（控制理论与控制工程专业论文）润滑供油箱控制系统的研制.pdf

摘要 本文针对润滑供油箱的控制系统进行研制，设计一种基于单片机p i c l 6 f 8 7 7 的润滑供油箱控制系统。 润滑供油箱控制系统分为分立器件控制系统和单片机控制系统两种方式。分 立器件控制系统仅由一些电子器件组成，而单片机控制系统是由单片机及其它电 子器件构成的。分立器件控制系统因技术手段差、维护费用高、自身控制器件消 耗功率大等弊端已不能适应产品发展的需要，况且现如今单片机技术发展得相当 成熟，已经被人们广泛的运用在生活中，因此采用单片机进行控制将是润滑供油 箱控制方式发展的必然趋势，它将大大提升产品制造档次和技术含量，同时也大 大提高了产品的自动化程度。因此本文的选题具有明显的意义。 本文首先对润滑油控制系统的结构及其发展做了介绍，接下来对润滑供油箱 分立器件控制系统做了分析，讨论了其过程控制的原理，然后在上述控制原理的 基础上进行单片机控制系统的软硬件设计，其硬件系统包括p i c l 6 f 8 7 7 单元电路、 温度传感器及其接口电路、加热器驱动电路、输出继电器驱动电路、压力传感器 及其接口电路、液位传感器及其接口电路、液晶模块h g l 2 8 6 4 3 显示电路和按键 电路、报警电路及其它辅助电路，软件系统包括整个系统的主程序、按键扫描程 序、l c d 液晶显示程序、a d 转换程序等。最后得出了相关结论，并且对论文的 后续工作进行展望。 关键词：润滑供油箱分立器件控制系统单片机控制系统 a b s t r a c t t h i sp a p e rd e v e l o p san e wc o n t r o ls y s t e mo ft h el u b r i c a t i n gf u e lt a n kb a s e do n p i c16 f 8 7 7s i n g l e c h i pc o m p u t e r c o n t r o ls y s t e mc a nb ec a l l e dd i s c r e t ee l e c t r i c a le l e m e n t sc o n t r o ls y s t e mw h i c hi s o n l yc o m p o s e do fs o m ed i s c r e t e e l e c t r i c a le l e m e n t s ，o rc a nb ec a l l e ds i n g l e c h i p c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mw h i c hi sc o m p o s e do fas i n g l e - c h i pc o m p u t e ra n do t h e r d i s c r e t ee l e c t r i c a le l e m e n t s b e c a u s eo ft h ed i s a d v a n t a g e so fi t st e c h n i c a lm e a n s ， m a i n t e n a n c ec o s t s ，l a r g e p o w e rc o n s u m p t i o n o fs e l f - c o n t r o ld e v i c e s ，d i s c r e t e s e m i c o n d u c t o rd e v i c e sc o n t r o ls y s t e mc a nn o ta d j u s tt ot h er e q u e s t so fp r o d u c t d e v e l o p m e n t ，m o r e o v e r ，s c mt e c h n o l o g yi sq u i t em a t u r en o w ，a n dh a sb e e nw i d e l y u s e di no u rl i f e t h e r e f o r e ，u s i n gs c mt oc o n t r o lt h el u b r i c a t i n gf u e lt a n kw i l lb et h e i n e v i t a b l ed e v e l o p i n gt r e n do fc o n t r o lm o d e ，i tw i l lg r e a t l ye n h a n c em a n u f a c t u r i n g g r a d ea n dt e c h n i c a lc o n t e n t ，a l s ol a r g e l yi n c r e a s et h ed e g r e eo fa u t o m a t i o n s ot h et o p i c o ft h i sp a p e rh a so b v i o u ss i g n i f i c a n c e