1、引言

    目前，應用於（yú）民用工業、國防行（háng）業和（hé）大型實驗室的各種試驗箱設備越來越多，如（rú） 溫度試驗箱（xiāng）、壓力試驗箱、濕度試（shì）驗箱及各種溫（wēn）度（dù）－壓力－濕度混合試（shì）驗箱。這些（xiē）環境試驗設備的主要作用是為某（mǒu）些相應的產品做特定的環境試驗，以達（dá）到檢測（cè）和鑒定的目的（de）。隨著我國軍事現代化步伐的加快，國防行業對（duì）這些試驗（yàn）設備的要求越來越高。長期以來（lái），試（shì）驗箱的生產和設（shè）計都由（yóu）專門的企業來完成，控製（zhì）手（shǒu）段基本上是采取儀表（biǎo）結合（hé）有紙紀錄（lù）儀來實現（xiàn），雖然性能比較穩定，但功能略顯單調，尤（yóu）其在數據保（bǎo）存、圖形顯示方麵顯（xiǎn）得力不從心。為此，筆者與沈陽（yáng）冷凍機有限公司合作，以（yǐ）溫度試驗箱為例，設計了一種由PC機和PLC構成的高（gāo）低溫試驗箱微機自動控製係統，係統結構如圖（tú）1—1所示。

    圖1—1所示控製係統（tǒng）中，試驗箱（xiāng）體積為3m3，試驗箱的加熱器和製冷機組等設備的控製由西門子PLCS7－200通過控製櫃實現。而上位機由PC機構成，其（qí）主要任務是由PLC通過PPI電纜實現自由（yóu）端口的通信，並根據現場數據進行溫度控製（zhì）的決策（cè）、數（shù）據管理和（hé）圖形顯示等。

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

    2、控製係統主回路

     試驗箱設備的控製係（xì）統主回路見圖2—1所示。係（xì）統的（de）製冷（lěng）機組有兩套，分別為M1和M2，由接觸器K1和K2控製。M3為試驗箱室內風機，用於均勻室（shì）內溫度，由K3接觸器控製。電加熱器有兩套，分別由接觸（chù）器K4和K5控製接通或斷開，加熱控製由固態繼電器SSR完成。

    試（shì）驗箱的控製原理是，首先根（gēn）據實際要求的控機組。其次，根據試驗箱的設（shè）定溫度與實際溫度的比（bǐ）較，進行控製算法運算。後控製SSR的導通率進行試驗箱的加熱控製。

    3、控製回路設計

    試驗箱的設備控製主要由西門子公司的S7－200係列的PLC完成。目前，一般的工（gōng）控係統大多數采（cǎi）用工控（kòng）板卡、工控模塊或（huò）PLC來實（shí）現。其中，工控板卡實時性好但使用維護不太方便；工控模塊（kuài）擴（kuò）展性好但功能固定；而PLC由於其穩定（dìng）性（xìng）好，設計靈活，使用（yòng）方（fāng）便而越來越受工控界的歡迎，尤其在分布（bù）式控製係統的（de）應用中其優勢更加明顯。

    該控製係統中，筆者根（gēn）據試驗箱係統的被控設備數量及特點（diǎn），選用PLC的CPU模（mó）塊為S7－200（14點DC輸入（rù），10點繼電器輸出），擴展模塊為EM231（2路Pt100溫度測量模塊）。控製回路（lù）設計見圖3—1所示（shì）。

    圖（tú）3—1控製回路中（zhōng），試驗箱的溫度由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。輸出端Q0．0和Q0．1分別控製2台製冷機組；Q0．2控製試驗箱室（shì）內風（fēng）機；Q0．3和Q0．4分別控製2套電加熱器；Q0．5控製試驗箱室內照（zhào）明。電加（jiā）熱器的加熱控製由Q1．0通過SSR實現。輸（shū）入端I0．0～I0．5用（yòng）於輸入控製係統的狀態信號S1～S6，其含義如表3-1所示。

    係（xì）統的（de）溫度控製算法由上位PC機實（shí）現，運算結果通過（guò）PPI電纜（lǎn）送給PLC，終由Q1．0控製SSR。PLC控製（zhì）程序流程見（jiàn）圖3-2所示。

    4、試驗（yàn）箱的溫度控製（zhì）

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

    溫度試驗箱在試驗過（guò）程中的溫度控製是按設定曲線進行的，如圖4-1所示（shì）。該圖是一個試（shì）驗曲線實例，共包含4個控溫（wēn）段：上升（shēng）段T1、恒溫（wēn）段T2、降溫段T3和恒溫（wēn）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段係統無差，達到係統要求（qiú）的控溫精度，PID算法的（de）參（cān）數整定十分關鍵。由於試驗箱的溫度對象參數既要隨著試件的種類和（hé）多少改變，也要隨著投入的加熱器和製冷機組多少而改變，在整定PID參數時（shí）要（yào）根據不同情況加以調整。為此，設計了一個溫度控製PID參數生成器，用（yòng）來根（gēn）據不同的（de）控（kòng）溫段和試驗（yàn）情況來生成不同（tóng）的PID參（cān）數。設第n個控溫段的PID參數分別為Pn，In和Dn，則該控溫（wēn）段的控製參數由下列矩陣（zhèn）確定：

    式（4—1）中，P0，I0和D0分別（bié）為（wéi）係統的基本PID參數；Fn（P），Fn（I）和Fn（D）分（fèn）別為（wéi）第n個溫控段與（yǔ）試驗（yàn）情況相關的P、I和（hé）D參數的係數函數。基於（yú）PID參數生（shēng）成器的實（shí）現，通過上位PC機編程很容易實現，當然，一（yī）些相關參數還是要通過實際係統的（de）調試獲得。另外，實際應用中我們采用（yòng）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（huà）結果（0～1）去控製SSR的導通時間，從而（ér）實現溫度調節。試驗箱溫度（dù）控（kòng）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（ruǎn）件設計

    用VB6進行上位PC機的軟件設計，主要完成3個任務（wù）：①實現PC機（jī）與（yǔ）PLC的通信；②完成試驗箱的溫度控製；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（lǎn）通過PC機的（de）COM口和PLC的自（zì）由端（duān）口實現的，通信波特率為9 600bps。試驗（yàn）箱的（de）溫（wēn）度控製主要是實現PID參數生成器（qì）和PID控製算法。至（zhì）於曲線編輯和（hé）數據管理也是程序設計（jì）中必不可少的內容，因為在試驗過程中要經常（cháng）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，在界麵設計上，結合動畫圖形技術，力求界麵友好、操作方便。試驗箱（xiāng）軟（ruǎn）件的具體功能如（rú）下：
    （1）任意設定（dìng）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）實時顯示溫度數據曲線，具（jù）有縮放功能（néng）；
    （4）試驗過程中（zhōng）各種故（gù）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製係統運行可靠、操作方便、功能強（qiáng）大，投放市場後深受用戶好評。與傳統的儀表（biǎo）控製方式相比，控製（zhì）係統具有界麵友好、使用靈活方便、數據管理功能強等優（yōu）點（diǎn）。尤其是（shì）上位PC機（jī）的（de）強大（dà）圖形顯示效果更是儀（yí）表控製所無法比擬的。該試驗箱的控製原理同樣（yàng）適合其它種類的環境試驗設備，具有一定的推廣價值。