液壓系統(tǒng)油溫預(yù)熱智能控制裝置設(shè)計與實現(xiàn)

鄧 攀 陳雪艷

（武漢鋼鐵（集團）公司研究院 武漢：430080）

液壓油是液壓系統(tǒng)中傳遞能量的工作介質(zhì)。液壓油溫度過低會使其粘度增大，從而造成內(nèi)摩擦增大，系統(tǒng)發(fā)熱加劇，效率降低，功耗增大。傳統(tǒng)方法采用油箱內(nèi)加裝電熱管加熱方式和油箱內(nèi)加裝散熱管加熱方式［1－3］。采用油箱內(nèi)加裝電熱管加熱，加熱速度慢，加熱管周圍局部油溫會超過120℃，造成油液氧化、分解，并在加熱管表面形成碳層，導(dǎo)致油液的污染。采用油箱內(nèi)加裝散熱管加熱，需要在油箱內(nèi)鋪設(shè)散熱管，影響油箱結(jié)構(gòu)，而且需要外接熱水或蒸汽加熱循環(huán)控制裝置，增加了安裝改造空間。

本文設(shè)計了一種液壓系統(tǒng)油溫預(yù)熱智能控制裝置。該裝置采用非接觸式加熱方式，加熱體表面溫度和液壓油溫度可控，通過加減電加熱體的面積和數(shù)量，調(diào)整加熱時間，可以方便地應(yīng)用在不同容量的場合。此外，該裝置體積小，尤其適用于對空間限制較高的場合。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該裝置結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示，包括電加熱體3、控制器6、油箱溫度傳感器4、加熱體溫度傳感器5、保溫罩2、按鍵顯示模塊7以及油箱1。電加熱體緊貼油箱外壁安裝，并外罩保溫罩，油箱溫度傳感器插入油箱內(nèi)，加熱體溫度傳感器插入電加熱體與油箱外壁之間，按鍵顯示模塊放置操作臺處，控制器放置在油箱上端，并且分別與電加熱體、油箱溫度傳感器、加熱體溫度傳感器、按鍵顯示模塊連接。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件框圖如下圖2所示，主要由微處理器、信號處理選通電路、按鍵顯示電路、RS485接口電路、驅(qū)動電路等模塊組成。

圖2 系統(tǒng)硬件組成

2.1 微處理器

MSP430是TI公司一種超低功耗微控制器系列，片內(nèi)組合了不同的功能模塊，可適應(yīng)不同應(yīng)用層次的需求。MSP430系列的CPU采用16位的RISC結(jié)構(gòu)，集成的16個通用寄存器和常數(shù)發(fā)生器，大大提高了代碼執(zhí)行效率［4］。MSP430F1222片內(nèi)集成4KB程序存儲器和256B數(shù)據(jù)存儲器、AD轉(zhuǎn)換器、串行通訊接口、16位定時器等模塊。

2.2 信號處理選通模塊

信號處理選通模塊主要由溫度傳感器通道切換電路和溫度傳感器放大處理電路兩部分組成。

鉑電阻具有測溫范圍大、準確度高、性能穩(wěn)定、重復(fù)性好等特點，是一種比較理想的溫度檢測元件，在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用［5］。針對本裝置使用溫度（－30℃～90℃）特點，選用PT1000實現(xiàn)溫度信號采集。

2.2.1 溫度傳感器通道切換電路

本系統(tǒng)需要使用多個溫度傳感器完成油箱溫度和多路加熱體溫度信號測量。每個溫度傳感器使用獨立的放大處理電路和AD采樣通道，可以提高溫度采集的實時性，但是增加了系統(tǒng)硬件開銷，造成了資源的浪費。而且本裝置對溫度采集的實時性要求不高，因此，采用溫度傳感器通道切換電路分時復(fù)用放大處理電路和AD采樣通道，實現(xiàn)多通道溫度信號的循環(huán)測量。具體實現(xiàn)如下圖3所示。