f i r s t l y ，t h i sp a p e rm a k e sa ni n s t r u c t i o no ft h ec o n f i g u r a t i o na n dd e v e l o p m e n to f c o n t r o ls y s t e mo fl u b r i c a t i n g s e c o n d l y ，i ti sc o n c e r n e dw i t had i s c r e t ee l e c t r i c a l e l e m e n t sc o n t r o ls y s t e m t h ep r o c e s sc o n t r o lp r i n c i p l ei sd i s c u s s e d t h e n ，i ti s c o n c e r n e dw i t has c mc o n t r o ls y s t e mw h i c hi sc o m p o s e do fap i c 16 f 8 7 7s i n g l e c h i p c o m p u t e r , at e m p e r a t u r es e n s o ra n d i t si n t e r f a c e ，ah e a t e rd r i v e rr e l a yi n t e r f a c e ，ao u t p u t v a l v ed r i v e rr e l a yi n t e r f a c e ，ap r e s ss e n s o ra n di t si n t e r f a c e ，af u s el e v e ls e n s o ra n di t s i n t e r f a c e ，ah g 12 8 6 4 3l c d ，ak e y b o a r dc i r c u i t ，a na l a r m i n gc i r c u i ta n dt h eo t h e r s a u x i l i a r yc i r c u i t n e x t ，i te x p l a i n sc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ew h i c hi sc o m p o s e do fm a i n p r o g r a m ，k e y b o a r ds t a l lp r o g r a m ，l c dd i s p l a yp r o g r a m ，a dc o n v e r s i o np r o g r a m ，a n d s oo n f i n a l l y ，i td r a w ss o m ec o n c l u s i o n sa n dd i r e c t i o n sf o rf u t u r ew o r k s k e y w o r d s ： l u b r i c a t i n gf u e lt a n k d i s c r e t ee l e c t r i c a le l e m e n t sc o n t r o ls y s t e m s c m ( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) c o n t r o ls y s t e m 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 、 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：上阻 曰期2 0 o 、3 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人虢星堑堑 聊虢靼 同期： 三呈2 1 墨：星 日期：扣口罗孑 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 随着工业自动化程度的快速提高，机械工业产品正朝着高速、高效、节能、 环保、自动化程度高和使用寿命长的方向发展，相应的对机械设备及设备中涉及 到的技术方法也提出了更高的要求。润滑供油箱作为大型机械设备的集中供油润 滑系统也随之越来越智能化了，它被广泛的应用于各种大型设备之中。 整个润滑设备领域伴随机械行业，尤其是重大设备业的迅速增长，一些非常 专业的润滑设备企业将在未来有良好的发展空间。相关资料显示，到2 0 1 0 年国内 对各种液压元件、润滑设备需求总额将增至约3 3 0 亿元( 其中进口约1 5 亿元美元， 出口约5 亿美元) 。预计在未来几年，随着我国基础工业的快速发展，以及润滑液 压设备制造企业自主研发能力和管理水平的快速提高，我国润滑液压设备制造业 将迎来一个难得的发展机遇，并将成为国际润滑液压设备市场上一支主力军。 近几年，机械行业保持着每年3 0 以上的增长速度，液压润滑设备的制造企 业也相应保持着同步的增长。