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。而上位機由PC機構成，其主要任務是由PLC通過PPI電纜實現自由端口的通信，并根據現場數據進行溫度控制的決策、數據管理和圖形顯示等。

    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。

    試驗箱的控制原理是，首先根據實際要求的控機組。其次，根據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。

    該控制系統中，筆者根據試驗箱系統的被控設備數量及特點，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控制試驗箱室內照明。電加熱器的加熱控制由Q1．0通過SSR實現。輸入端I0．0～I0．5用于輸入控制系統的狀態信號S1～S6，其含義如表3-1所示。

    系統的溫度控制算法由上位PC機實現，運算結果通過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，其被控對象為一階慣性加純滯后環節。為了實際調節方便，仍然采用常用的PID算法實現溫度控制，但在整個控制過程中，對PID參數的整定進行了認真分析，并設計了一種PID參數生成器，使系統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段系統無差，達到系統要求的控溫精度，PID算法的參數整定十分關鍵。由于試驗箱的溫度對象參數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參數時要根據不同情況加以調整。為此，設計了一個溫度控制PID參數生成器，用來根據不同的控溫段和試驗情況來生成不同的PID參數。設第n個控溫段的PID參數分別為Pn，In和Dn，則該控溫段的控制參數由下列矩陣確定：

    式（4—1）中，P0，I0和D0分別為系統的基本PID參數；Fn（P），Fn（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參數的系數函數。基于PID參數生成器的實現，通過上位PC機編程很容易實現，當然，一些相關參數還是要通過實際系統的調試獲得。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，按照PID輸出的歸一化結果（0～1）去控制SSR的導通時間，從而實現溫度調節。試驗箱溫度控制系統的控制原理如圖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。