1、引言

    目前，應用于民用工業(yè)、國防行業(yè)和大型實驗室的各種試驗箱設備越來越多，如 溫度試驗箱、壓力試驗箱、濕度試驗箱及各種溫度－壓力－濕度混合試驗箱。這些環(huán)境試驗設備的主要作用是為某些相應的產(chǎn)品做特定的環(huán)境試驗，以達到檢測和鑒定的目的。隨著我國軍事現(xiàn)代化步伐的加快，國防行業(yè)對這些試驗設備的要求越來越高。長期以來，試驗箱的生產(chǎn)和設計都由專門的企業(yè)來完成，控制手段基本上是采取儀表結(jié)合有紙紀錄儀來實現(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，筆者與沈陽冷凍機有限公司合作，以溫度試驗箱為例，設計了一種由PC機和PLC構(gòu)成的高低溫試驗箱微機自動控制系統(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，試驗箱體積為3m3，試驗箱的加熱器和制冷機組等設備的控制由西門子PLCS7－200通過控制柜實現(xiàn)。而上位機由PC機構(gòu)成，其主要任務是由PLC通過PPI電纜實現(xiàn)自由端口的通信，并根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行溫度控制的決策、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

     試驗箱設備的控制系統(tǒng)主回路見圖2—1所示。系統(tǒng)的制冷機組有兩套，分別為M1和M2，由接觸器K1和K2控制。M3為試驗箱室內(nèi)風機，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，加熱控制由固態(tài)繼電器SSR完成。

    試驗箱的控制原理是，首先根據(jù)實際要求的控機組。其次，根據(jù)試驗箱的設定溫度與實際溫度的比較，進行控制算法運算。后控制SSR的導通率進行試驗箱的加熱控制。

    3、控制回路設計

    試驗箱的設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來實現(xiàn)。其中，工控板卡實時性好但使用維護不太方便；工控模塊擴展性好但功能固定；而PLC由于其穩(wěn)定性好，設計靈活，使用方便而越來越受工控界的歡迎，尤其在分布式控制系統(tǒng)的應用中其優(yōu)勢更加明顯。

    該控制系統(tǒng)中，筆者根據(jù)試驗箱系統(tǒng)的被控設備數(shù)量及特點，選用PLC的CPU模塊為S7－200（14點DC輸入，10點繼電器輸出），擴展模塊為EM231（2路Pt100溫度測量模塊）?？刂苹芈吩O計見圖3—1所示。

    圖3—1控制回路中，試驗箱的溫度由Pt100傳感器通過EM231獲得，Pt100采用三線制接法以保證測量精度。輸出端Q0．0和Q0．1分別控制2臺制冷機組；Q0．2控制試驗箱室內(nèi)風機；Q0．3和Q0．4分別控制2套電加熱器；Q0．5控制試驗箱室內(nèi)照明。電加熱器的加熱控制由Q1．0通過SSR實現(xiàn)。輸入端I0．0～I0．5用于輸入控制系統(tǒng)的狀態(tài)信號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機實現(xiàn)，運算結(jié)果通過PPI電纜送給PLC，終由Q1．0控制SSR。PLC控制程序流程見圖3-2所示。

    4、試驗箱的溫度控制

    對于溫度試驗箱控制系統(tǒng)，其被控對象為一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)。為了實際調(diào)節(jié)方便，仍然采用常用的PID算法實現(xiàn)溫度控制，但在整個控制過程中，對PID參數(shù)的整定進行了認真分析，并設計了一種PID參數(shù)生成器，使系統(tǒng)的溫度控制效果得到很大改善。

    溫度試驗箱在試驗過程中的溫度控制是按設定曲線進行的，如圖4-1所示。該圖是一個試驗曲線實例，共包含4個控溫段：上升段T1、恒溫段T2、降溫段T3和恒溫段T4。顯然，為使實際的控溫曲線跟蹤好設定曲線，且保證在T2和T4段系統(tǒng)無差，達到系統(tǒng)要求的控溫精度，PID算法的參數(shù)整定十分關鍵。由于試驗箱的溫度對象參數(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組多少而改變，在整定PID參數(shù)時要根據(jù)不同情況加以調(diào)整。為此，設計了一個溫度控制PID參數(shù)生成器，用來根據(jù)不同的控溫段和試驗情況來生成不同的PID參數(shù)。設第n個控溫段的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個溫控段與試驗情況相關的P、I和D參數(shù)的系數(shù)函數(shù)?；赑ID參數(shù)生成器的實現(xiàn)，通過上位PC機編程很容易實現(xiàn)，當然，一些相關參數(shù)還是要通過實際系統(tǒng)的調(diào)試獲得。另外，實際應用中我們采用增量式PID算法，而輸出采用位式輸出，即在時間周期T內(nèi)，按照PID輸出的歸一化結(jié)果（0～1）去控制SSR的導通時間，從而實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。試驗箱溫度控制系統(tǒng)的控制原理如圖4—2所示，Ts為設定溫度；Tf為實際溫度。

    5、PC機軟件設計

    用VB6進行上位PC機的軟件設計，主要完成3個任務：①實現(xiàn)PC機與PLC的通信；②完成試驗箱的溫度控制；③實現(xiàn)曲線編輯與數(shù)據(jù)管理。
    PC機與PLC的通信是利用PPI電纜通過PC機的COM口和PLC的自由端口實現(xiàn)的，通信波特率為9 600bps。試驗箱的溫度控制主要是實現(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)管理也是程序設計中必不可少的內(nèi)容，因為在試驗過程中要經(jīng)常更改溫度的設定曲線，試驗數(shù)據(jù)和圖形也要通過數(shù)據(jù)庫進行管理。此外，在界面設計上，結(jié)合動畫圖形技術(shù)，力求界面友好、操作方便。試驗箱軟件的具體功能如下：
    （1）任意設定控溫曲線及相關控制參數(shù)；
    （2）任意設定每個控溫段投入的加熱器及制冷機個數(shù)；
    （3）實時顯示溫度數(shù)據(jù)曲線，具有縮放功能；
    （4）試驗過程中各種故障報警；
    （5）試驗數(shù)據(jù)庫管理及報表打印。 

    6、結(jié)論

    該高低溫試驗箱微機控制系統(tǒng)運行可靠、操作方便、功能強大，投放市場后深受用戶好評。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)管理功能強等優(yōu)點。尤其是上位PC機的強大圖形顯示效果更是儀表控制所無法比擬的。該試驗箱的控制原理同樣適合其它種類的環(huán)境試驗設備，具有一定的推廣價值。