环境试验设备专用控制系统的通用化研究

收稿日期：10.10环境试验设备专用控制系统的通用化设计广州爱斯佩克环境仪器有限公司高级工程师郑建福Abstract:ThisArticleprovideaenvironmentaltestingequipmentcontrollingsystemgeneralizationdesignschemeandrealizationbasedonanalyseoftheequipmentbasicfunctionsandsorts.摘要：本文在对环境试验设备基本功能和分类分析的基础上，提出了控制系统的通用化设计方案及实现。关键词：环境试验设备控制系统通用化Keywords:environmentaltestingequipment,controllingsystem,generalization1．环境试验设备功能简介环境试验设备是一种用于评价产品环境适应能力和质量的设备，其功能是制造各种不同的温度、湿度、气压及其组合和变化的环境条件，以激发和暴露被测试产品的缺陷，它是提高各种产品质量不可缺少的工具。从手机、家电等各种民用产品到卫星、导弹等军工产品都需要进行环境适应性试验和可靠性试验。目前我国已经成为全球制造业的中心，对环境试验设备的需求在急剧增加。本文是针对环境试验设备（以下简称设备）控制系统的通用化与开放性进行讨论。2．设备的基本构成和分类如图1所示，设备通常由试验室、制冷机组、控制系统组成；试验室内又包含样品区，空气调节通道；空气条件通道中有加热丝、蒸发器、加湿器、风机；在通道出口有干球和湿球温度传感器；其工作原理为：将样品放入样品区，从操作面板给定试验的条件（温度/湿度），控制系统发出指令启动风机工作，并根据试验的温度和湿度设定值，控制加热器、蒸发器、加湿器工作。风机在设备运行后一直工作，控制系统根据传感器测量反馈得到样品区内的实际温度和湿度，采用一定的调节规律控制加热器、加湿器和制冷机等部件的工作，从而到达试验要求的温度和湿度。试验室内示意传感器加热器加湿器箱体及保温材料图1.环境试验设备示意图根据不同的试验需要，设备分为：高于环境温度的高温试验箱（温度60～300℃），多用于样品的老化试验；具有高温和低温的温度试验箱（温度－70～蒸发器样品制冷机组样图品区空气调节通道风机控制系统150℃），多用于环境适应性评价试验；具有温度和湿度的高低温湿热试验箱（温度－70～150℃，湿度10～99％RH），多用于环境适应性评价试验；温度冲击试验箱（温度－80～250℃，温度冲击恢复时间5分钟），多用于元器件缺陷暴露；快速温度变化（温度－80～150℃，温度变化速率5～15℃/min）,多用于整机和部件的缺陷激发；温度湿度加振动的三综合试验箱（实际上是快速温度变化箱＋湿度控制＋振动接口），用于高可靠产品的整机和部件的缺陷激发。这些不同类型的设备基本原理相同，在温度控制方面，若要提高温度可控制加热器通电；但是要使温度降低就没有那么简单，根据目前的制冷技术，同行都采用的是机械制冷方式，通过控制制冷机组及管路。从工作寿命和温度控制的波动等因素考虑，制冷机组的工作不能频繁的启停，冷量的大小是选择不同的制冷回路。与加热器通过控制通断时间实现功率连续调节不同，制冷量的大小只能通过选择不同的制冷回路调节输出功率，且输出功率的可调性要比加热器复杂的多，同时受机组运行安全性的限制也很大。与我们日常所见的空调机不同，制冷系统的工况比较宽，从高温150℃到低温－80℃环境下都要正常工作，设计上如不注意将造成压缩机过热、超压和缺油等机械故障，直接影响到设备的正常工作。对于上面谈到的快速温度变化箱、综合试验箱、大型步入式试验箱等对制冷量要求较大的设备，如何既实现冷量的合理控制，又保证制冷机组的安全可靠运行是摆在设备系统设计师面前的重要课题。这也要求控制系统在制冷机组安全可靠运行的前提下实现对制冷量的合理控制。