快速溫度變化試驗箱控制系統(tǒng)的設(shè)計
來源：精秀熱工
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發(fā)布日期：2018-06-20
1、引言
快速溫度變化試驗箱是一種在短時間內(nèi)提供高、低溫快速變化的環(huán)境設(shè)備，其溫度變化范圍為70℃-150℃，升降溫速率一般為5-10℃min，主要用于電工、電子、通訊、儀器儀表、科研等領(lǐng)域的產(chǎn)品進行快速溫度變化環(huán)境的性能測試篩選或考核實驗，是科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)和質(zhì)量控制領(lǐng)域理想的環(huán)境試驗設(shè)備。該試驗箱除了要滿足升降溫速率的要求外，還對試驗箱能夠?qū)崿F(xiàn)快速的線性變溫以及防止溫度的過沖和保持溫度的穩(wěn)定性有一定的要求，因此對控制系統(tǒng)便提出了較高的要求。
2、工作原理
快速溫度變化試驗箱主要由箱體、制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、除濕系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了滿足試驗箱內(nèi)環(huán)境溫度的快速降溫和0℃的工作溫度要求，試驗箱的制冷系統(tǒng)采用二元復(fù)疊制冷循環(huán)的制冷方式。復(fù)疊制冷系統(tǒng)是有一個高溫級制冷循環(huán)系統(tǒng)和一個低溫級制冷循環(huán)系統(tǒng)組成，均采用蒸汽壓縮式制冷原理，二者都是由壓縮機、冷凝器、節(jié)流裝置和蒸發(fā)器組成各自的封閉制冷系統(tǒng)。高溫級制冷循環(huán)系統(tǒng)主要是用來冷卻低溫級制冷循環(huán)系統(tǒng)，而低溫級制冷循環(huán)系統(tǒng)才是真正為試驗箱內(nèi)提供冷源的核心所在。為了更好地滿足降溫速率，制冷系統(tǒng)中的冷凝器采用水循環(huán)冷卻，相比傳統(tǒng)的風(fēng)機冷卻，降溫效果得以大大改善，尤其是在炎熱的夏季。
加熱系統(tǒng)是由三組電加熱器組成，每組加熱器又由三根大功率加熱管構(gòu)成，極大的滿足了設(shè)備的升溫要求。為了滿足做高溫實驗時的濕度要求，試驗箱增加了一套除濕系統(tǒng)。另外，在加熱器和制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器的上部安裝了三臺循環(huán)風(fēng)機，以滿足試驗箱工作室的溫度均勻性要求。
圖1 快速溫度變化試驗箱結(jié)構(gòu)示意圖
1.水循環(huán)系統(tǒng)、2.高溫紡壓縮機、3.低溫級壓縮機、4.水冷冷凝器、5.換熱器、6.電磁閥、7.膨脹閥、8.電控系統(tǒng)、9.加熱系統(tǒng)、10.循環(huán)風(fēng)機、11.蒸發(fā)器、12.工作室、13.膨脹容器、14.油分離器、15.風(fēng)冷冷凝器、16.除濕壓縮機、17.外箱體
3、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
快速溫度變化試驗箱控制系統(tǒng)硬件主要由西門子S7-200PLC、優(yōu)易控UMCI200系列溫濕度程序控制器、按鈕開關(guān)、傳感器、壓縮機、加熱器、循環(huán)風(fēng)機、報警器、照明燈、電磁閥等構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)具體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。PLC控制器通過接收來自按鈕、異常報警以及溫濕度控制器的輸入信號，經(jīng)過邏輯運算處理，通過輸出模塊控制壓縮機、加熱器等控制對象。
圖2 控制系統(tǒng)具體硬件結(jié)構(gòu)框圖
西門子S7-200PLC屬于模塊化、可擴展小微型PLC系統(tǒng)4，在實時模式下具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能強大、操作編程簡單、響應(yīng)速度快，運行穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)點，在很大程度上取代了傳統(tǒng)的繼電器電路，在機床、生產(chǎn)加工設(shè)備等自動化控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，由于該試驗箱控制點數(shù)多達62個，所以最終選擇了西門子226PLC和16入16出的223擴展模塊。作為快速溫度變化試驗箱的控制核心部分，PLC主要完成了整個試驗箱自動操作的順序邏輯運算控制以及報警信息處理等功能。
優(yōu)易控UMCl200系列溫濕度程序控制器是日本優(yōu)易控株式會社推出的新一代專用于高低溫試驗箱的真彩液晶可程式溫濕度控制器，主要有觸摸屏、ACU模塊和DCU模塊組成，其具有簡單的邏輯運算控制、溫濕度顯示、試驗數(shù)據(jù)的存儲、溫度曲線顯示以及故障顯示等功能。作為快速溫度變化試驗箱的主要控制部分，溫濕度程序控制器主要完成了對溫度和濕度的數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)處理，并通過開關(guān)量輸出模塊將相關(guān)信息傳送給PLC。
