1、引言

    目前，應(yīng)用于民用工業(yè)、國(guó)防行業(yè)和大型實(shí)驗(yàn)室的各種試驗(yàn)箱設(shè)備越來(lái)越多，如 溫度試驗(yàn)箱、壓力試驗(yàn)箱、濕度試驗(yàn)箱及各種溫度－壓力－濕度混合試驗(yàn)箱。這些環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的主要作用是為某些相應(yīng)的產(chǎn)品做特定的環(huán)境試驗(yàn)，以達(dá)到檢測(cè)和鑒定的目的。隨著我國(guó)軍事現(xiàn)代化步伐的加快，國(guó)防行業(yè)對(duì)這些試驗(yàn)設(shè)備的要求越來(lái)越高。長(zhǎng)期以來(lái)，試驗(yàn)箱的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)都由專門的企業(yè)來(lái)完成，控制手段基本上是采取儀表結(jié)合有紙紀(jì)錄儀來(lái)實(shí)現(xiàn)，雖然性能比較穩(wěn)定，但功能略顯單調(diào)，尤其在數(shù)據(jù)保存、圖形顯示方面顯得力不從心。為此，筆者與沈陽(yáng)冷凍機(jī)有限公司合作，以溫度試驗(yàn)箱為例，設(shè)計(jì)了一種由PC機(jī)和PLC構(gòu)成的高低溫試驗(yàn)箱微機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1—1所示。

    圖1—1所示控制系統(tǒng)中，試驗(yàn)箱體積為3m3，試驗(yàn)箱的加熱器和制冷機(jī)組等設(shè)備的控制由西門子PLCS7－200通過(guò)控制柜實(shí)現(xiàn)。而上位機(jī)由PC機(jī)構(gòu)成，其主要任務(wù)是由PLC通過(guò)PPI電纜實(shí)現(xiàn)自由端口的通信，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度控制的決策、數(shù)據(jù)管理和圖形顯示等。

    高低溫試驗(yàn)箱的溫度控制范圍是－100～＋200℃，精度為±1℃。 

    2、控制系統(tǒng)主回路

     試驗(yàn)箱設(shè)備的控制系統(tǒng)主回路見(jiàn)圖2—1所示。系統(tǒng)的制冷機(jī)組有兩套，分別為M1和M2，由接觸器K1和K2控制。M3為試驗(yàn)箱室內(nèi)風(fēng)機(jī)，用于均勻室內(nèi)溫度，由K3接觸器控制。電加熱器有兩套，分別由接觸器K4和K5控制接通或斷開(kāi)，加熱控制由固態(tài)繼電器SSR完成。

    試驗(yàn)箱的控制原理是，首先根據(jù)實(shí)際要求的控機(jī)組。其次，根據(jù)試驗(yàn)箱的設(shè)定溫度與實(shí)際溫度的比較，進(jìn)行控制算法運(yùn)算。后控制SSR的導(dǎo)通率進(jìn)行試驗(yàn)箱的加熱控制。

    3、控制回路設(shè)計(jì)

    試驗(yàn)箱的設(shè)備控制主要由西門子公司的S7－200系列的PLC完成。目前，一般的工控系統(tǒng)大多數(shù)采用工控板卡、工控模塊或PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，工控板卡實(shí)時(shí)性好但使用維護(hù)不太方便；工控模塊擴(kuò)展性好但功能固定；而PLC由于其穩(wěn)定性好，設(shè)計(jì)靈活，使用方便而越來(lái)越受工控界的歡迎，尤其在分布式控制系統(tǒng)的應(yīng)用中其優(yōu)勢(shì)更加明顯。

    該控制系統(tǒng)中，筆者根據(jù)試驗(yàn)箱系統(tǒng)的被控設(shè)備數(shù)量及特點(diǎn)，選用PLC的CPU模塊為S7－200（14點(diǎn)DC輸入，10點(diǎn)繼電器輸出），擴(kuò)展模塊為EM231（2路Pt100溫度測(cè)量模塊）?？刂苹芈吩O(shè)計(jì)見(jiàn)圖3—1所示。

    圖3—1控制回路中，試驗(yàn)箱的溫度由Pt100傳感器通過(guò)EM231獲得，Pt100采用三線制接法以保證測(cè)量精度。輸出端Q0．0和Q0．1分別控制2臺(tái)制冷機(jī)組；Q0．2控制試驗(yàn)箱室內(nèi)風(fēng)機(jī)；Q0．3和Q0．4分別控制2套電加熱器；Q0．5控制試驗(yàn)箱室內(nèi)照明。電加熱器的加熱控制由Q1．0通過(guò)SSR實(shí)現(xiàn)。輸入端I0．0～I(xiàn)0．5用于輸入控制系統(tǒng)的狀態(tài)信號(hào)S1～S6，其含義如表3-1所示。

