1、引言

    目前，應用於民用工業、國防行業和大型實驗室的各種試驗箱設備越來越多，如 溫（wēn）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（xiāng）。這些環境試驗設備（bèi）的主要作用是為某些相應的產品做特定的環（huán）境（jìng）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（de）加快，國防（fáng）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（chǎn）和（hé）設（shè）計都由專門的企業來完成，控製手段基（jī）本上是采取儀表結合有紙紀錄儀來實現，雖（suī）然（rán）性能比較穩定，但功能略顯單調，尤其（qí）在數（shù）據保存、圖形顯示方麵顯得力（lì）不從心。為（wéi）此，筆者與（yǔ）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（jī）和PLC構成的高低溫試驗箱微機自動（dòng）控製係統，係統結構如圖1—1所（suǒ）示（shì）。

    圖1—1所（suǒ）示控製係統中（zhōng），試驗箱體積為3m3，試驗（yàn）箱的加熱器和製（zhì）冷（lěng）機組等設備的控製（zhì）由西門子PLCS7－200通過控製櫃實（shí）現。而上位機由PC機構成，其主要任務是由PLC通過PPI電（diàn）纜實現自由端（duān）口的通信，並根據現場數據進行溫度控製的決策、數據管理和圖形顯示等。

    高低（dī）溫試驗箱的溫度控（kòng）製範圍是－100～＋200℃，精度為±1℃。 

    2、控製係統主回路

     試驗箱設備的控製係統主回（huí）路見圖2—1所示。係統的製冷機組有兩套，分別為M1和（hé）M2，由接觸器K1和K2控製。M3為試驗箱室內風（fēng）機，用（yòng）於均勻室內溫度，由K3接（jiē）觸（chù）器控製。電加熱器有兩套，分別由接（jiē）觸（chù）器（qì）K4和K5控製接通或斷開（kāi），加熱控製由固態繼電器SSR完成。

    試驗箱的控製原理是，首先根據實際要求的控機組。其（qí）次，根據試驗箱的設定溫度與實際溫度的比較，進行控製算法運算。後控製SSR的導通（tōng）率進行試驗箱（xiāng）的（de）加（jiā）熱控製。

    3、控製回路設計

    試（shì）驗箱的設備控製主（zhǔ）要由西門子公司的S7－200係列的PLC完成。目前，一般的工控係統（tǒng）大多數采（cǎi）用工控（kòng）板卡、工控模塊或PLC來實（shí）現。其中，工控板卡實時（shí）性（xìng）好但（dàn）使（shǐ）用維護不太方便；工控模塊擴展性好但功能固定；而PLC由於其穩定性好，設計（jì）靈活，使用方便而越來（lái）越受工控（kòng）界的歡迎，尤其（qí）在（zài）分布式控製係統的應用中其優勢（shì）更加明（míng）顯。

    該控製係（xì）統中，筆者根據試驗箱係統的（de）被控（kòng）設備數量及特點，選用PLC的CPU模塊為S7－200（14點DC輸入（rù），10點繼電器（qì）輸出（chū）），擴展模塊為EM231（2路Pt100溫度（dù）測量模塊）。控製回路設計見圖3—1所（suǒ）示。

    圖3—1控製回路中，試驗（yàn）箱的溫度（dù）由Pt100傳感（gǎn）器通過EM231獲得，Pt100采用三線製接法以保證測量精度。輸出（chū）端Q0．0和Q0．1分別控製2台製冷機組；Q0．2控製試驗箱室內風機；Q0．3和Q0．4分別控製2套電加（jiā）熱器；Q0．5控製試驗箱室內照明。電加熱器的加（jiā）熱控製由Q1．0通過（guò）SSR實現。輸入（rù）端I0．0～I0．5用（yòng）於（yú）輸入控製係統的狀態信號S1～S6，其含義如表3-1所示。

