3、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

 

快速溫度變化試驗(yàn)箱控制系統(tǒng)硬件主要由西門子S7-200PLC、優(yōu)易控UMCI200系列溫濕度程序控制器、按鈕開關(guān)、傳感器、壓縮機(jī)、加熱器、循環(huán)風(fēng)機(jī)、報(bào)警器、照明燈、電磁閥等構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)具體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。PLC控制器通過(guò)接收來(lái)自按鈕、異常報(bào)警以及溫濕度控制器的輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算處理，通過(guò)輸出模塊控制壓縮機(jī)、加熱器等控制對(duì)象。

圖2 控制系統(tǒng)具體硬件結(jié)構(gòu)框圖

 

西門子S7-200PLC屬于模塊化、可擴(kuò)展小微型PLC系統(tǒng)4，在實(shí)時(shí)模式下具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)大、操作編程簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快，運(yùn)行穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，在很大程度上取代了傳統(tǒng)的繼電器電路，在機(jī)床、生產(chǎn)加工設(shè)備等自動(dòng)化控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，由于該試驗(yàn)箱控制點(diǎn)數(shù)多達(dá)62個(gè)，所以最終選擇了西門子226PLC和16入16出的223擴(kuò)展模塊。作為快速溫度變化試驗(yàn)箱的控制核心部分，PLC主要完成了整個(gè)試驗(yàn)箱自動(dòng)操作的順序邏輯運(yùn)算控制以及報(bào)警信息處理等功能。

 

優(yōu)易控UMCl200系列溫濕度程序控制器是日本優(yōu)易控株式會(huì)社推出的新一代專用于高低溫試驗(yàn)箱的真彩液晶可程式溫濕度控制器，主要有觸摸屏、ACU模塊和DCU模塊組成，其具有簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算控制、溫濕度顯示、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、溫度曲線顯示以及故障顯示等功能。作為快速溫度變化試驗(yàn)箱的主要控制部分，溫濕度程序控制器主要完成了對(duì)溫度和濕度的數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)處理，并通過(guò)開關(guān)量輸出模塊將相關(guān)信息傳送給PLC。

 

在控溫工作時(shí)，溫濕度程序控制器會(huì)根據(jù)箱體內(nèi)實(shí)際溫度的上下波動(dòng)而控制加熱器的頻繁啟停，由于加熱器的功率較大，普通接觸器難以承受頻繁的啟停，因此，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)選擇了固態(tài)繼電器。通過(guò)溫控器以及PLC的輸出來(lái)共同控制固態(tài)繼電器的控制元件，從而滿足了對(duì)加熱器的控制要求。加熱系統(tǒng)控制圖如圖3所示。
 

圖3 加熱系統(tǒng)控制圖

為了保證快速溫度變化試驗(yàn)箱的安全運(yùn)行，該控制系統(tǒng)設(shè)置了大量的報(bào)警信息,如相序報(bào)警壓縮機(jī)過(guò)載報(bào)警、加熱器過(guò)載報(bào)警、超溫報(bào)警、高低壓報(bào)警、水流量報(bào)警等十多個(gè)報(bào)警信息。當(dāng)有報(bào)警信息輸入時(shí),PLC會(huì)根據(jù)不同的報(bào)警信號(hào)做出不同的處理,同時(shí)這些報(bào)警信號(hào)也會(huì)傳送給溫控器,通過(guò)觸摸屏實(shí)時(shí)顯示報(bào)警信息,并提醒用戶及時(shí)解除報(bào)警。除此以外,PLC程序還完成了對(duì)玻璃加熱器、門加熱器、照明燈、蜂鳴器等輔助設(shè)施的控制。

 