溫度傳感器一端分別接至多路選擇芯片CD4051B輸入／輸出通道端口，其另一端接至溫度傳感器放大處理電路接地端，多路選擇芯片CD4051B的COM端口接至電橋左端1K精密電阻上。通過主控制器單片機IO管腳P2.0、P2.1、P2.2控制多路選擇芯片CD4051B輸入／輸出通道端口和COM端口之間的通斷，從而實現(xiàn)溫度傳感器之間的切換。

2.2.2 溫度傳感器放大處理電路

由鉑電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過鉑電阻阻值的變化來測量的。因此，通過高穩(wěn)定度電橋，將鉑電阻阻值的變化轉(zhuǎn)換成可供測量的電壓信號。利用差分放大器完成傳感器相對于0℃溫度變化量測量和放大［6］。由PT1000溫度特性可知，傳感器在小于0℃時，差分放大器輸出信號為負。通過加法器，將差分放大器輸出電平抬高，再使用反相器調(diào)整電平邏輯，最終使溫度差分放大器輸出信號在使用溫度范圍內(nèi)保持為正。最后經(jīng)濾波、限幅處理后，送至主控制器MSP430F1222的片內(nèi)AD模塊轉(zhuǎn)換接口ADC0，實現(xiàn)系統(tǒng)對溫度的采集。

2.3 按鍵顯示電路

按鍵和LED顯示是進行人機交互的窗口。通過按鍵顯示電路實現(xiàn)對油箱溫度、發(fā)熱體溫度的設(shè)定和顯示。

MAX7219是一種集成化的串行輸入／輸出共陰極顯示驅(qū)動器，最多可以實現(xiàn)8個7段數(shù)字LED顯示。從控制器MSP430F1222通過模擬SPI接口和MAX7219完成數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)約了MSP430F1222硬件資源，提高了系統(tǒng)集成度。本系統(tǒng)使用5個7段LED數(shù)碼管，分別顯示傳感器通道號、溫度正負、溫度值。

面板上設(shè)有2個手動鍵，一個功能鍵，一個加減鍵。加減鍵用來完成溫度通道顯示選擇、溫度設(shè)定時溫度通道及溫度設(shè)定值的修改。功能鍵實現(xiàn)對溫度設(shè)定選擇、設(shè)定時數(shù)碼管的切換和啟動溫度設(shè)定值的通訊等功能。使用按鍵與單片機的I／O口線直接連接的方法構(gòu)成，采用管腳外部中斷方式獲得按鍵值。

2.4 RS485接口電路

RS485總線是一種多點、差分數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ沤涌冢浜啙嶌`活、硬件接口簡單、軟件易實現(xiàn)、性價比較高、傳輸距離較遠、誤碼率較低、抗干擾能力強等優(yōu)點在工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用［7］。

多數(shù)液壓系統(tǒng)油箱與操作臺之間存在一定距離，為了操作和監(jiān)控方便，本系統(tǒng)將溫度設(shè)定和顯示部分安裝在便于操作處，通過RS485總線完成溫度檢測控制部分與溫度設(shè)定顯示部分之間的數(shù)據(jù)交換。

MAX485是美信公司生產(chǎn)的用于RS485通信的半雙工低功耗收發(fā)器，每個器件中都具有一個驅(qū)動器和一個接收器，可以實現(xiàn)最高2.5Mbps的傳輸速率。

圖4 RS485接口電路

RS485接口電路如上圖4所示，主控制器單片機MSP430F1222通過UART接口和MAX485發(fā)送接收端口相連，通過其P2.3管腳控制數(shù)據(jù)傳輸方向。從控制器單片機MSP430F1222通過UART接口和 MAX485發(fā)送接收端口相連，通過其P2.4管腳控制數(shù)據(jù)傳輸方向。MAX485芯片U0、U1的AB端口間跨接10K電阻，通過雙絞線實現(xiàn)兩芯片相互間連接。

2.5 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路包括過零檢測、可控硅觸發(fā)和雙向可控硅模塊三部分。

圖5 加熱體驅(qū)動電路

每組加熱體都需要一套獨立的驅(qū)動電路，主控制器MSP430F1222定時器資源相對不足，并且本系統(tǒng)對溫度控制精度要求不高，因此，采用可控硅過零全導(dǎo)通方式，實現(xiàn)對加熱體的驅(qū)動控制。