    系統(tǒng)的溫度控制算法由上位PC機(jī)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算結(jié)果通過(guò)PPI電纜送給PLC，終由Q1．0控制SSR。PLC控制程序流程見(jiàn)圖3-2所示。

    4、試驗(yàn)箱的溫度控制

    對(duì)于溫度試驗(yàn)箱控制系統(tǒng)，其被控對(duì)象為一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)。為了實(shí)際調(diào)節(jié)方便，仍然采用常用的PID算法實(shí)現(xiàn)溫度控制，但在整個(gè)控制過(guò)程中，對(duì)PID參數(shù)的整定進(jìn)行了認(rèn)真分析，并設(shè)計(jì)了一種PID參數(shù)生成器，使系統(tǒng)的溫度控制效果得到很大改善。

    溫度試驗(yàn)箱在試驗(yàn)過(guò)程中的溫度控制是按設(shè)定曲線進(jìn)行的，如圖4-1所示。該圖是一個(gè)試驗(yàn)曲線實(shí)例，共包含4個(gè)控溫段：上升段T1、恒溫段T2、降溫段T3和恒溫段T4。顯然，為使實(shí)際的控溫曲線跟蹤好設(shè)定曲線，且保證在T2和T4段系統(tǒng)無(wú)差，達(dá)到系統(tǒng)要求的控溫精度，PID算法的參數(shù)整定十分關(guān)鍵。由于試驗(yàn)箱的溫度對(duì)象參數(shù)既要隨著試件的種類和多少改變，也要隨著投入的加熱器和制冷機(jī)組多少而改變，在整定PID參數(shù)時(shí)要根據(jù)不同情況加以調(diào)整。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)溫度控制PID參數(shù)生成器，用來(lái)根據(jù)不同的控溫段和試驗(yàn)情況來(lái)生成不同的PID參數(shù)。設(shè)第n個(gè)控溫段的PID參數(shù)分別為Pn，In和Dn，則該控溫段的控制參數(shù)由下列矩陣確定：

    式（4—1）中，P0，I0和D0分別為系統(tǒng)的基本PID參數(shù)；Fn（P），F(xiàn)n（I）和Fn（D）分別為第n個(gè)溫控段與試驗(yàn)情況相關(guān)的P、I和D參數(shù)的系數(shù)函數(shù)?；赑ID參數(shù)生成器的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)上位PC機(jī)編程很容易實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然，一些相關(guān)參數(shù)還是要通過(guò)實(shí)際系統(tǒng)的調(diào)試獲得。另外，實(shí)際應(yīng)用中我們采用增量式PID算法，而輸出采用位式輸出，即在時(shí)間周期T內(nèi)，按照PID輸出的歸一化結(jié)果（0～1）去控制SSR的導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。試驗(yàn)箱溫度控制系統(tǒng)的控制原理如圖4—2所示，Ts為設(shè)定溫度；Tf為實(shí)際溫度。

    5、PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    用VB6進(jìn)行上位PC機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，主要完成3個(gè)任務(wù)：①實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與PLC的通信；②完成試驗(yàn)箱的溫度控制；③實(shí)現(xiàn)曲線編輯與數(shù)據(jù)管理。
    PC機(jī)與PLC的通信是利用PPI電纜通過(guò)PC機(jī)的COM口和PLC的自由端口實(shí)現(xiàn)的，通信波特率為9 600bps。試驗(yàn)箱的溫度控制主要是實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)生成器和PID控制算法。至于曲線編輯和數(shù)據(jù)管理也是程序設(shè)計(jì)中必不可少的內(nèi)容，因?yàn)樵谠囼?yàn)過(guò)程中要經(jīng)常更改溫度的設(shè)定曲線，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖形也要通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理。此外，在界面設(shè)計(jì)上，結(jié)合動(dòng)畫圖形技術(shù)，力求界面友好、操作方便。試驗(yàn)箱軟件的具體功能如下：
    （1）任意設(shè)定控溫曲線及相關(guān)控制參數(shù)；
    （2）任意設(shè)定每個(gè)控溫段投入的加熱器及制冷機(jī)個(gè)數(shù)；
    （3）實(shí)時(shí)顯示溫度數(shù)據(jù)曲線，具有縮放功能；
    （4）試驗(yàn)過(guò)程中各種故障報(bào)警；
    （5）試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)管理及報(bào)表打印。 

    6、結(jié)論

    該高低溫試驗(yàn)箱微機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠、操作方便、功能強(qiáng)大，投放市場(chǎng)后深受用戶好評(píng)。與傳統(tǒng)的儀表控制方式相比，控制系統(tǒng)具有界面友好、使用靈活方便、數(shù)據(jù)管理功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。尤其是上位PC機(jī)的強(qiáng)大圖形顯示效果更是儀表控制所無(wú)法比擬的。該試驗(yàn)箱的控制原理同樣適合其它種類的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備，具有一定的推廣價(jià)值。