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(shi)控(kong)制系統中，試驗箱體(ti)積為3m3，試驗箱的加熱器和制冷機(ji)(ji)組等設備的控(kong)制由(you)西門(men)子PLCS7－200通過控(kong)制柜(ju)實現。而上位機(ji)(ji)由(you)PC機(ji)(ji)構成(cheng)，其(qi)主要任務是由(you)PLC通過PPI電纜實現自(zi)由(you)端(duan)口的通信，并根(gen)據現場數據進行溫度(du)控(kong)制的決策、數據管理和圖形(xing)顯示(shi)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(yan)箱(xiang)的控(kong)制(zhi)原理是，首先根據實際(ji)要求的控(kong)機組。其次，根據試驗(yan)箱(xiang)的設(she)定溫度與實際(ji)溫度的比較，進(jin)行(xing)控(kong)制(zhi)算(suan)(suan)法(fa)運算(suan)(suan)。后控(kong)制(zhi)SSR的導通率進(jin)行(xing)試驗(yan)箱(xiang)的加熱控(kong)制(zhi)。

    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(kong)(kong)制系統中，筆者根據試驗箱系統的被控(kong)(kong)設(she)備(bei)數量及特(te)點(dian)(dian)，選用(yong)PLC的CPU模(mo)(mo)塊為S7－200（14點(dian)(dian)DC輸入，10點(dian)(dian)繼(ji)電(dian)器輸出），擴展模(mo)(mo)塊為EM231（2路Pt100溫度測量模(mo)(mo)塊）。控(kong)(kong)制回路設(she)計(ji)見圖3—1所示。

    圖3—1控(kong)制(zhi)回路中，試驗箱的溫度由Pt100傳感器(qi)通過EM231獲得，Pt100采(cai)用三線制(zhi)接(jie)法以保(bao)證(zheng)測(ce)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)試驗箱室(shi)內風機；Q0．3和Q0．4分別控(kong)制(zhi)2套電加(jia)熱(re)器(qi)；Q0．5控(kong)制(zhi)試驗箱室(shi)內照(zhao)明(ming)。電加(jia)熱(re)器(qi)的加(jia)熱(re)控(kong)制(zhi)由Q1．0通過SSR實(shi)現。輸(shu)入端I0．0～I0．5用于輸(shu)入控(kong)制(zhi)系(xi)統的狀態信號S1～S6，其(qi)含(han)義如表3-1所示。

    系統的溫度控制算法由(you)上位PC機(ji)實現(xian)，運算結果通過PPI電(dian)纜送(song)給PLC，終(zhong)由(you)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(wen)度試驗箱控(kong)(kong)制(zhi)系統(tong)，其被控(kong)(kong)對象為一階慣性加純滯(zhi)后環節(jie)(jie)。為了(le)實(shi)際(ji)調節(jie)(jie)方便，仍然采用常用的(de)PID算(suan)法實(shi)現溫(wen)度控(kong)(kong)制(zhi)，但(dan)在(zai)整個控(kong)(kong)制(zhi)過程(cheng)中(zhong)，對PID參(can)數(shu)的(de)整定(ding)進行了(le)認真分析，并設計了(le)一種PID參(can)數(shu)生成器(qi)，使系統(tong)的(de)溫(wen)度控(kong)(kong)制(zhi)效果得到很大改(gai)善。

    溫(wen)(wen)度試(shi)驗(yan)箱在試(shi)驗(yan)過程中的(de)溫(wen)(wen)度控制(zhi)(zhi)是按設(she)定曲線(xian)進(jin)行的(de)，如圖4-1所示。該(gai)圖是一個試(shi)驗(yan)曲線(xian)實(shi)例(li)，共包含4個控溫(wen)(wen)段(duan)(duan)：上升段(duan)(duan)T1、恒溫(wen)(wen)段(duan)(duan)T2、降溫(wen)(wen)段(duan)(duan)T3和(he)恒溫(wen)(wen)段(duan)(duan)T4。顯然，為使實(shi)際的(de)控溫(wen)(wen)曲線(xian)跟蹤好設(she)定曲線(xian)，且保證在T2和(he)T4段(duan)(duan)系(xi)統無差(cha)，達(da)到系(xi)統要求的(de)控溫(wen)(wen)精(jing)度，PID算(suan)法的(de)參(can)數(shu)整定十分關鍵(jian)。由于試(shi)驗(yan)箱的(de)溫(wen)(wen)度對(dui)象(xiang)參(can)數(shu)既要隨(sui)著試(shi)件的(de)種類(lei)和(he)多(duo)少改變，也(ye)要隨(sui)著投入(ru)的(de)加(jia)熱器(qi)和(he)制(zhi)(zhi)冷(leng)機組多(duo)少而改變，在整定PID參(can)數(shu)時要根據不同(tong)情(qing)況加(jia)以調(diao)整。為此，設(she)計了一個溫(wen)(wen)度控制(zhi)(zhi)PID參(can)數(shu)生成器(qi)，用來根據不同(tong)的(de)控溫(wen)(wen)段(duan)(duan)和(he)試(shi)驗(yan)情(qing)況來生成不同(tong)的(de)PID參(can)數(shu)。設(she)第n個控溫(wen)(wen)段(duan)(duan)的(de)PID參(can)數(shu)分別為Pn，In和(he)Dn，則該(gai)控溫(wen)(wen)段(duan)(duan)的(de)控制(zhi)(zhi)參(can)數(shu)由下列(lie)矩陣確定：

    式（4—1）中，P0，I0和(he)D0分別(bie)為(wei)系(xi)統的(de)基本PID參數(shu)；Fn（P），Fn（I）和(he)Fn（D）分別(bie)為(wei)第n個溫控(kong)段與試(shi)(shi)驗(yan)情(qing)況相關的(de)P、I和(he)D參數(shu)的(de)系(xi)數(shu)函數(shu)。基于PID參數(shu)生成器的(de)實(shi)現(xian)，通(tong)過(guo)(guo)上位PC機編(bian)程很(hen)容易實(shi)現(xian)，當然，一些相關參數(shu)還是要通(tong)過(guo)(guo)實(shi)際系(xi)統的(de)調試(shi)(shi)獲得。另外，實(shi)際應用中我們采用增量式PID算法，而(er)輸出采用位式輸出，即在時(shi)間周(zhou)期T內，按照(zhao)PID輸出的(de)歸一化結果（0～1）去控(kong)制(zhi)(zhi)SSR的(de)導(dao)通(tong)時(shi)間，從而(er)實(shi)現(xian)溫度(du)調節(jie)。試(shi)(shi)驗(yan)箱(xiang)溫度(du)控(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)統的(de)控(kong)制(zhi)(zhi)原理如圖4—2所示，Ts為(wei)設定溫度(du)；Tf為(wei)實(shi)際溫度(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。