3 通訊協(xié)議定義

本系統(tǒng)采用異步串行通訊接口，接口電平符合RS485標準中的規(guī)定。數(shù)據(jù)格式為1個起始位，8位數(shù)據(jù)，無校驗位，1個或2個停止位。通訊傳輸數(shù)據(jù)的波特率可調(diào)為4800～19200bit／S，通常用9600 bit／S。

系統(tǒng)采用主從式通訊結(jié)構(gòu)。主控制器作為從機，接收來自從控制器的讀寫指令，然后向從控制器發(fā)送與之對應(yīng)的返回值。讀寫指令和返回值結(jié)構(gòu)如下圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)格式

3.1 讀指令

讀指令占用三個字節(jié)，包括讀指令碼、通道號和校驗碼組成。這里讀指令碼RC設(shè)為22（16H）；通道號CN為當前顯示的通道代號；校驗碼采用8位求和校驗方式，其中讀指令的校驗碼RCC計算方法為：RCC＝CN＊16＋RC。

3.2 寫指令

寫指令占用五個字節(jié)，包括寫指令碼、通道號、溫度值和校驗碼組成。這里讀指令碼WC設(shè)為44（2CH）；通道號CN為當前顯示的通道代號；溫度值TEMS是當前通道溫度設(shè)定值，校驗碼采用8位求和取余校驗方式，其中寫指令的校驗碼 WCC計算方法為：WCC＝ （CN＊16＋WC＋TEMS）%28。

3.3 返回值

返回值占用四個字節(jié)，包括寫通道號、溫度值和校驗碼組成。這里通道號CN為當前顯示的通道代號；溫度值TEMM是當前通道溫度測量值或TEMS是當前通道溫度設(shè)定值，校驗碼采用8位求和取余校驗方式，其中返回值的校驗碼RTCC計算方法為：RTCC＝ （CN＊16＋TEMM（TEMS））%28。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)軟件主要由主控制器和從控制器兩部分組成。其中，主控制器軟件主要完成溫度傳感器切換、溫度信號采集處理、加熱體溫度控制、油箱溫度控制、RS485通訊管理及數(shù)據(jù)拆封；從控制器軟件主要完成加熱體溫度和油箱溫度設(shè)定、加熱體溫度和油箱溫度顯示切換、RS485通訊管理及數(shù)據(jù)拆封。

4.1 主控制器軟件設(shè)計

主控制器主程序流程圖如下圖7所示。主要實現(xiàn)對每個通道的溫度采樣，將溫度測量值與設(shè)定溫度相比較，使加熱體和油箱溫度保持在設(shè)定范圍內(nèi)，并根據(jù)接收到從控制器的讀寫指令，將相對應(yīng)的溫度值回傳給從控制器。

圖7 主控制器流程圖

油箱溫度和加熱體溫度可以在需要的范圍內(nèi)設(shè)定。一般液壓系統(tǒng)都工作在35℃～55℃范圍內(nèi)，在這里選取40℃作為油箱溫度設(shè)定值，范圍為±5℃。為了避免加熱溫度過高對油液的影響，選取90℃作為加熱體溫度設(shè)定值。當油箱溫度低于35℃（下限），如果通道n加熱體溫度低于90℃時，通道n加熱體電源接通，進行升溫，否則通道n加熱體停止加熱。當油箱溫度高于45℃（上限），不管通道n加熱體溫度大小，通道n加熱體都停止加熱。

4.1.1 溫度數(shù)據(jù)采集

溫度數(shù)據(jù)采集采用主控制器MSP430F1222自帶的A／D轉(zhuǎn)換器，A／D轉(zhuǎn)換的精度10位，使用簡單。軟件設(shè)計的重點是傳感器多通道切換、溫度與熱電勢間線性化標度變換算法和傳感器溫度數(shù)據(jù)濾波算法。多通道溫度采集采用循環(huán)方式，一個通道溫度采集完畢，停止采樣，立即切換到下一個通道中，再啟動采樣。溫度與熱電勢間線性化算法采用分段（每10℃分段）線性化的方法，提高了系統(tǒng)的測溫精度。濾波算法采用中位值濾波，首先連續(xù)采集10次，然后把10個溫度數(shù)據(jù)按由小到大的順序排列，取中位值作為本次采樣值。

