1、引言

    目前，應用于民用工業、國防行業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。這些環境試驗設備的主要作用是為某些相應的產品做特定的環境試驗，以達到檢測和鑒定的目的。隨著我國軍事現代化步伐的加快，國防行業對這些試驗設備的要求越來越高。長期以來，試驗箱的生產和設計都由專門的企業來完成，控制手段基本上是采取儀表結合有紙紀錄儀來實現，雖然性能比較穩定，但功能略顯單調，尤其在數據保存、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構成的高低溫試驗箱微機自動控制系統，系統結構如圖1—1所示。

    圖1—1所示控制系統中，試驗箱體積為3m3，試驗箱的(de)加熱(re)器和(he)(he)制冷(leng)機(ji)組等設備的(de)控制由西門(men)子(zi)PLCS7－200通(tong)過(guo)控制柜實現。而上位機(ji)由PC機(ji)構成，其主(zhu)要任(ren)務(wu)是由PLC通(tong)過(guo)PPI電纜實現自由端口的(de)通(tong)信(xin)，并根據(ju)現場數據(ju)進(jin)行(xing)溫度控制的(de)決策、數據(ju)管理和(he)(he)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、控制系統主回路

     試驗箱設備的控制系統主回路見圖2—1所示。系統的制冷機組有兩套，分別為M1和M2，由接觸器K1和K2控制。M3為試驗箱室內風機，用于均勻室內溫度，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，加熱控制由固態繼電器SSR完成。

     試驗箱的(de)控制原理是，首先根(gen)據實際(ji)要求的(de)控機組(zu)。其(qi)次，根(gen)據試驗箱的(de)設定溫度與實際(ji)溫度的(de)比較，進行控制算法運算。后控制SSR的(de)導通(tong)率進行試驗箱的(de)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，一般的工控系統大多數采用工控板卡、工控模塊或PLC來實現。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的應用中其優勢更加明顯。

    該控制(zhi)系(xi)統中，筆者根(gen)據試驗箱系(xi)統的被(bei)控設(she)備數(shu)量(liang)及特點(dian)，選用PLC的CPU模(mo)(mo)塊(kuai)為S7－200（14點(dian)DC輸(shu)入，10點(dian)繼(ji)電(dian)器輸(shu)出），擴展模(mo)(mo)塊(kuai)為EM231（2路Pt100溫度測(ce)量(liang)模(mo)(mo)塊(kuai)）。控制(zhi)回路設(she)計見(jian)圖3—1所示。

    圖3—1控(kong)制(zhi)回路中(zhong)，試驗(yan)箱(xiang)的(de)溫度由(you)Pt100傳(chuan)感(gan)器(qi)通(tong)過EM231獲得，Pt100采用三線制(zhi)接法以保證測量精度。輸(shu)出端Q0．0和Q0．1分別控(kong)制(zhi)2臺(tai)制(zhi)冷機組；Q0．2控(kong)制(zhi)試驗(yan)箱(xiang)室(shi)內風機；Q0．3和Q0．4分別控(kong)制(zhi)2套(tao)電加熱器(qi)；Q0．5控(kong)制(zhi)試驗(yan)箱(xiang)室(shi)內照明。電加熱器(qi)的(de)加熱控(kong)制(zhi)由(you)Q1．0通(tong)過SSR實現(xian)。輸(shu)入端I0．0～I0．5用于輸(shu)入控(kong)制(zhi)系統(tong)的(de)狀態信號S1～S6，其含義如表3-1所示。

    系統的溫度控(kong)(kong)制算法由上位(wei)PC機實現，運算結果通過PPI電纜送給(gei)PLC，終(zhong)由Q1．0控(kong)(kong)制SSR。PLC控(kong)(kong)制程序流程見(jian)圖3-2所示。

    4、試驗箱的溫度控制

    對(dui)于(yu)溫(wen)(wen)度(du)試驗(yan)箱控制系統，其被控對(dui)象為一階慣性加純滯后環節(jie)。為了(le)實際(ji)調節(jie)方便，仍(reng)然采用(yong)常用(yong)的(de)(de)PID算法實現(xian)溫(wen)(wen)度(du)控制，但在整個控制過程中(zhong)，對(dui)PID參數的(de)(de)整定(ding)進行了(le)認真(zhen)分(fen)析(xi)，并設(she)計了(le)一種PID參數生成器，使(shi)系統的(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)控制效果得到(dao)很大改善。