由于机组的安全性的限制，可能会造成某些温度或湿度点不能正常工作，我们称这些点为“不良点”，越是复杂的设备存在“不良点“的可能性越大。设备的安全保护包括箱体的过热、样品的过热/过冷保护、风机的过热保护、三相电机的缺相/相序保护、加湿器的过热保护；水路系统（带湿度功能的设备）的水位、进水、排水的保护；制冷系统的超压、欠压、压缩机过热、缺油的保护。大多数试验都有相应的国际（IEC）标准、国家标准（GB）、美军标准（MIL）、国军标（GJB）。许多标准要求温度/湿度随时间变化而变化，可用试验曲线来描述。在控制系统中的操作面板就必须具备试验曲线的输入；运行时温度/湿度的设定值计算，运行状态（设定温度/湿度、测量温度/湿度、运行时间等参数）的指示等功能。3．设备控制系统的组成及通常的实现方案设备控制系统要完成的基本功能是：1）试验曲线的输入和设备状态的指示；2）温度/湿度的测量和调节；3）各种被控对象如风机、制冷系统管路的控制；4）设备安全保护状态的检测。控制系统图2.设备控制系统组成如图2所示，具有程序（曲线）设定功能的温度/湿度调节器完成试验曲线的输入和运行状态（设定/测量值等曲线跟踪信息）的显示。输入输出控制（PLC）完成设备安全状态的检测、控制动作的确定。状态指示装置完成设备工作状态的指示（运行、停止、故障及故障信息指示）。大多数设备制造厂家控制系统的实现方案是：输入输出控制由各种品牌的PLC来实现，温度/湿度调节和程序曲线功能通过具有编程功能的PID调节仪表来完成，状态信息采用简单的状态指示灯完成。简称这种方案为方案A。随着PLC技术的发展，PLC厂家也推出具有PID运算功能的PLC。采用具有PID运算功能的PLC再配上LCD触摸屏也是一种不错的方案。通过LCD触摸屏完成操作界面的功能，由PLC完成模拟量测量、PID温度/湿度调节、逻辑控制。简称这种方案为方案B。4．几种方案的对比分析方案功能及通用性易操作性可扩展性成本（元）开放性A比较适合标准温度/湿度箱；较难适应复杂和特殊设备的要求；比较差，操作者要借助操作手册。具有一定的扩展能量，可根据需要增减I/O口的数量；约5000～10000用户PC难以连接到控制系统；B可适合各种复杂和特殊设备的要求；较好，操作者可不必借助操作手册。具有一定的扩展能量，可根据需要增减I/O口的数量；约7000～15000用户PC难以连接到控制系统；A和B两种方案都比较难解决同时适应简单和复杂控制的要求，成本比较具有程序设定功能温度/湿度调节器输入输出控制（PLC）输出驱动安全状态机组、加热、加湿、风机温度传感器状态指示高，开放性比较差。有些厂家自主研制控制系统，自主研制的产品可根据设备的需要进行设计，单台控制系统的成本可以得到最优化。在设备的生产小批量多品种特点的情况下，是否要每种设备都有相配套的专用控制系统？采用怎样的设计才可实现成本和通用性之间得到最好的平衡？下面就进行讨论。5．通用化的设想5．1专用控制系统通用化与开发性设计应考虑的因素1）适应不同的应用对象，即可适应复杂和简单设备；2）在不影响系统的结构的前提下，输入/输出的控制点数可有较大的变化；3）控制的变量可以是：温度、湿度，气压、光照度等各种变量及其组合；4）温度控制方法，既要控制加热器，又要控制制冷量；并且，可根据试验的要求合理的控制和分配制冷量，实现制冷量在一定范围内的连续可调性，消除设备在其工作范围内的“不良点”，并达到节能的作用；5）设备各种信息的汇总与处理，提供标准的数据服务接口，方便与外部PC的数据和信息的交互；6）在操作面板方面既可满足经济型又可满足豪华型的需要；7）功能可扩充性，方便将来新功能的增加；8）软件的可移植性，方便今后硬件平台的升级；5．