从我国重型机械行业协会相关资料对润滑液压设备 的产销量统计数据来看，润滑液压设备行业的多数产品产销量年增幅均超过了 3 0 以上，加上我国电力、钢铁、建材、工程机械等行业近年来稳定发展，为润滑 液压设备的市场需求创造了积极的环境。在我国大型技术装备行业正向高水平方 向发展，外资、合资大型装备企业也不断提高其产品的国产业化率，因此高技术、 高品质的润滑液压设备产品迎来了巨大的发展机遇。 虽然润滑液压设备是为主机配套的辅机，但它却是主机最重要的辅助设备， 是一个相对独立的机电一体化设备，对保障主机安全、提高主机运行效率、保证 主机运行功能、减少主机运行障碍，发挥着越来越重要的作用，越来越被主机设 备使用者所重视。 我国从国外引进了许多重大装备，同时也配套引进了许多润滑系统，为我国 带来了大量的润滑液压系统的新技术、新工艺和新理论。同时，国际知名制造企 业如德国贺得克h y d a l 、瑞典阿法拉伐a l f a l a 、，a l 等来到中国市场，多在国内 配套，也为我国的润滑设备制造企业提供了更为广阔的市场，这些企业给润滑行 业带来了新的生机，促进了技术进步和市场竞争，开发和研制了大量新型润滑设 备。业内专家分析认为，只要国内润滑设备制造企业努力达到国外企业要求的工 艺水平，就能够占据这一巨大的市场。另外，随着中国在国外的总包项目越来越 多，润滑设备出口的市场越来越大。伴随着全球经济的发展，尤其是节约型经济 的发展，润滑设备的市场容量将越来越充分，润滑设备制造企业也将有更大的发 2润滑供油箱控制系统的研制 展空间。 1 2 1 研究目的 1 2 课题的研究目的和意义 本论文的研究目的是：熟悉并掌握润滑供油箱分立器件控制系统的工作过程 和控制原理，基于分立器件控制系统的控制原理来研制润滑供油箱单片机控制系 统，在实现原有功能的基础上对该系统的报警单元和用户操作界面进行改进，提 高了产品的可靠性、可维护性及自动化程度。 1 2 2 研究意义 随着市场经济和企业信息化的发展，机械工业产品正朝着高速、高效、节能、 环保、自动化程度高和使用寿命长的方向发展，润滑供油箱也应朝着这个方向发 展。润滑供油箱分立器件控制系统因技术手段差、维护费用低、自身控制器件消 耗功率大等弊端已不能适应产品发展的需要，况且现如今单片机技术发展的相当 成熟，已经被人们广泛的运用在生活t i l t l l ，因此，采用单片机进行控制将是润滑供 油箱控制方式发展的必然趋势，它将大大提升产品制造档次和技术含量，同时也 大大提高了产品的自动化程度。由此可见润滑供油箱单片机控制系统的研制是非 常有意义的，其研究意义有以下几个方面： ( 1 ) 可提高润滑供油箱的安全性、可靠性。 通过实时检测装置把润滑供油箱及其周边设备的运行状态和运行参数随时报 告给人和智能控制系统，由系统中的调节装置对系统的状态进行调节；程序控制 能简化操作步骤和减少操作数量，避免误操作；报警装置能对系统运行中周边设 备发生异常、运行参数如润滑供油箱液位、油温温度、压力超过允许值提供声光 报警或自动断电等应急自动处理。 ( 2 ) 可提高润滑供油箱的经济性。 在润滑供油箱的工作过程中，各项技术指标都要求限定在一定的范围内。为 了确保供油过程中的稳定、可靠和经济运行，设计采用先进的单片机应用技术， 用小功率器件替换原有的大功率器件，保证润滑供油箱在节能条件下运行，延长 油箱的寿命。 ( 3 ) 可提供友好的操作界面【2 5 1 1 2 9 1 。 由美国m i c r o c h i p 公司生产的p i c 单片机和h g l 2 8 6 4 液晶构成的润滑供油箱 控制系统，可快速、准确判断油箱的运行状态，并且通过液晶屏显示出来，将状 态和调节参数展现给用户，用户能够清晰直观的判断供油箱的工作状态，而且用 第一章绪论 户也可以自己操作来控制油箱的温度。采用人机交互的界面设计，使润滑供油箱 使用方便、控制效率高、界面友好。 1 3 1 论文主要内容 1 3 课题研究的内容 本文主要工作是针对润滑供油箱的控制系统进行研制，由于其分立器件控制 系统的弊端，不适应某些场合的应用，故而研制单片机控制系统，以适应产品的 使用和发展。本文主要任务是研制润滑供油箱单片机控制系统。 本文首先介绍了润滑供油箱的一些基本特性、工作过程和控制要求，根据控 制要求进行润滑供油箱控制系统的设计，分别介绍分立器件控制系统和单片机控 制系统的概念，并对这两种控制系统进行了简要的概述。 接下来提出了润滑供油箱控制系统的要求，分别从功能和性能两方面进行说 明，同时引入了分立器件控制系统的控制原理来进行说明，详细阐述了润滑供油 箱的各个功能，在此原理基础上对单片机控制系统进行设计，使其具有相同的功 能。性能上也提出了要求来保证系统的实时性和稳定性。 再者重点研制了单片机控制系统，该系统根据分立器件控制系统的控制原理， 用单片机作为核心器件，结合外围电路进行软硬件设计，在保持原有功能的基础 上进行了部分改进，克服了分立器件控制系统的不足，大大提高了润滑供油箱的 可靠性、可维护性及自动化程度。 1 3 2 论文的架构 本论文各章节安排如下： 第一章：绪论。简单介绍润滑供油箱的发展现状及应用，提出本论文的立题 依据和研究价值，最后对论文主要研究的内容和解决的问题做了说明。 