在控溫工作時，溫濕度程序控制器會根據(jù)箱體內(nèi)實際溫度的上下波動而控制加熱器的頻繁啟停，由于加熱器的功率較大，普通接觸器難以承受頻繁的啟停，因此，在硬件設(shè)計時選擇了固態(tài)繼電器。通過溫控器以及PLC的輸出來共同控制固態(tài)繼電器的控制元件，從而滿足了對加熱器的控制要求。加熱系統(tǒng)控制圖如圖3所示。
圖3 加熱系統(tǒng)控制圖
4、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
快速溫度變化試驗箱控制系統(tǒng)軟件程序包括兩部分:PC程序和溫控器程序?？刂栖浖Y(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。PLC程序是在STEP7V4.0環(huán)境下,使用梯形圖語言進行編寫,采用模塊化控制思想,有主程序和若干子程序組成,主要用來控制壓縮機、加熱器、電磁閥等被控對象,使其按照定的控制要求實現(xiàn)邏輯順序控制。
圖4 控制軟件結(jié)構(gòu)框圖
PLC程序主要的子程序有自動運行、報警處理和輔助功能等。自動運行主要包含壓縮機運行、加熱器運行、電磁閥運行等三部分。設(shè)備在調(diào)試的過程中,可以使用手動控制;當設(shè)備在做定點試驗或循環(huán)程序試驗時,用戶通過觸摸屏設(shè)定好試驗溫度和試驗程序以后,系統(tǒng)將執(zhí)行自動運行程序。根據(jù)控溫系統(tǒng)的工作要求,PLC控制器會根據(jù)程序的邏輯控制關(guān)系來實現(xiàn)對各個旁通閥、制冷閥等各個電磁閥、制冷壓縮機、加熱器的啟?？刂?。對于兩級制冷壓縮機的控制,除了在電路連接上做了互鎖以外,在程序邏輯上也增加了條件限制,即低溫級壓縮機必須在高溫級壓縮機開啟以后,通過一定的延時才能啟動,從而保證了系統(tǒng)的安全運行。
為了保證快速溫度變化試驗箱的安全運行，該控制系統(tǒng)設(shè)置了大量的報警信息,如相序報警壓縮機過載報警、加熱器過載報警、超溫報警、高低壓報警、水流量報警等十多個報警信息。當有報警信息輸入時,PLC會根據(jù)不同的報警信號做出不同的處理,同時這些報警信號也會傳送給溫控器,通過觸摸屏實時顯示報警信息,并提醒用戶及時解除報警。除此以外,PLC程序還完成了對玻璃加熱器、門加熱器、照明燈、蜂鳴器等輔助設(shè)施的控制。
由于優(yōu)易控廠家已將UMC1200系列溫濕度程序控制器做了完整封裝,因此,在做溫控器控制程序時,只需通過觸摸屏對其系統(tǒng)設(shè)置中的一些主要參數(shù)進行設(shè)置,并進行相應(yīng)的簡單邏輯編程即可。主要系統(tǒng)設(shè)置包括報警設(shè)置、IS溫度設(shè)置、EVT設(shè)置、DO設(shè)置以及PID參數(shù)設(shè)置等。由于溫度傳感器檢測的實時溫度信號僅僅傳送給了溫控器,而沒有進入PLC控制器,所以為了讓控制系統(tǒng)更好地運行,根據(jù)實際工作要求,溫控器設(shè)置了大量的溫度偏差報警,溫度偏差范圍報警,絕對值溫度報警等,經(jīng)過簡單的邏輯關(guān)聯(lián),通過溫控器的輸出將信號傳送到PLC控制器,相當于實現(xiàn)了溫控器與PLC的簡單的開關(guān)量信號通訊。系統(tǒng)在控溫階段時,溫控器會根據(jù)自身的AT自整定,自動計算出所需要的PID參數(shù),通過溫控器自身的PID控制來完成對控溫精度要求的實現(xiàn)。
為了達到快速升溫和快速降溫的要求,試驗箱裝備了大功率的制冷系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)。在快速降溫過程中,當箱體內(nèi)的溫度接近目標溫度時,系統(tǒng)會開啟加熱器,通過加熱器產(chǎn)生的熱量去平衡制冷系統(tǒng)所產(chǎn)生的冷量,以此來達到平穩(wěn)過渡減少溫度負過沖的目的。但是,由于溫控器的PID運算本身的局限性,通常是當溫度出現(xiàn)負偏差以后才會快速的增加熱輸出,這樣就很容易出現(xiàn)負過沖現(xiàn)象。因此,制冷系統(tǒng)增加了一些旁通閥,通過設(shè)定不同的溫度報警點,在不同溫度點時開啟不同的旁通閥,以減少進入箱體內(nèi)的冷量,從而有效的防止了快速降溫過程中的負過沖現(xiàn)象。在快速升溫過程中,當溫度接近目標值以后,PD運算才會減少加熱器的輸出,同樣受PID運算的局限性以及加熱器余熱的影響,此時會存在溫度正過沖現(xiàn)象。為此,將加熱器分成三組來分別控制,一組受溫控器的熱輸出控制,另外兩組受PLC控制。在接近目標溫度時,逐漸減少加熱器的組數(shù),從而有效的解決了正過沖現(xiàn)象。另外,根據(jù)用戶的要求,通過溫控器上的以太網(wǎng)接口與上位機相連,實現(xiàn)了遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視和控制。
5、結(jié)束語
該快速溫度變化試驗箱控制系統(tǒng)采用西門子PLC和優(yōu)易控UMC1200系列溫濕度程序控制器來共同作為系統(tǒng)的控制核心,實現(xiàn)了試驗箱的快速平穩(wěn)升溫和降溫的工作過程,在做程序循環(huán)試驗時可得到平穩(wěn)圓滑的溫度變化曲線,同時保證了試驗箱控溫時的控制精度,采用復(fù)疊制冷系統(tǒng),降低了工作能耗。操作簡單、系統(tǒng)工作平穩(wěn)可靠。目前,該試驗箱在用戶廠家運行良好。