    係統（tǒng）的溫度控（kòng）製算法由上位PC機實現，運算（suàn）結果通過PPI電纜送（sòng）給PLC，終由Q1．0控製SSR。PLC控製程序流程見（jiàn）圖3-2所（suǒ）示。

    4、試（shì）驗箱的溫度控製

    對於溫度試驗箱控製係統，其被（bèi）控對象為一階慣性加純滯後環節。為了實際調節方便，仍然采用常用（yòng）的PID算法實現溫度控製，但在整個控製過程中，對PID參數的整定進行了認真分析，並設計了一種PID參數生成器，使係統的（de）溫度控製效果得到很大改善。

    溫度試驗箱在試驗過程中的溫度控製是按設定曲線進行（háng）的，如圖4-1所（suǒ）示。該（gāi）圖是一個試驗曲線（xiàn）實例，共包含4個控溫段：上（shàng）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段係統無（wú）差，達到係統要求的控溫精度，PID算法的（de）參數整定十分關鍵。由於試驗箱的溫度（dù）對（duì）象參數既要（yào）隨著試件的種類（lèi）和多少改變，也要隨著投入的加熱器和製（zhì）冷機組多（duō）少而改（gǎi）變，在整定PID參數時要（yào）根據不同情況加以調整。為此，設計了一個溫度（dù）控製PID參數生（shēng）成（chéng）器，用來根據不同的控溫段和試驗情況來生成不同的（de）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（wēn）段的控製（zhì）參數由下列矩陣確定：

    式（4—1）中，P0，I0和D0分別（bié）為係統的基本PID參數；Fn（P），Fn（I）和Fn（D）分別為（wéi）第n個溫（wēn）控段與試驗情況相關的P、I和D參數的係數函數。基於PID參（cān）數（shù）生成器的實現，通過上位PC機（jī）編程很容易實現，當然，一些相關參數還是要通過實（shí）際係統的調試獲得。另外，實際應用中我們采用增量式PID算法，而輸出（chū）采用位式輸出，即在時間周期T內，按（àn）照PID輸出（chū）的歸一化（huà）結果（0～1）去控製SSR的導通時間，從（cóng）而（ér）實現溫度調節（jiē）。試驗箱溫度控製係統的控製原理如圖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（rèn）務：①實現PC機與PLC的通信；②完成試驗（yàn）箱（xiāng）的溫（wēn）度（dù）控（kòng）製；③實現（xiàn）曲線編輯與數據管理。
    PC機與PLC的通信是利用（yòng）PPI電纜通過PC機的COM口和PLC的自由端口（kǒu）實現的，通信波特率為9 600bps。試驗（yàn）箱的溫度控製主要是實（shí）現PID參（cān）數生成器和PID控製（zhì）算法。至（zhì）於曲線編輯（jí）和數（shù）據管理也是程序（xù）設計中必不（bú）可少（shǎo）的內容，因為在試驗過程中要經常更改溫度的設定曲線，試（shì）驗（yàn）數據和圖形也要通過數據庫進行管理。此外，在界麵設計（jì）上，結合動畫圖形技（jì）術（shù），力求界麵友好、操作方便（biàn）。試驗箱軟件的具體功能如下（xià）：
    （1）任意設定控溫曲線及相關控製參數；
    （2）任意設定每個控溫段投入的加熱器及製冷機個數；
    （3）實時（shí）顯示溫度（dù）數據曲線（xiàn），具有縮放功能；
    （4）試驗過程中各種故障（zhàng）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製（zhì）係統運行可靠、操作方便、功能強（qiáng）大，投放市場後深受用戶好評。與（yǔ）傳統（tǒng）的儀表控製方式相比，控製係統具有界麵友好、使用靈活（huó）方便、數據管理功能強等優點。尤其（qí）是上位PC機的強大圖形顯示效果更是儀表控製所無（wú）法比擬的。該試驗箱的控製原理同樣適合其它種類的環境試驗設備，具有一定的（de）推廣價值（zhí）。