    溫(wen)(wen)度(du)試(shi)驗(yan)箱在試(shi)驗(yan)過程中的(de)溫(wen)(wen)度(du)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)是(shi)按設定(ding)(ding)(ding)曲(qu)線進行的(de)，如圖4-1所示。該圖是(shi)一個試(shi)驗(yan)曲(qu)線實(shi)例，共包含4個控(kong)(kong)(kong)溫(wen)(wen)段(duan)(duan)：上(shang)升段(duan)(duan)T1、恒溫(wen)(wen)段(duan)(duan)T2、降溫(wen)(wen)段(duan)(duan)T3和(he)(he)恒溫(wen)(wen)段(duan)(duan)T4。顯然，為使實(shi)際的(de)控(kong)(kong)(kong)溫(wen)(wen)曲(qu)線跟蹤好設定(ding)(ding)(ding)曲(qu)線，且保證在T2和(he)(he)T4段(duan)(duan)系統無差，達到系統要(yao)求的(de)控(kong)(kong)(kong)溫(wen)(wen)精度(du)，PID算(suan)法的(de)參(can)數(shu)(shu)整(zheng)(zheng)定(ding)(ding)(ding)十分關(guan)鍵(jian)。由于試(shi)驗(yan)箱的(de)溫(wen)(wen)度(du)對象參(can)數(shu)(shu)既要(yao)隨著(zhu)試(shi)件的(de)種類和(he)(he)多少改(gai)(gai)變，也要(yao)隨著(zhu)投入的(de)加(jia)熱器(qi)和(he)(he)制(zhi)冷機組(zu)多少而改(gai)(gai)變，在整(zheng)(zheng)定(ding)(ding)(ding)PID參(can)數(shu)(shu)時(shi)要(yao)根據(ju)不同情況加(jia)以(yi)調整(zheng)(zheng)。為此(ci)，設計了一個溫(wen)(wen)度(du)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)PID參(can)數(shu)(shu)生成器(qi)，用來根據(ju)不同的(de)控(kong)(kong)(kong)溫(wen)(wen)段(duan)(duan)和(he)(he)試(shi)驗(yan)情況來生成不同的(de)PID參(can)數(shu)(shu)。設第(di)n個控(kong)(kong)(kong)溫(wen)(wen)段(duan)(duan)的(de)PID參(can)數(shu)(shu)分別為Pn，In和(he)(he)Dn，則該控(kong)(kong)(kong)溫(wen)(wen)段(duan)(duan)的(de)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)參(can)數(shu)(shu)由下列矩陣(zhen)確定(ding)(ding)(ding)：

    式（4—1）中(zhong)，P0，I0和(he)D0分(fen)(fen)別(bie)為系(xi)統的(de)(de)基本PID參(can)數(shu)；Fn（P），Fn（I）和(he)Fn（D）分(fen)(fen)別(bie)為第n個(ge)溫(wen)控(kong)(kong)段與試(shi)驗(yan)情況相關的(de)(de)P、I和(he)D參(can)數(shu)的(de)(de)系(xi)數(shu)函數(shu)。基于PID參(can)數(shu)生成器的(de)(de)實(shi)現(xian)(xian)，通(tong)過上位PC機編程很容易實(shi)現(xian)(xian)，當然，一些相關參(can)數(shu)還是要(yao)通(tong)過實(shi)際(ji)系(xi)統的(de)(de)調試(shi)獲得。另外，實(shi)際(ji)應用(yong)中(zhong)我們(men)采用(yong)增量式PID算(suan)法(fa)，而輸出(chu)采用(yong)位式輸出(chu)，即(ji)在時(shi)間(jian)(jian)周期T內，按照PID輸出(chu)的(de)(de)歸一化結果（0～1）去控(kong)(kong)制(zhi)SSR的(de)(de)導通(tong)時(shi)間(jian)(jian)，從而實(shi)現(xian)(xian)溫(wen)度(du)調節。試(shi)驗(yan)箱溫(wen)度(du)控(kong)(kong)制(zhi)系(xi)統的(de)(de)控(kong)(kong)制(zhi)原(yuan)理如圖4—2所(suo)示，Ts為設(she)定(ding)溫(wen)度(du)；Tf為實(shi)際(ji)溫(wen)度(du)。

    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PC機與PLC的通信；②完成試驗箱的溫度控制；③實現曲線編輯與數據管理。
    PC機與PLC的通信是利用PPI電纜通過PC機的COM口和PLC的自由端口實現的，通信波特率為9 600bps。試驗箱的溫度控制主要是實現PID參數生成器和PID控制算法。至于曲線編輯和數據管理也是程序設計中必不可少的內容，因為在試驗過程中要經常更改溫度的設定曲線，試驗數據和圖形也要通過數據庫進行管理。此外，在界面設計上，結合動畫圖形技術，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；
    （2）任意設定每個控溫段投入的加熱器及制冷機個數；
    （3）實時顯示溫度數據曲線，具有縮放功能；
    （4）試驗過程中各種故障報警；
    （5）試驗數據庫管理及報表打印。 

    6、結論

    該高低溫試驗箱微機控制系統運行可靠、操作方便、功能強大，投放市場后深受用戶好評。與傳統的儀表控制方式相比，控制系統具有界面友好、使用靈活方便、數據管理功能強等優點。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境試驗設備，具有一定的推廣價值。