4.1.2 主控制器串口處理程序

主控制器RS485接口一直處于接收狀態(tài)，等待從控制器的讀寫指令。當接收到從控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)后，主控制器通過UART模塊，將收到的數(shù)據(jù)拆解，經(jīng)校驗正確后，將主控制器RS485接口設(shè)為發(fā)送狀態(tài)，通過第一個字節(jié)判斷是讀或?qū)懼噶睢Ｈ绻亲x指令，根據(jù)第二個字節(jié)得到通道號，將此通道號和其對應(yīng)的通道溫度測量值按照讀返回數(shù)據(jù)格式封裝，回傳給從控制器，發(fā)送完畢主控制器RS485接口設(shè)為接收狀態(tài)。如果是寫指令，根據(jù)第二個字節(jié)得到通道號，將此通道號和其對應(yīng)的通道溫度設(shè)定值按照讀返回數(shù)據(jù)格式封裝，回傳給從控制器，發(fā)送完畢主控制器RS485接口設(shè)為接收狀態(tài)。

4.2 從控制器軟件設(shè)計

從控制器主程序流程圖如下圖8所示。通過設(shè)定定時器，周期性地讀取顯示通道的溫度值，實現(xiàn)對通道溫度的刷新顯示。通過按鍵，可以實現(xiàn)溫度顯示的通道切換，完成對每個加熱體和油箱溫度的設(shè)定。

溫度顯示由5個7段LED數(shù)碼管實現(xiàn)。其中，第一位為通道號，第二位為溫度正負，最后三位為溫度值。

從控制器RS485接口一直處于接收狀態(tài)，等待進入定時器中斷程序，將從控制器RS485接口設(shè)為發(fā)送狀態(tài)。在溫度顯示狀態(tài)時，從控制器將讀指令碼和此時通道號按照讀指令數(shù)據(jù)格式封裝，從控制器通過UART模塊進行數(shù)據(jù)發(fā)送，完成后，從控制器RS485接口設(shè)為接收狀態(tài)，等待主控制器回傳讀返回值；接收完讀返回值，將收到的數(shù)據(jù)拆解，經(jīng)校驗正確后，將該通道溫度測量值更新。在溫度設(shè)定狀態(tài)時，從控制器將寫指令碼、此時通道號和溫度設(shè)定值按照寫指令數(shù)據(jù)格式封裝，從控制器通過UART模塊進行數(shù)據(jù)發(fā)送，完成后，從控制器RS485接口設(shè)為接收狀態(tài)，等待主控制器回傳寫返回值；接收完寫返回值，將收到的數(shù)據(jù)拆解，經(jīng)校驗正確后，將返回的溫度設(shè)定值和該通道溫度設(shè)定值進行比較，結(jié)果正確則完成溫度設(shè)定。

圖8 從控制器流程圖

5 結(jié)束語

本文研制的液壓系統(tǒng)油溫預(yù)熱智能控制裝置，具有以下優(yōu)點：采用非接觸式加熱方式，避免了加熱體與液壓油的直接接觸，可以分別控制加熱體表面溫度和油箱內(nèi)液壓油溫度，從而可以保證液壓油合理的加熱溫度，延長了液壓油的使用時間；采用RS485通訊模式，通過按鍵顯示模塊，可以遠距離完成加熱體表面溫度和油箱內(nèi)液壓油溫度的設(shè)定以及溫度顯示，便于設(shè)備操作人員的觀察和使用；通過加減電加熱體的面積和數(shù)量，可以調(diào)整加熱時間，方便地應(yīng)用在不同容量油箱的場合；體積小，尤其適用于對空間限制較高的場合，并且可以方便地移植到現(xiàn)有液壓系統(tǒng)中。實際使用證明該裝置完全符合工廠應(yīng)用的需要，性能穩(wěn)定，可靠性高，操作簡單方便。

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