第二章：润滑供油箱的概述。本章是作为下面几章内容的铺垫，它主要介绍 润滑供油箱的结构、工作过程及其控制要求，阐述润滑供油箱控制系统的重要性， 并简要介绍了分立器件控制系统和单片机控制系统。 第三章：润滑供油箱控制系统的要求。本章是为下一章的内容打下基础，分 别从两方面说明了润滑供油箱控制系统的要求，即功能要求和性能指标两方面。 本章还对分立器件控制系统进行了分析，根据分立器件控制系统的控制原理来设 计单片机控制系统，使其具有相同的功能，达到系统的性能指标要求。 第四章：单片机控制系统。本章同样作为本文的重点部分，主要介绍单片机 控制系统的软硬件设计及改进，分别详细介绍了各个单元的软硬件设计方案，并 4 ，润滑供油箱控制系统的研制 且详细介绍了系统改进的地方。 第五章：结论与展望。总结本论文的研究内容和主要贡献，指出存在的问题 与不足，并对论文的后续工作进行展望。 第二章润滑供油箱的概述 第二章润滑供油箱的概述 润滑供油箱是保证其所在的大型设备正常工作，提高其使用寿命不可或缺的 一部分。目前很多大、中型设备需要用润滑供油箱进行润滑，主要目的是减少设 备相对运动部位的摩擦与磨损，带走摩擦产生的热量。空气从外界进入润滑供油 箱中，经过过滤减压进入主油箱中，主油箱中的润滑油随着压缩后的空气经过油 雾器，分配到所在设备的各润滑点、润滑部位，进行定点、定量的连续或间歇循 环润滑，最后经回油管回路回到供油系统的油箱内i l 引。因此要求润滑供油箱的主 要技术性能是在保证给定的供油量前提下，提高供油质量和效率，确保定时定量 供油，减少设备的维修费用。本文针对某润滑供油箱的控制系统进行设计。 2 1 润滑供油箱的结构和工作过程 润滑供油箱是润滑油供给、回收、沉降和储存设备，内部设有加热器，用以 机械设备工作前润滑油加热升温，保证机组启动时润滑油温度能升至4 0 - 6 0 c 的 范围，以满足机组启动运行的需要；油箱侧壁设有温度显示器和报警器，以监视 油箱内润滑油的变化情况，防止机组运行中润滑油温度和液位出现突变，影响机 组的安全运行。 2 1 1 润滑供油箱的结构 润滑油集中润滑系统是目前应用最广泛的润滑系统，包括全损耗与循环润滑 方式的节流式、单线式、双线式、多线式及递进式等类型。全损耗润滑方式又称 压力强制润滑，是由主机上的传动机构带动附装在主机上的油泵或润滑器施压强 制供送润滑油到各润滑点，但使用过的润滑油不再流回油池循环使用。例如活塞 式空气压缩机的气缸、蒸汽机车、电动空气锤等都采用这种润滑方式。 压力循环润滑方式多用于润滑点相对较多的单机器或由若干台机器组成的成 套生产线。压力循环润滑系统通常包括油泵及驱动装置( 电机) 、分配阀、管路及 阀门、滤油器、油箱、冷却器及热交换器、控制装置及仪表、指示、报警及监测 装置等，一般是标准的成套润滑站。 本论文中的润滑供油箱采用压力循环润滑方式，如图2 1 所示，润滑供油箱包 括：过滤减压阀、电磁阀、电接点压力表、油雾器、安全阀、球阀、温度传感器、 温度控制器、电加热器、液位传感器、主副油箱等【4 引。 6润滑供油箱控制系统的研制 a i r g l i ro u t g l 2 图2 1 润滑供油箱结构图 其中过滤器用来过滤空气中的杂质和分离水分，以得到纯净、干燥的气源， 减压阀用来控制和稳定压缩空气的压力，使供给油雾发生器的空气压力不受压缩 空气网路上压力波动的影响。电磁阀的作用是调节压缩空气的压力、流量、流动 方向。油雾器一般也称为给油器，它的作用是使润滑油雾化后进入空气流中，并 随空气进入需要润滑的部位。安全阀是一种安全保护用阀，它根据系统的工作压 力能自动启闭，一般安装于封闭系统的设备或管路上保护系统安全，当设备或管 道内压力超过安全阀设定压力时，即自动开启泄压，保证设备和管道内介质压力 在设定压力之下，保护设备和管道，防止发生意外。球阀是用带有圆形通道的球 体作启闭件，球体随阀杆转动实现启闭动作的阀门，球阀的启闭件是一个有孔的 球体，绕垂直于通道的轴线旋转，从而达到启闭通道的目的，球阀主要用来开启 和关闭管道与设备介质。电加热器的作用就是对润滑油加热，通过加热使润滑油 形成油雾，随空气喷出。温度传感器、液位传感器和电接点压力表都属于传感器， 分别采集润滑供油箱中的温度、液位和压力信号传送给温度控制器，让其进行判 断并执行相应动作。温度控制器的作用就是调节控制润滑油的油温，在打开电源 之后能设定和显示期望的温度设定值和极限值，还能显示实际的温度测量值，它 能够对温度进行监控、调节和报警。副油箱就是一个备用油箱，作用就是在油箱 中的油过少时开启球阀，使得备用油箱中的油进入主油箱中，进行加热。 润滑供油箱的设计是根据机械设备中各机构摩擦的润滑要求、工况和环境条 件来进行综合设计以确定合理的润滑系统，包括确定润滑系统的方式及选定组成 各种润滑元件及装置的性能、规格、数量以及系统中各管路的尺寸布局等。表2 1 给出了润滑供油箱中每个零件的对应名称及其个别零件的要求。 