快速温度变化试验箱控制系统的设计
来源：精秀热工
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发布日期：2018-06-20
1、引言
快速温度变化试验箱是一种在短时间内提供高、低温快速变化的环境设备，其温度变化范围为70℃-150℃，升降温速率一般为5-10℃min，主要用于电工、电子、通讯、仪器仪表、科研等领域的产品进行快速温度变化环境的性能测试筛选或考核实验，是科学研究、技术开发、生产和质量控制领域理想的环境试验设备。该试验箱除了要满足升降温速率的要求外，还对试验箱能够实现快速的线性变温以及防止温度的过冲和保持温度的稳定性有一定的要求，因此对控制系统便提出了较高的要求。
2、工作原理
快速温度变化试验箱主要由箱体、制冷系统、加热系统、水循环系统、除湿系统、控制系统等组成，其具体结构如图1所示。为了满足试验箱内环境温度的快速降温和0℃的工作温度要求，试验箱的制冷系统采用二元复叠制冷循环的制冷方式。复叠制冷系统是有一个高温级制冷循环系统和一个低温级制冷循环系统组成，均采用蒸汽压缩式制冷原理，二者都是由压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器组成各自的封闭制冷系统。高温级制冷循环系统主要是用来冷却低温级制冷循环系统，而低温级制冷循环系统才是真正为试验箱内提供冷源的核心所在。为了更好地满足降温速率，制冷系统中的冷凝器采用水循环冷却，相比传统的风机冷却，降温效果得以大大改善，尤其是在炎热的夏季。
加热系统是由三组电加热器组成，每组加热器又由三根大功率加热管构成，极大的满足了设备的升温要求。为了满足做高温实验时的湿度要求，试验箱增加了一套除湿系统。另外，在加热器和制冷系统蒸发器的上部安装了三台循环风机，以满足试验箱工作室的温度均匀性要求。
图1 快速温度变化试验箱结构示意图
1.水循环系统、2.高温纺压缩机、3.低温级压缩机、4.水冷冷凝器、5.换热器、6.电磁阀、7.膨胀阀、8.电控系统、9.加热系统、10.循环风机、11.蒸发器、12.工作室、13.膨胀容器、14.油分离器、15.风冷冷凝器、16.除湿压缩机、17.外箱体
3、控制系统硬件设计
快速温度变化试验箱控制系统硬件主要由西门子S7-200PLC、优易控UMCI200系列温湿度程序控制器、按钮开关、传感器、压缩机、加热器、循环风机、报警器、照明灯、电磁阀等构成。控制系统具体硬件结构框图如图2所示。PLC控制器通过接收来自按钮、异常报警以及温湿度控制器的输入信号，经过逻辑运算处理，通过输出模块控制压缩机、加热器等控制对象。
图2 控制系统具体硬件结构框图
西门子S7-200PLC属于模块化、可扩展小微型PLC系统4，在实时模式下具有结构紧凑、功能强大、操作编程简单、响应速度快，运行稳定可靠等诸多优点，在很大程度上取代了传统的继电器电路，在机床、生产加工设备等自动化控制领域应用十分广泛，由于该试验箱控制点数多达62个，所以最终选择了西门子226PLC和16入16出的223扩展模块。作为快速温度变化试验箱的控制核心部分，PLC主要完成了整个试验箱自动操作的顺序逻辑运算控制以及报警信息处理等功能。
优易控UMCl200系列温湿度程序控制器是日本优易控株式会社推出的新一代专用于高低温试验箱的真彩液晶可程式温湿度控制器，主要有触摸屏、ACU模块和DCU模块组成，其具有简单的逻辑运算控制、温湿度显示、试验数据的存储、温度曲线显示以及故障显示等功能。作为快速温度变化试验箱的主要控制部分，温湿度程序控制器主要完成了对温度和湿度的数据采集以及数据处理，并通过开关量输出模块将相关信息传送给PLC。
在控温工作时，温湿度程序控制器会根据箱体内实际温度的上下波动而控制加热器的频繁启停，由于加热器的功率较大，普通接触器难以承受频繁的启停，因此，在硬件设计时选择了固态继电器。通过温控器以及PLC的输出来共同控制固态继电器的控制元件，从而满足了对加热器的控制要求。加热系统控制图如图3所示。
