性優(yōu)于原工藝。王心明對(duì)機(jī)車常用的

20CrMnMo,20CrMnTi等材質(zhì)的齒輪及試樣進(jìn)行了稀土滲碳工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，

在相同滲碳溫度條件下，稀土滲碳速度比常規(guī)滲碳速度提高20%-30%。綜上所述，滲碳

新工藝新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，人們?cè)诓粩鄬で蟾斓臐B碳方法，盡力縮短滲碳時(shí)間。從工藝

上說(shuō)某某方法提高了滲碳速度，而從模擬計(jì)算來(lái)說(shuō)，就是碳勢(shì)、碳的擴(kuò)散系數(shù)和傳遞系

數(shù)發(fā)生了變化。碳勢(shì)可以通過(guò)如氧探頭、電阻法進(jìn)行測(cè)試，而碳的擴(kuò)散系數(shù)和傳遞系數(shù)

是不容易測(cè)試的，目前還沒有成熟的方法。它們也往往因滲碳鋼的成分、氣氛成分的

改變而改變。

3

1.1.2碳勢(shì)測(cè)試與控制技術(shù)

（1）碳勢(shì)的測(cè)試

滲碳零件的表面碳濃度取決于爐氣碳勢(shì)和滲碳時(shí)間。爐氣碳勢(shì)是指鋼與氣氛處于熱

力學(xué)平衡時(shí)的碳濃度。該量值是氣氛的特性，也是鋼的特性，而且只有在系統(tǒng)處于熱力

學(xué)平衡時(shí)才有意義。通?？梢詫?.1mm或更薄的純鐵片放在滲碳爐中，經(jīng)過(guò)30min以

上時(shí)間滲碳后取出，測(cè)出含碳量，該含碳量即為碳勢(shì)。這種碳勢(shì)的直接測(cè)量方法比較麻

煩，一般只在校驗(yàn)和標(biāo)定其他測(cè)量方法時(shí)使用。實(shí)際應(yīng)用中多采用基于化學(xué)平衡的測(cè)量

方法和電阻法（也是一種直接測(cè)量方法）。

①露點(diǎn)儀

露點(diǎn)就是氣氛中的水汽開始結(jié)露（霧）的溫度。氣氛中的水汽越多，露點(diǎn)越高，碳勢(shì)

也就越低。

②紅外線氣體分析儀

紅外線氣體分析儀的測(cè)量原理是基于各種氣體對(duì)紅外線的不同吸收效應(yīng)。在氣體

中，單原子氣體和同原子的雙原子氣體均不吸收紅外線，其他氣體對(duì)紅外線有選擇性的

吸收效應(yīng)。因而，可以用紅外線氣體分析儀分析滲碳?xì)夥罩械腃O,CO2和CR氣體的相

對(duì)含量，從而確定碳勢(shì)。

③氧探頭

目前國(guó)內(nèi)外主要用氧探頭測(cè)碳勢(shì)，將氧探頭直接插入滲碳爐中測(cè)出爐氣的氧勢(shì)。所

謂氧勢(shì)即氣氛中氧的濃度或氧的分壓。根據(jù)氧勢(shì)與碳勢(shì)關(guān)系計(jì)算爐內(nèi)氣氛碳勢(shì)。

④電阻法

電阻探頭又稱熱分析儀是目前唯一的直接連續(xù)測(cè)量爐氣碳勢(shì)的方法。其原理是：將

1根一定長(zhǎng)度、直徑0.08-0.20mm的細(xì)鐵絲（或鐵鍥絲）直接置于滲碳?xì)夥罩?，?dāng)滲碳溫

度一定時(shí)，細(xì)鐵絲在高溫單相奧氏體狀態(tài)下的電阻值僅取決于爐氣的碳勢(shì)，即R=f（Cp）,

根據(jù)細(xì)鐵絲在滲碳爐氣中被迅速滲碳或脫碳所引起的電阻值變化，即可連續(xù)測(cè)量爐氣碳

勢(shì)。細(xì)鐵絲的電阻值還與溫度有關(guān)，即R=f（C%,t）。電阻探頭用鋼箔定碳法校對(duì)，在

790℃-1000℃范圍內(nèi)用來(lái)分析0.15%C~1.30%C的碳勢(shì)（指含碳量）的控制精度為

+0.05%C--0.05%Co文獻(xiàn)也比較詳細(xì)的研究了電阻法測(cè)碳勢(shì)。

（2）碳勢(shì)的控制

下圖是碳勢(shì)控制原理框圖。滲劑可以是煤油、乙醇等液體滲劑或吸熱、放熱可控

氣氛，經(jīng)流量計(jì)、電磁閥進(jìn)入滲碳爐內(nèi)。探頭可以是氧探頭、電阻探頭等用于測(cè)試爐內(nèi)

