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高低温试验箱微机自动控制系统的设计

作者: salmon范 编辑: 瑞凯仪器 来源: www.riukai.com 发布日期: 2019.11.06

    1、引言

    目前,应用于民用工业、国防行业和大型实验室的各种试验箱设备越来越多,如 温度试验箱、压力试验箱、湿度试验箱及各种温度-压力-湿度混合试验箱。这些环境试验设备的主要作用是为某些相应的产品做特定的环境试验,以达到检测和鉴定的目的。随着我国军事现代化步伐的加快,国防行业对这些试验设备的要求越来越高。长期以来,试验箱的生产和设计都由专门的企业来完成,控制手段基本上是采取仪表结合有纸纪录仪来实现,虽然性能比较稳定,但功能略显单调,尤其在数据保存、图形显示方面显得力不从心。为此,笔者与沈阳第一冷冻机有限公司合作,以温度试验箱为例,设计了一种由PC机和PLC构成的高低温试验箱微机自动控制系统,系统结构如图1—1所示。

    图1—1所示控制系统中,试验箱体积为3m3,试验箱的加热器和制冷机组等设备的控制由西门子PLCS7-200通过控制柜实现。而上位机由PC机构成,其主要任务是由PLC通过PPI电缆实现自由端口的通信,并根据现场数据进行温度控制的决策、数据管理和图形显示等。

高低温试验箱控制系统结构

    高低温试验箱的温度控制范围是-100~+200℃,精度为±1℃。 

    2、控制系统主回路

     试验箱设备的控制系统主回路见图2—1所示。系统的制冷机组有两套,分别为M1和M2,由接触器K1和K2控制。M3为试验箱室内风机,用于均匀室内温度,由K3接触器控制。电加热器有两套,分别由接触器K4和K5控制接通或断开,加热控制由固态继电器SSR完成。

    试验箱的控制原理是,首先根据实际要求的控机组。其次,根据试验箱的设定温度与实际温度的比较,进行控制算法运算。最后控制SSR的导通率进行试验箱的加热控制。

图2-1󰀁试验箱控制系统主回路

    3、控制回路设计

    试验箱的设备控制主要由西门子公司的S7-200系列的PLC完成。目前,一般的工控系统大多数采用工控板卡、工控模块或PLC来实现。其中,工控板卡实时性好但使用维护不太方便;工控模块扩展性好但功能固定;而PLC由于其稳定性好,设计灵活,使用方便而越来越受工控界的欢迎,尤其在分布式控制系统的应用中其优势更加明显。

    该控制系统中,笔者根据试验箱系统的被控设备数量及特点,选用PLC的CPU模块为S7-200(14点DC输入,10点继电器输出),扩展模块为EM231(2路Pt100温度测量模块)。控制回路设计见图3—1所示。

图3-1󰀁PLC控制回路原理图

    图3—1控制回路中,试验箱的温度由Pt100传感器通过EM231获得,Pt100采用三线制接法以保证测量精度。输出端Q0.0和Q0.1分别控制2台制冷机组;Q0.2控制试验箱室内风机;Q0.3和Q0.4分别控制2套电加热器;Q0.5控制试验箱室内照明。电加热器的加热控制由Q1.0通过SSR实现。输入端I0.0~I0.5用于输入控制系统的状态信号S1~S6,其含义如表3-1所示。

表3-1 控制系统状态信号

    系统的温度控制算法由上位PC机实现,运算结果通过PPI电缆送给PLC,最终由Q1.0控制SSR。PLC控制程序流程见图3-2所示。

图3-2 PLC控制程序流程图

    4、试验箱的温度控制

    对于温度试验箱控制系统,其被控对象为一阶惯性加纯滞后环节。为了实际调节方便,仍然采用常用的PID算法实现温度控制,但在整个控制过程中,对PID参数的整定进行了认真分析,并设计了一种PID参数生成器,使系统的温度控制效果得到很大改善。

图4-1 设定温度曲线图

    温度试验箱在试验过程中的温度控制是按设定曲线进行的,如图4-1所示。该图是一个试验曲线实例,共包含4个控温段:上升段T1、恒温段T2、降温段T3和恒温段T4。显然,为使实际的控温曲线跟踪好设定曲线,且保证在T2和T4段系统无差,达到系统要求的控温精度,PID算法的参数整定十分关键。由于试验箱的温度对象参数既要随着试件的种类和多少改变,也要随着投入的加热器和制冷机组多少而改变,在整定PID参数时要根据不同情况加以调整。为此,设计了一个温度控制PID参数生成器,用来根据不同的控温段和试验情况来生成不同的PID参数。设第n个控温段的PID参数分别为Pn,In和Dn,则该控温段的控制参数由下列矩阵确定:

(4-1)

    式(4—1)中,P0,I0和D0分别为系统的基本PID参数;Fn(P),Fn(I)和Fn(D)分别为第n个温控段与试验情况相关的P、I和D参数的系数函数。基于PID参数生成器的实现,通过上位PC机编程很容易实现,当然,一些相关参数还是要通过实际系统的调试获得。另外,实际应用中我们采用增量式PID算法,而输出采用位式输出,即在时间周期T内,按照PID输出的归一化结果(0~1)去控制SSR的导通时间,从而实现温度调节。试验箱温度控制系统的控制原理如图4—2所示,Ts为设定温度;Tf为实际温度。

图4-2 试验箱温度控制原理图

    5、PC机软件设计

    用VB6进行上位PC机的软件设计,主要完成3个任务:①实现PC机与PLC的通信;②完成试验箱的温度控制;③实现曲线编辑与数据管理。
    PC机与PLC的通信是利用PPI电缆通过PC机的COM口和PLC的自由端口实现的,通信波特率为9 600bps。试验箱的温度控制主要是实现PID参数生成器和PID控制算法。至于曲线编辑和数据管理也是程序设计中必不可少的内容,因为在试验过程中要经常更改温度的设定曲线,试验数据和图形也要通过数据库进行管理。此外,在界面设计上,结合动画图形技术,力求界面友好、操作方便。试验箱软件的具体功能如下:
    (1)任意设定控温曲线及相关控制参数;
    (2)任意设定每个控温段投入的加热器及制冷机个数;
    (3)实时显示温度数据曲线,具有缩放功能;
    (4)试验过程中各种故障报警;
    (5)试验数据库管理及报表打印。 

    6、结论

    该高低温试验箱微机控制系统运行可靠、操作方便、功能强大,投放市场后深受用户好评。与传统的仪表控制方式相比,控制系统具有界面友好、使用灵活方便、数据管理功能强等优点。尤其是上位PC机的强大图形显示效果更是仪表控制所无法比拟的。该试验箱的控制原理同样适合其它种类的环境试验设备,具有一定的推广价值。
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