表2 1 润滑供油箱的零件清单 序号名称 备注 l 过滤减压阀 2 电磁阀 第二章润滑供油箱的概述 7 3电接点压力表 4 油雾器组合件 5 安全阀 6 球阀 7 温度传感器 8 温度控制器 a c 2 2 0 v 9 电加热器 a c 2 2 0 v 1 0 液位传感器浮子式 1 1 主油箱 1 2 球阀 1 3 副油箱 2 1 2 润滑供油箱的工作过程 润滑供油箱作为大、中型设备的必备附件，在其工作过程中起着相当重要的 角色，对润滑供油箱的正确操作直接影响到设备的工作效率和质量。所以必须要 熟悉润滑供油箱的操作步骤和使用方法，下面详细说明其操作需知： ( 1 ) 首先开电源，给润滑供油箱通电； ( 2 ) 打开电磁阀，允许压缩空气进入油箱中，同时电加热器开始工作，给润 滑油加热，把过滤减压阀调到0 1 5 0 1 8 m p a 或使电接点压力表指针指到 0 0 8 0 1m p a ； ( 3 ) 通过温度控制器调节温度的设定值和极限值。当温度低于设定值时，继 续加热，温度达到设定值时，停止加热；当温度达到极限值时报警并切断电源； ( 4 ) 在润滑供油箱供油的过程中，油箱中的压力通过压力表来显示。当压力 超过上限值时会报警并切断电源；当压力超过下限值时报警；当压力比上限值还 大的时候安全阀会自动排气释放压力； ( 5 ) 在加热过程中，液位的高度是通过浮子式液位传感器检测到的。如果低 于设定的液位则报警并切断电源； ( 6 ) 油雾量大小可根据需要调节减压阀进气压力和调节安装板上的“进气 及“迸油”螺钉。 在启动后5 分钟左右有油雾逸出。 2 2 润滑供油箱的控制要求 润滑供油箱必须能对供油油温、油压和油位进行全面控制，- 保证油箱能正常 。润滑供油箱控制系统的研制 供油，同时要保证进入油箱中空气的纯净度，减少对润滑油的污染物侵入。为了 保证润滑供油箱向各个润滑点持续供油以防止因供油不足而损坏，常在系统中配 置测量、监测及报警装置。润滑供油箱中常采用以下测量装置： ( 1 ) 温度测量装置 在油箱中安装测温装置及显示和控温装置，可以及时看到油温的温度变化， 供油温度应控制在4 0 左右，保证供油油液的粘度。 ( 2 ) 压力测量装置 在油箱的进口处安装减压阀和压力表，用以监测压力变化情况，压力值超限 时报警；在油箱的出口处安装安全阀，当压力超过上限值时会自动释放压力。供 油压力要保持恒定，润滑系统工作压力控制装置要有高的灵敏度和精确度，避免 因压力变化，产生工作压力下降，造成局部润滑系统供油不足。 ( 3 ) 油位测量装置 在油箱中装有液位传感器，用来监测油位的高低。当检测到油量不够时要及 时加油。 另外对润滑供油箱的其它要求有： ( 1 ) 油箱设备两个，一用一备，定期切换； ( 2 ) 润滑供油箱中要有控制压缩空气的流量和方向的器件，比如电磁阀等。 ( 3 ) 供油箱中安置报警装置，当发生故障时，设备会报警，必要时要能切断 电源，保证设备的安全。 润滑供油箱的控制系统一般要考虑可以调节油温，以及显示和控制油温，能 够对温度超限、液位不足以及压力过低或过高时的情况进行控制，保障整个供油 箱的正常运行。可见控制系统是润滑供油箱的核心部分，故润滑供油箱的研制最 主要是对其控制系统的设计和改进，这也成为了现在国内外润滑系统研究的一个 热点方向。 2 3 润滑供油箱控制系统的控制方案 基于润滑供油箱的工作过程和控制要求，论文中提出了两种润滑供油箱控制 系统的方案，一种是分立器件控制系统，即基于大功率器件的控制系统；另一种 是单片机控制系统，顾名思义就是利用单片机来进行控制的系统。 分立器件指的是单一封装的电子器件的组件，具备电子特性功能，分立器件 被广泛应用到消费电子、计算机及外设、网络通信、汽车电子、l e d 显示屏等领 域。目前在中国分立器件市场上，二极管、三极管、功率晶体管、光电器件等产 品的销售额增长迅速，中国已经成为全球最大的分立功率器件市场。在目前国内 分立器件市场的产品结构上，大致有二极管、三极管、功率晶体管、光电器件四 第二章润滑供油箱的概述 9 大类主要产品。分立器件控制系统通过对这些电子器件的组件，比如接触器、电 源开关、继电器等进行逻辑布线来达到控制目的。 在分立器件发展的同时，随着我国对外开放的力度不断加大，世界上一些著 名的微电子公司也在积极开拓着我国市场，这使得国内上市的单片机品种型号越 来越繁多，价格也越来越低廉。近几年单片机控制产品和应用技术广泛普及，它 们正以我们始料未及的速度迅速膨胀和加速，这不仅对人们的工作、学习、生活 等各个方面产生越来越重要的影响，而且还逐渐渗透到工业、农业、商业、医疗、 国防、科研等各个领域。本论文中将引用这样的先进技术，研制润滑供油箱的单 片机控制系统。该系统是根据供油箱控制要求和分立器件布线原理，利用单片机 的功能和特点进行软硬件设计，实现润滑供油箱的基本功能。 科技的进步需要技术不断的提升。虽然分立器件在国内市场上占有很大分量， 但繁多的元器件会增加了劳动的成本，并且不节能。而现在，单片机技术缓解了 这个问题，利用单片机来控制润滑供油箱将有着很大的优势。 目前大多数润滑供油箱控制系统是通过一系列大功率的电磁阀和继电器等的 组合控制模式来进行控制，该系统主要由电源控制单元、温度控制单元、，液位控 制单元、压力控制单元以及报警单元组成，它实现了温度采集、温度超限报警、 压力超限报警、液位超限报警、加热器控制、电磁阀控制、参数显示等功能。 