氣體的碳勢(shì)，經(jīng)過(guò)碳控儀與設(shè)定的碳勢(shì)值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果控制電磁閥的開關(guān)，

調(diào)節(jié)滲劑流量，達(dá)到控制爐內(nèi)碳勢(shì)的目的。

4

圖1-1碳勢(shì)控制原理

文獻(xiàn)介紹了井式爐滲碳過(guò)程的計(jì)算機(jī)控制，指出其具有確保滲碳質(zhì)量、提高效率、

節(jié)約能源、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)?？煽貧夥彰芊舛嘤脿t及有關(guān)滲碳技術(shù)從上世紀(jì)80年

代到90年代出現(xiàn)了強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。傳統(tǒng)的“碳勢(shì)控制”已發(fā)展為“碳濃度分布控制”

的新概念，數(shù)學(xué)模型以及新型傳感器和在線計(jì)算機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)得到很大發(fā)展，在國(guó)

外已廣泛用于生產(chǎn)。新的測(cè)試手段和計(jì)算機(jī)控制推動(dòng)了非平衡態(tài)直生氣氛控制難題的解

決，從而使直生氣氛的可控滲碳進(jìn)入實(shí)用階段。碳勢(shì)控制與滲碳過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬相結(jié)合，

改變傳統(tǒng)的粗放式滲碳方式是提高滲碳質(zhì)量的根本出路。

1.2DCS系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

1.2.1DCS發(fā)展趨勢(shì)

1975年美國(guó)Honeywell公司推出以微處理器為基礎(chǔ)的TDC-200總體分散控制系統(tǒng)，其

型號(hào)中的TDC取TotalDistributedControl3個(gè)單詞的第1個(gè)字母，含義是集中操作、顯示、

分散控制。隨后，世界上諸多儀表廠商相繼推出此類產(chǎn)品，并統(tǒng)稱為DCS。DCS是“4C”

(Computer,Communication,Control,CRT)技術(shù)的結(jié)晶。它的出現(xiàn)不僅代表了一種新型自

動(dòng)化工具，而且預(yù)示著工廠自動(dòng)化內(nèi)涵的改變。DCS在控制方式、控制功能的實(shí)現(xiàn)、信

息傳送與處理等方面和過(guò)去摸擬儀表相比有本質(zhì)不同。20多年來(lái)DCS在結(jié)構(gòu)、功能、性

能等方面均得到了迅速發(fā)展與提高，這里結(jié)合考察中的所見所聞，對(duì)環(huán)境設(shè)備DCS發(fā)展

趨勢(shì)做一簡(jiǎn)略評(píng)述。環(huán)境對(duì)象設(shè)備DCS發(fā)展的總趨勢(shì)是開放性、分散化、智能化和綜合

自動(dòng)化。

★采用通用PC機(jī)或工業(yè)PC機(jī)(IPC)作為DCS各節(jié)點(diǎn)設(shè)備的硬件平臺(tái)的DCS的初期，幾乎

所有的DCS生產(chǎn)廠均使用自行設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)作為I/O控制站、操作站和工程師站。

但伴隨微機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，DCS廠家均不失時(shí)機(jī)地調(diào)整策略，轉(zhuǎn)向采用PC或IPC

構(gòu)筑自己的DCS。

★采用商品化的監(jiān)督控制及數(shù)據(jù)采集(SCA-DA)軟件包。同樣，在DCS發(fā)展過(guò)程中很長(zhǎng)

的一段時(shí)間里，監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集的軟件也是各DCS廠家自行編制的，它們從屬

5

于各自的硬件，專用性很強(qiáng)。但近年來(lái)，一些專門從事軟件開發(fā)的獨(dú)立軟件制造商

(ISV)除提供商務(wù)軟件包、事務(wù)處理軟件包、辦公自動(dòng)化等軟件包之外，還提供SCADA

軟件包。目前，某些DCS已直接采用此種軟件包。之所以出現(xiàn)此趨勢(shì)，主要是因?yàn)?/p>

SCADA軟件包具有通用性強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)化程度高的特點(diǎn)，且隨著應(yīng)用數(shù)量的增加價(jià)格不