图3 加热系统控制图
4、控制系统软件设计
快速温度变化试验箱控制系统软件程序包括两部分:PC程序和温控器程序。控制软件结构框图如图4所示。PLC程序是在STEP7V4.0环境下,使用梯形图语言进行编写,采用模块化控制思想,有主程序和若干子程序组成,主要用来控制压缩机、加热器、电磁阀等被控对象,使其按照定的控制要求实现逻辑顺序控制。
图4 控制软件结构框图
PLC程序主要的子程序有自动运行、报警处理和辅助功能等。自动运行主要包含压缩机运行、加热器运行、电磁阀运行等三部分。设备在调试的过程中,可以使用手动控制;当设备在做定点试验或循环程序试验时,用户通过触摸屏设定好试验温度和试验程序以后,系统将执行自动运行程序。根据控温系统的工作要求,PLC控制器会根据程序的逻辑控制关系来实现对各个旁通阀、制冷阀等各个电磁阀、制冷压缩机、加热器的启停控制。对于两级制冷压缩机的控制,除了在电路连接上做了互锁以外,在程序逻辑上也增加了条件限制,即低温级压缩机必须在高温级压缩机开启以后,通过一定的延时才能启动,从而保证了系统的安全运行。
为了保证快速温度变化试验箱的安全运行，该控制系统设置了大量的报警信息,如相序报警压缩机过载报警、加热器过载报警、超温报警、高低压报警、水流量报警等十多个报警信息。当有报警信息输入时,PLC会根据不同的报警信号做出不同的处理,同时这些报警信号也会传送给温控器,通过触摸屏实时显示报警信息,并提醒用户及时解除报警。除此以外,PLC程序还完成了对玻璃加热器、门加热器、照明灯、蜂鸣器等辅助设施的控制。
由于优易控厂家已将UMC1200系列温湿度程序控制器做了完整封装,因此,在做温控器控制程序时,只需通过触摸屏对其系统设置中的一些主要参数进行设置,并进行相应的简单逻辑编程即可。主要系统设置包括报警设置、IS温度设置、EVT设置、DO设置以及PID参数设置等。由于温度传感器检测的实时温度信号仅仅传送给了温控器,而没有进入PLC控制器,所以为了让控制系统更好地运行,根据实际工作要求,温控器设置了大量的温度偏差报警,温度偏差范围报警,绝对值温度报警等,经过简单的逻辑关联,通过温控器的输出将信号传送到PLC控制器,相当于实现了温控器与PLC的简单的开关量信号通讯。系统在控温阶段时,温控器会根据自身的AT自整定,自动计算出所需要的PID参数,通过温控器自身的PID控制来完成对控温精度要求的实现。
为了达到快速升温和快速降温的要求,试验箱装备了大功率的制冷系统和加热系统。在快速降温过程中,当箱体内的温度接近目标温度时,系统会开启加热器,通过加热器产生的热量去平衡制冷系统所产生的冷量,以此来达到平稳过渡减少温度负过冲的目的。但是,由于温控器的PID运算本身的局限性,通常是当温度出现负偏差以后才会快速的增加热输出,这样就很容易出现负过冲现象。因此,制冷系统增加了一些旁通阀,通过设定不同的温度报警点,在不同温度点时开启不同的旁通阀,以减少进入箱体内的冷量,从而有效的防止了快速降温过程中的负过冲现象。在快速升温过程中,当温度接近目标值以后,PD运算才会减少加热器的输出,同样受PID运算的局限性以及加热器余热的影响,此时会存在温度正过冲现象。为此,将加热器分成三组来分别控制,一组受温控器的热输出控制,另外两组受PLC控制。在接近目标温度时,逐渐减少加热器的组数,从而有效的解决了正过冲现象。另外,根据用户的要求,通过温控器上的以太网接口与上位机相连,实现了远程网络监视和控制。
5、结束语
该快速温度变化试验箱控制系统采用西门子PLC和优易控UMC1200系列温湿度程序控制器来共同作为系统的控制核心,实现了试验箱的快速平稳升温和降温的工作过程,在做程序循环试验时可得到平稳圆滑的温度变化曲线,同时保证了试验箱控温时的控制精度,采用复叠制冷系统,降低了工作能耗。操作简单、系统工作平稳可靠。目前,该试验箱在用户厂家运行良好。