虽然这种控制方式操作稳定、使用寿命长，但由分立器件组装的自动控制设 备元件繁多、设备笨重庞大、线路复杂、可靠性差、出现故障时维修难度大。有 的使用单位由于设备无法修复，只好人工手动来进行控制。在科学技术迅速发展， 集成电路、微电子技术已经普及的今天，这种状况已远远不能适应现代化生产的 要求。针对以上润滑供油箱控制系统的缺点，结合当今单片机的先进技术，借鉴 润滑供油箱的操作原理，确定采用单片机控制的智能型润滑供油箱控制系统。 下面就针对单片机控制方式进行研制，这种控制系统的优点在于体积小【3 2 1 、 易于维修、使用方便、节能、自动化程度高，补充了分立器件控制系统的不足之 处，使润滑供油箱更加智能化。 2 4 本章小结 本章首先介绍了润滑供油箱的结构和工作过程，了解了润滑供油箱中每个器 件的型号和功能，并且掌握了供油箱的操作要求。接着根据供油箱所在设备的机 构和环境提出了控制要求，指出了润滑供油箱控制系统对整个润滑供油箱的重要 性，最后分别简要介绍了分立器件控制系统和单片机控制系统，指出了分立器件 的优缺点，指出了研制单片机控制系统的意义，为下面章节的内容作铺垫。 第三章润滑供油箱控制系统的要求 第三章润滑供油箱控制系统的要求 润滑供油箱作为重要的润滑设备，其工作过程中的各个参数必须受到严格控 制。润滑供油箱是一个复杂的控制对象，主要输入变量是润滑供油箱中的油温、 压力及液位的值、按键的输入信号等，主要输出变量是电磁阀、电加热器及报警 器的驱动信号，本章重点说明了润滑供油箱控制系统所具备的功能和性能，并且 分析了分立器件控制系统的工作原理，根据此原理进行单片机控制系统的设计工 作。 3 1 控制系统的功能要求 在润滑供油箱设备中温度、压力和液位是主要参数，本文中要求设计温度、 压力及液位的自动检测单元，这些单元的功能通过各自的电路完成，并实现显示 温度设定值和测量值，当检测到的温度、压力或液位超过极限值时报警。 润滑供油箱控制系统的控制要求如下1 2 8 】： ( 1 ) 可以人为方便地设定所需控制的温度值，温控单元能自动将油温加热至 此设定值并能保持，直至重新设定另一温度值，即能自动控制温度； ( 2 ) 能够实现采集润滑油温度的作用； ( 3 ) 具有油温超限报警的要求。如果实际测得的温度值超过了系统要求的温 度范围，单片机就会发出报警指令，从而进行超限保护； ( 4 ) 具有液位超限报警的要求。如果供油箱中的油位低于设定值，则系统发 出报警，提示用户油位故障； ( 5 ) 具有压力超限报警的要求。如果供油箱中的压力超过设定的上下限值， 则系统发出报警，提示用户压力出现故障； ( 6 ) 能够显示润滑供油箱的工作状态，包括设定和测量温度值、电磁阀和加 热器的状态及系统的故障源等； ( 7 ) 具有故障显示功能。当系统出现故障报警的时候，在显示界面能够显示 出故障源，方便用户维修； ( 8 ) 模块化设计，安装拆卸简单，维修方便； ( 9 ) 尽量采用典型通用的器件，一旦损坏，易于在市场上买到同样零部件进 行替换。 3 2 控制系统的性能指标 润滑供油箱对大中型机械设备的正常运行起着非常重要的作用，它的供油情 1 2润滑供油箱控制系统的研制 况直接影响着其所在设备的工作状况，可见润滑供油箱控制系统在润滑供油箱中 的重要性。润滑供油箱的作用是给各个大中型设备连续供油的，其控制系统的作 用就是将润滑油准确及时地送到润滑点上。润滑供油箱控制系统的性能指标主要 反映在该系统的稳定性、快速性及精确性上。该控制系统的主要性能指标【3 2 】如下： ( 1 ) 温度控制范围：0 c 1 0 0 ； ( 2 ) 动作压力范围：0 0 5 m p a - - ，0 1 8 m p a ，为保护油箱，当气压大于0 2 m p a 时， 电接点压力表动作报警并切断电源；当大于0 2 2 m p a 时，安全阀自动排气释放压 力；当气压低于0 0 5 m p a 时报警。由于该系统不是一个恒压系统，所以单片机不 能进行恒压控制； ( 3 ) 当油位低于控制值时，报警切断电源，此时需及时加油； ( 4 ) 温度测量精度：1 ； ( 5 ) 输入信号：热电阻、压力表、液位计； ( 6 ) 输出控制：电磁阀、电加热器、报警器； ( 7 ) 显示：l c d 显示测量温度值和设定温度值以及其他工作状态参数，并且 按键按下的时候能够在显示屏上显示对应的操作结果。 3 3 控制系统的工作原理 润滑供油箱控制系统有分立器件控制系统和单片机控制系统两种方式，前面 提到由于分立器件控制系统所具有的不足之处已不能适应于某些场合的应用，所 以本文重点研制单片机控制系统。由于这两种控制系统所要达到的控制功能是一 样的，所以在研制单片机控制系统之前，我们先要熟悉并掌握分立器件控制系统 的控制原理，根据这个原理来对单片机控制系统进行设计。下面就对分立器件控 制系统的控制原理进行分析。 