斷下降。可以說(shuō)，SCADA軟件包為DCS的開放化創(chuàng)造了條件，注入了活力。

★采用符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)體系?？梢哉f(shuō)，采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)體系是DCS走

向開放化的關(guān)鍵。因?yàn)檎嬲拈_放意味著各廠家的產(chǎn)品具有可互操作性、可互連性、

可替代性、可移植性。

★現(xiàn)場(chǎng)總線的崛起。這里的現(xiàn)場(chǎng)儀表泛指智能變送器、智能執(zhí)行器、智能記錄儀、智

能終端、智能條形閱讀器、單/多回路智能調(diào)節(jié)器、PLC、網(wǎng)橋、網(wǎng)關(guān)等。人們普遍

認(rèn)為，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將會(huì)引發(fā)自動(dòng)化和儀表工業(yè)的變革和產(chǎn)品的更新?lián)Q代；也有人

說(shuō)現(xiàn)場(chǎng)總線敲響了DCS的喪鐘。但究其初衷，DCS的本意是I/O和控制分散，信息和

管理集中。從這個(gè)意義上看，現(xiàn)場(chǎng)總線將使此初衷更為完美。當(dāng)然，現(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)

現(xiàn)將使目前DCS構(gòu)成中的一個(gè)重要部分I/O控制站的功能、結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性的變化，

這一點(diǎn)是無(wú)疑的?？梢哉f(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)總線和DCS的未來(lái)息息相關(guān)。

1.2.2DCS的結(jié)構(gòu)

目前，DCS向計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制發(fā)展，將過(guò)程控制、監(jiān)督控制和管理調(diào)度進(jìn)一步結(jié)合

起來(lái)，并且加強(qiáng)斷續(xù)系統(tǒng)功能，采用專家系統(tǒng)、制造自動(dòng)化協(xié)議MAP(Manufacture

AutomationProtocol)標(biāo)準(zhǔn)，以及硬件上諸多新技術(shù)。這一代產(chǎn)品的進(jìn)一步發(fā)展就是計(jì)算

機(jī)集成制造(生產(chǎn))系統(tǒng)CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem),即將信息管理

與工廠控制系統(tǒng)集成為一體的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這--代產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)自下而上一般可分為過(guò)程

控制級(jí)、控制管理級(jí)、生產(chǎn)管理級(jí)和經(jīng)營(yíng)管理級(jí)這四個(gè)層次。

經(jīng)營(yíng)管理級(jí)

i

生產(chǎn)管：：理級(jí)

控制管：理級(jí)

過(guò)程控制級(jí)

圖1-2DCS結(jié)構(gòu)

其中過(guò)程控制級(jí)直接與生產(chǎn)過(guò)程連接，具體承擔(dān)信號(hào)的變換、輸入、運(yùn)算和輸出等

分散控制任務(wù)，主要設(shè)備有過(guò)程控制單元、過(guò)程輸入/輸出單元、信號(hào)變換器和備用的盤

裝儀表?？刂乒芾砑?jí)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)集中操作、優(yōu)化控制和管理，該級(jí)的主要設(shè)備就是

CRT操作站、監(jiān)視計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)公路通訊設(shè)備。

6

這兩級(jí)在具體的軟硬件技術(shù)上同過(guò)去的產(chǎn)品相比有了新的改進(jìn)，例如：

(1)處理單元采用單片機(jī)，除用圖形語(yǔ)言編程外，還可用高級(jí)語(yǔ)言編程；

(2)軟件采用多窗口技術(shù)；

(3)可進(jìn)行順序的批量控制；

(4)硬件的可靠性和安全性設(shè)計(jì)，移植了許多宇航技術(shù)成就，如新的密封高密度組件

板，表面安裝技術(shù)(SMT)等新技術(shù)；

(5)處理單元中引入智能化技術(shù)，每個(gè)單元都有自診斷程序，發(fā)生故障時(shí)能自動(dòng)隔離,

以實(shí)現(xiàn)在線更換。

生產(chǎn)管理級(jí)可承擔(dān)全廠或全公司的最優(yōu)化，它相當(dāng)于掛在局部控制網(wǎng)絡(luò)LCN上的

通用站US、管理計(jì)算機(jī)和有關(guān)模塊(如歷史模塊HM、計(jì)算模塊CM、應(yīng)用模塊AM)。

而經(jīng)營(yíng)管理級(jí)則是該LCN通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)間連接器GW連接的更上位計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)簇