由于優(yōu)易控廠家已將UMC1200系列溫濕度程序控制器做了完整封裝,因此,在做溫控器控制程序時(shí),只需通過(guò)觸摸屏對(duì)其系統(tǒng)設(shè)置中的一些主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,并進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)單邏輯編程即可。主要系統(tǒng)設(shè)置包括報(bào)警設(shè)置、IS溫度設(shè)置、EVT設(shè)置、DO設(shè)置以及PID參數(shù)設(shè)置等。由于溫度傳感器檢測(cè)的實(shí)時(shí)溫度信號(hào)僅僅傳送給了溫控器,而沒(méi)有進(jìn)入PLC控制器,所以為了讓控制系統(tǒng)更好地運(yùn)行,根據(jù)實(shí)際工作要求,溫控器設(shè)置了大量的溫度偏差報(bào)警,溫度偏差范圍報(bào)警,絕對(duì)值溫度報(bào)警等,經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的邏輯關(guān)聯(lián),通過(guò)溫控器的輸出將信號(hào)傳送到PLC控制器,相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了溫控器與PLC的簡(jiǎn)單的開關(guān)量信號(hào)通訊。系統(tǒng)在控溫階段時(shí),溫控器會(huì)根據(jù)自身的AT自整定,自動(dòng)計(jì)算出所需要的PID參數(shù),通過(guò)溫控器自身的PID控制來(lái)完成對(duì)控溫精度要求的實(shí)現(xiàn)。

 

為了達(dá)到快速升溫和快速降溫的要求,試驗(yàn)箱裝備了大功率的制冷系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)。在快速降溫過(guò)程中,當(dāng)箱體內(nèi)的溫度接近目標(biāo)溫度時(shí),系統(tǒng)會(huì)開啟加熱器,通過(guò)加熱器產(chǎn)生的熱量去平衡制冷系統(tǒng)所產(chǎn)生的冷量,以此來(lái)達(dá)到平穩(wěn)過(guò)渡減少溫度負(fù)過(guò)沖的目的。但是,由于溫控器的PID運(yùn)算本身的局限性,通常是當(dāng)溫度出現(xiàn)負(fù)偏差以后才會(huì)快速的增加熱輸出,這樣就很容易出現(xiàn)負(fù)過(guò)沖現(xiàn)象。因此,制冷系統(tǒng)增加了一些旁通閥,通過(guò)設(shè)定不同的溫度報(bào)警點(diǎn),在不同溫度點(diǎn)時(shí)開啟不同的旁通閥,以減少進(jìn)入箱體內(nèi)的冷量,從而有效的防止了快速降溫過(guò)程中的負(fù)過(guò)沖現(xiàn)象。在快速升溫過(guò)程中,當(dāng)溫度接近目標(biāo)值以后,PD運(yùn)算才會(huì)減少加熱器的輸出,同樣受PID運(yùn)算的局限性以及加熱器余熱的影響,此時(shí)會(huì)存在溫度正過(guò)沖現(xiàn)象。為此,將加熱器分成三組來(lái)分別控制,一組受溫控器的熱輸出控制,另外兩組受PLC控制。在接近目標(biāo)溫度時(shí),逐漸減少加熱器的組數(shù),從而有效的解決了正過(guò)沖現(xiàn)象。另外,根據(jù)用戶的要求,通過(guò)溫控器上的以太網(wǎng)接口與上位機(jī)相連,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視和控制。

 

5、結(jié)束語(yǔ)

 

該快速溫度變化試驗(yàn)箱控制系統(tǒng)采用西門子PLC和優(yōu)易控UMC1200系列溫濕度程序控制器來(lái)共同作為系統(tǒng)的控制核心,實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)箱的快速平穩(wěn)升溫和降溫的工作過(guò)程,在做程序循環(huán)試驗(yàn)時(shí)可得到平穩(wěn)圓滑的溫度變化曲線,同時(shí)保證了試驗(yàn)箱控溫時(shí)的控制精度,采用復(fù)疊制冷系統(tǒng),降低了工作能耗。操作簡(jiǎn)單、系統(tǒng)工作平穩(wěn)可靠。目前,該試驗(yàn)箱在用戶廠家運(yùn)行良好。