润滑供油箱分立器件控制系统是根据润滑供油箱的工作过程和控制要求进行 设计的，图3 1 所示为润滑供油箱分立器件控制原理图及操作面板图h 5 1 ，图中符号 说明如下： c ：加热接触器一a c 2 2 0 v r ：加热管a c 2 2 0 v z k ：断路器 1 3 z j ：中间继电器 k ，k 1 a m p ：电源开关( 带灯) v o ：电磁阀开按键 v e ：电磁阀关按键 t e m p ：温度控制器 第三章润滑供油箱控制系统的要求 t e m p s e t t i n g ：温度的设定值限制开关 o v e r - t e m p ：温度的超限开关 l a m p l ：电磁阀工作指示 l a m p 2 ：加热工作指示 p m a x ：电接点压力表上限开关 p m i n ：电接点压力表下限开关 o v e r - l e v e l ：液位干簧管电接点超限开关 v ：电磁阀a c 2 2 0 v a l a r m ：声光报警器 1 9 4 s m p ! 芝!【j j 妄2 i 一 咖删。l 杏1 多 岁 2 1 一 u c 醯口v 0 一 t e m p 詈匿p田h l。罗 ， ，1 甄 一2 z j i _ 一丁 图3 1 分立器件控制系统控制原理图及面板图 图3 1 中的l a m p l 灯对应面板上的电磁阀工作指示灯，l a m p 2 灯对应面板上的 电加热工作指示灯，v o 开关对应面板上的电磁阀开按钮，v c 开关对应面板上的电 磁阀关按钮，k 及k 1 a m p 对应面板上的电源开关旋钮。该系统具有温度控制单元、 液位控制单元、压力控制单元及报警单元。温度控制单元在整个系统占据着比较 重要的位置，通过检测到的温度与设定的温度进行比较，根据比较结果来进行控 制。 ( 1 ) 温度控制单元原理详细说明： 接通电源后，当按下v o ( 电磁阀开) 时，1 z j 继电器线圈上加有2 2 0 v ，使1 z j 的6 、1 0 脚和7 、1 l 脚吸合导通，当v o 放开后，因1 z j 继电器的6 、1 0 脚吸合导 通使1 z j 继电器线圈仍有2 2 0 v ，仍能正常工作，l a m p l ( 继电器工作指示) 是并 联在1 z j 继电器线圈上的，故当1 z j 线圈有2 2 0 v 时，l a m p l 就亮起。2 z j 线圈不 接电压时，其2 、1 0 脚是导通状态； 1 4 润滑供油箱控制系统的研制 当按下v c ( 电磁阀关) 时，切断了2 2 0 v 到1 z j 线圈和触点上，i z j 就停止工 作了； 当1 z j 继电器的7 、1 1 脚吸合时，因t e m p s e t t i n g 的两触点处于吸合状态，c ( a 9 d 一3 0 1 0 接触器) 线圈上加有2 2 0 v ，则c 两组触点吸合输出加热电压，这时 l a m p 2 ( 加热指示) 亮起，当t e m p ( 温控器) 检测到需要停止加热时，t e m p s e t t i n g 的两触点分开，加热即停止。 温度控制原理图如图3 2 所示。 图3 2 温度控制原理图 ( 2 ) 液位控制单元原理详细说明： 当检测到液位低于控制值时，浮子式液位传感器的超限开关o v e r - l e v e l 闭合， 继电器3 z j 线圈上加有2 2 0 v 电压，使3 z j 的5 、9 脚吸合导通，从而使得继电器 2 z j 的线圈得电，使2 z j 的5 、9 脚吸合导通，此时声光报警器a l a r m 报警，同时 使2 、1 0 脚断开，停止加热，切断了加热器的电源。 ( 3 ) 压力控制单元原理详细说明： 如果检测到供油箱内部的压力值超过电接点压力表的上限值时，电接点压力 表p m a x 闭合，此时继电器2 z j 的线圈上加有2 2 0 v 的电压，使2 z j 的5 、9 脚吸 合导通，声光报警器a l a r m 报警，同时使2 z j 的2 、l o 脚断开，停止加热，并且切 断了加热器的电源；如果检测到供油箱内部的压力超过电接点压力表的下限值时， 电接点压力表p m i n 闭合，这个开关电路和继电器2 z j 的5 、9 脚电路并联，闭合 后声光报警器a l a r m 报警。 ( 4 ) 报警单元 该系统中温度、液位、压力报警共用一个声光报警器，报警器的一端接继电 器2 z j 的9 脚，另一端接电源。当温度、液位和压力出现异常情况时，继电器2 z j 的5 、9 脚吸合，电路导通，报警器a l a r m 报警。 根据润滑供油箱控制系统的控制原理，将各个分立器件用导线连接起来，分 立器件控制系统的接线如图3 3 所示。下面根据控制原理图对分立器件控制系统中 的逻辑接线作具体的说明。 ( 1 ) 合上电源开关k ，电源指示灯k - l a m p 亮； ( 2 ) 当按下电磁阀开按钮时，3 - v o 常开式开关闭合，此时线路有两条分支，一 条连接的是电磁阀工作指示灯，此线路导通指示灯l a m p l 亮；一条是电流经过继 第三章润滑供油箱控制系统的要求 电器2 z j 的一个常闭开关l o 一2 ，经过4 v c 和3 - v o ，此时继电器1 z j 的线圈带电， 使得1 z j 的所有常开开关闭合，开关1 1 7 闭合，经过温控器的下限常闭开关，此 时有两条线路，一条是连接加热指示灯，此线路导通加热指示灯l a m p 2 亮：一条 连接加热接触器c ，此时加热接触器的线圈带电，使得加热继电器的开关闭合，这 样l o 位接线座上3 和5 连接的加热管开始工作，即开始加热； ( 3 ) 在上述的线路中，如果温度达到设定值( 4 0 ) 时，温控器的下限常闭开关 t e m p 1 i m i t 断开，此时上述线路不导通，加热接触器的线圈失电，开关断开，停止 加热，并且加热指示灯l a m p 2 灭。