和其它通信網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備，按照市場(chǎng)需求、各種與經(jīng)營(yíng)有關(guān)的信息因素和生產(chǎn)管理級(jí)的

信息，做出全面的綜合性經(jīng)營(yíng)管理和決策。這一代產(chǎn)品在通信網(wǎng)絡(luò)上已廣泛采用光纜和

新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立了從基帶到寬帶，符合MAP協(xié)議的寬范圍的完整網(wǎng)絡(luò)，能同符合

OSI參考模型的不同網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品相兼容或通信。

1.2.3DCS的特點(diǎn)

與一般的計(jì)算機(jī)控制形式相比，DCS具有下列特點(diǎn)：

(1)松散耦合的多處理機(jī)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)硬件積木化

DCS在結(jié)構(gòu)上是一個(gè)松耦合的多處理機(jī)系統(tǒng)，與以共享內(nèi)存為基礎(chǔ)的緊耦合多處理

機(jī)系統(tǒng)相比，它的通信量少，分散的子系統(tǒng)自治性強(qiáng)，各個(gè)微處理機(jī)都可以有自己的局

部操作系統(tǒng)，所以系統(tǒng)配置十分靈活。如果要擴(kuò)大或縮小系統(tǒng)規(guī)模，只須按需要在系統(tǒng)

中增加新的單元，或拆去某個(gè)單元，系統(tǒng)完整性不會(huì)受到多少影響。

(2)軟件模塊化

DCS為用戶提供有相當(dāng)豐富的功能軟件，用戶只需按要求選用這些軟件模塊，即可

大大減少用戶的開發(fā)工作量。功能軟件主要包括控制軟件包、操作顯示軟件包和報(bào)表打

印軟件包等。

(3)控制系統(tǒng)采用組態(tài)方法生成

DCS使用與一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完全不同的方法生成控制系統(tǒng)，這就是所謂“組態(tài)”。

DSC為用戶提供眾多(兒十種以上)的常用運(yùn)算和控制模塊，工作人員只需按照系統(tǒng)方塊

圖那樣的連接模塊方式，進(jìn)行控制系統(tǒng)的組態(tài)即系統(tǒng)生成。

(4)通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

通過(guò)各級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)，如高速數(shù)據(jù)公路(或數(shù)據(jù)總線)、局部控制網(wǎng)絡(luò)、通用控制網(wǎng)絡(luò)

UCN(TDCS3000上的-種網(wǎng)絡(luò))和經(jīng)GW連接的它網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場(chǎng)控制單元、局部操作站、

7

控制管理計(jì)算機(jī)、中央操作站(如通用站US)、生產(chǎn)管理計(jì)算機(jī)和經(jīng)營(yíng)管理計(jì)算機(jī)，以及

提供市場(chǎng)信息和管理的各種終端連接起來(lái)構(gòu)成小中大型多種規(guī)模的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整體

的最優(yōu)控制和管理。

(5)可靠性

DCS的高可靠性體現(xiàn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、采用冗余技術(shù)、自動(dòng)診斷功能和高性能的元器件

上。

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2MCS-51系列單片機(jī)

2.1MCS-51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)

MCS-51單片機(jī)的基本組成

圖2-1所示為MCS-51系列單片機(jī)中的8051單片機(jī)的基本功能結(jié)構(gòu)方框。

圖2-18051單片機(jī)功能方框圖

單片機(jī)包括：

1.一個(gè)8位的微處理器CPU。

2.片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM(12813/25613),用以存放可以讀/寫的數(shù)據(jù)，如運(yùn)算的中間

結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等。

3.片內(nèi)程序存儲(chǔ)器ROM/EPROM(4KB/8KB),用以存放程序、一些原是數(shù)據(jù)和表

格。

4.四個(gè)8位并行1/0(輸入/輸出)接口P0-P3,每個(gè)口可以用作輸入，也可以用作輸出。

5.兩個(gè)或三個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成計(jì)數(shù)方式，用以對(duì)外

部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，也可以設(shè)置成定時(shí)方式，并可以根據(jù)計(jì)數(shù)或定時(shí)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控

制。

6.五個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)。

7.一個(gè)全雙工UART(通用異步接收發(fā)送器)的串行I/O口，可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與單片機(jī)或

其它微機(jī)之間串行通信。

8.片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接，最高允許振蕩頻

率為12MHz。如圖2—2所示。

9

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