2专用控制系统通用化与开发性设计的实现方案总体思想：采用积木化的结构，将系统分成功能独立的智能模块，这些模块是：（1）I/O模块，完成输入检测、逻辑运算和输出控制；系统中I/O模块的数量可以1～6个；每个I/O模块的I/O点数为16～48点；因此可以适应小型到大型复杂系统的控制。（2）ADDA模块，完成模拟量的测量；可完成Pt100铂电阻/TC热电偶温度、标准电压、标准电流的测量；每个ADDA模块测量的输入点数为6个，输出1个为4～20mA模拟量；系统中ADDA模块的数量可以1～3个，具有很强的适应性；（3）CPU模块，完成控制和调节运算；程序曲线的跟踪、温度等物理量的调节运算（FUZZY+PID），加热量的控制、制冷量的控制；完成各种信息的处理和汇总，统一向外部提供数据请求的服务；CPU模块是整个控制系统的核心，一个系统中只能有一个CPU模块。（4）HMI模块，完成操作面板－人机交互界面功能；设计经济型和豪华型两种HMI模块；模块之间的信息交互，采用RS-485接口；I/O与CPU模块、ADDA与CPU模块之间，考虑到是控制系统内部数据交换且交换的数据量比较大、速度要求高，采用自定义协议；HMI与CPU模块之间，考虑到是控制系统与外部数据交换，应具有一定的开放性和通用性，采用的是三菱协议；图3.通用化实现方案6．目前通用化设计的工作进展6．1CPU模块硬件：采用Intel386EX33MHZCPU，512KSRAM（电池保护），512KFLASH，3个UART（2个RS-485,一个RS-232），1个Centronics打印口；软件：多回路Fuzzy＋PID＋前馈控制，Fuzzy冷量控制，程序曲线跟踪，I/O模块通讯协议，ADDA通讯协议，三菱通讯协议；6．2I/O模块硬件：松下FP∑型PLC、西门子S200型PLC、或MPC-STD-I/O；输入口8～32点；输出口8～32点；软件：松下或西门子PLC编程软件；对MPC-STD-I/O，18条软PLC指令解释器，运行速度（1K行/秒）；6．3ADDA模块8通道16位∑△A/D转换器，带自校正测量，带自校正Pt100铂电阻测量；温度补偿热电偶测量，标准电压、标准电流测量。16位D/A转换器，4～20mA电流输出。6．4VFD数码管型操作显示屏由定制的高亮度的29个7段数码管＋19个状态指示灯组成的VFD显示屏，8个键盘＋“飞轮”组成操作显示屏。6．5P3064/P3104型彩色TFT6.4/10.4吋LCD触摸屏自行研制的彩色TFT6.4/10.4吋LCD触摸屏P3064/P3104，硬件采用三星S3C2410ARMCPU，32MFLASH，64MSDRAM，1MSRAM（带电池保护），2个UART，1个Centronics打印口，1个10Base网口；64K色TFTLCD显示屏，1024x1024分辨率丝线电阻触摸屏。软件：1）基于PCWindows环境的画面编辑器；2）基于S3C2410ARMCPU+MontaVistaLinux操作系统下的解释程序；实现在PCWindows下画面编辑器设计的界面在LCD触摸屏上的还原。3）支持的PLC通讯协议有松下FP∑,西门子S200，三菱（FX-PartA）,Modibus等；CPU模块I/O模块I/O模块ADDA模块ADDA模块数码管型HMILCD型HMI用户PC4）实现无纸记录功能和记录数据的U盘转存PC浏览打印功能；6．6用户PC集中监控软件1）通过RS-485接口，完成对16台设备的集中监控；2）设备远程操作与控制；3）数据记录与趋势图；4）用户API接口；7．结论我们自20003年起，按照此方案已经为生产了约1200套控制系统，为约五十多种不同类型、1200多台设备配套；设备涵盖了温度、温湿度、低气压、温度气压综合、温度湿度光照综合、温度湿度淋雨综合、温度湿度振动综合等多种设备。应用表明该方案的设计是成功的，基本达到了通用性的要求。目前我们正在进一步优化系统，强化软件功能，特别是智能化控制软件，以达到设备的更稳定、更可靠、节能运行。