当加热温度超过极限温度值( 6 0 ) 时，温控器的 上限常开开关o v e r - t e m p 闭合，l o 1 3 线路导通，继电器2 z j 的线圈得电，( b ) 中所 述线路中2 z j 的一个常闭开关1 0 2 断开，使得加热停止，加热指示灯l a m p 2 灭， 并且2 z j 中的9 5 开关闭合，此线路使得接在接线座9 上的声光报警器a l a r m 动作， 开始报警； ( 4 ) 接线座2 3 接p m a x 上限开关，当压力到达上限值时，线路经过2 z j 的线圈， 使得2 z j 的常闭开关断开，常开开关闭合，停止加热并且报警。当压力超过下限 值时，接在接线座9 上的p m i n 下限开关闭合，使连接的报警电路导通报警； ( 5 ) 接线座上7 和2 5 接液位传感器，当液位低于控制值时，液位传感器的常 开开关o v e r - l e v e l 闭合，使得3 z j 的线圈得电，这样使3 z j 的一个常开开关9 5 闭 合，使2 z j 的线圈得电，情况如上所述也会停止加热并且报警； ( 6 ) 当出现意外情况时比如电路中出现短路或断路时，电路中会产生一个很大 的反向电流，导致断路器断电，起到保护作用。如果要使得供油箱重新开始工作， 则必须合上断路器，合上电源开关即可。 1 6润滑供油箱控制系统的研制 图3 3 分立器件控制系统连线图 第三章润滑供油箱挖制系统的要求 1 7 上面对分立器件控制系统的控制原理进行了详细的分析和说明，单片机控制 系统将根据上述所分析的原理进行设计，使其具有与分立器件控制系统相同的功 能。由于润滑供油箱控制系统还具有一些外接器件，它们是系统的部分输入输 出器件，在系统中起着相当重要的作用，不论是哪种方式的控制系统，这些外接 器件必须存在。下面就对这些器件的接线做简要说明。润滑供油箱中的外接器件 通过接线座接入系统线路中，l o 位接线座上外接器件的连接顺序如下： 加热管：接线座上3 和5 接加热管，当断路器和加热接触器的开关闭合时就 开始加热； 压力表电接点：接线座上的7 、9 和2 3 接电接点压力表p 。7 是公共端，7 和 9 连接的是电接点压力表的下限开关p m i n ，7 和2 3 连接的是上限开关p m a x ； 液位干簧管电接点：接线座上的7 和2 5 接液位计超限开关o v e r - l e v e l ； 电磁阀：接线座上的2 和2 l 接电磁阀v ，2 端接负电压： 声光报警器：a l a r m 两端接2 和9 接点，2 端接负电压。 图3 4 所示为外接线示意图。 c o n 2 5 图3 4 外接线示意图 3 4 本章小结 本章主要说明了润滑供油箱控制系统的要求，首先提出润滑供油箱控制系统 的功能和性能，接着详细介绍了分立器件控制系统的控制原理，包括系统中温度、 压力及液位控制单元的工作过程及原理，其次对该系统的逻辑布线进行简单陈述， 了解系统中各个器件及其接线的作用，然后根据其控制原理，按照提出的要求进 行单片机控制系统的设计，为下一章内容打下基础。 第阴章单i 机控制系统 1 9 第四章单片机控制系统 基于p i c l 6 f 8 7 7 单片机的润滑供油箱控制系统，虽然去掉了庞大的继电器组 合，但要在保留外界器件电路结构和遵循原有操作规程的基础上，还要保证设备 的正常运行，防止出现操作失误，确保人员和装备的安全。下面根据分立器件控 制系统的原理对单片机控制系统进行研制。 4 1 单片机控制系统的总体设计 4 1 1 系统设计原则【3 0 1 1 4 7 】 系统设计上，采用先进、稳定、可靠、灵敏的控制，以适应各种环境。 ( 1 ) 稳定性和可靠性：这是本系统设计的首要前提。 ( 2 ) 标准性和规范性：采用国际、国家标准，系统设计规范化，软件编程规 范化，硬件选型规范化，产品规格规范化。 ( 3 ) 先进性和快速性：系统采用先进、成熟、稳定、可靠、符合标准的技术 产品，保障其具有快速的反应能力。 ( 4 ) 可维护性和经济性：系统的总体结构合理、线路简单、软件模块化、易 于维护、故障率低、节约人力财力、具有良好的性能价格比。 4 1 2 系统设计方案 4 1 2 1 系统工作原理 本系统是一个基于p i c l 6 f 8 7 7 的数据采集控制系统，包括温度传感器、液位 传感器、压力传感器的采样电路，按键电路，液晶显示的电路，加热器电路，电 磁阀电路，电源及报警电路等。设计中所使用的硬件包括p i c 单片机、按键、液 晶显示屏、继电器、电磁阀等。整个系统的功能不仅能通过按键控制设置温度的 大小，而且液晶可以显示出测量和设置的温度值。另外当温度、压力和液位超过 规定范围时报警，并能在液晶屏上显示出报警状态。系统的工作原理如图4 1 所示。 p 虻i 龋舯 图4 1 系统原理图 润滑供油箱控制系统的