PLC技术在强制循环式热空气老化试验机中的应用

惠州出入境检验检疫局 郭 珩

高铁检测仪器东莞有限公司 桂春雷

惠州出入境检验检疫局 李 芹

1.引言

强制通风热空气老化试验机是材料老化性能测试必不可少的设备。UL817和UL746B明确提出，高分子材料及相关制品进行人工老化测试需要使用强制循环式热空气老化试验设备。ASTM D5374和ASTM D5423对这类仪器的实验方法和参数设定进行了约定，提出以消耗电能法来计算老化箱中的换气速率。

目前市场上大量生产的热空气老化试验机，大都采用传统的瓦时计，通过手工计算换气率来调节换气阀，无法迅速准确地达到标准所要求的换气速率，尤其是在环境温度、实验温度及换气量等因素同时发生变化时，手动调节方式带来更大的试验误差。由于操作复杂，还会导致很多人为操作误差。例如很多用户在试验中，往往不考虑环境温度，随意调节气门开启的大小，造成换气次数的不确定，使材料热空气老化试验数据失去研究价值。

可编程控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)目前已广泛应用于工业装备的各个领域。采用PLC设计强制通风的热空气老化自控系统，可实现对整个换气老化试验箱系统的参数设定、指令控制和工作监测等功能。本研究以PLC为基础，通过试验箱环境参数的数据分析，应用多种现代工业控制新技术，设计出全自动强制通风的热空气老化试验机，有效的解决了传统强制通风热老化试验机的换气设定效率低的问题。

2.老化试验机换气次数的计算方法

根据ASTM D5374和ASTM D5423，在强制循环式热空气老化试验中，老化试验箱换气次数的计算可以参考如下公式：

式中：N=每小时的换气次数

P1=全闭合功率，即在无通风情况下，读取测定的试验箱风机能量消耗除以测试的时间(小时)所得的值。单位为瓦特W

P2=通风期间的平均电力消耗，以相同的方式计算而来，单位为瓦特W

V=老化机中循环空气的总容积，单位为m3

ρ=测试期间周围室内空气的密度，单位为kg/m3

T=老化机内部温度和环境室温之间的温差，单位.为℃

通过电热式换气率计算公式，为了在实验设定中实现“当前换气次数”的即时显示，需要使用PLC技术解决以下三个参数。

2.1 老化试验机全闭合功率校正曲线的建立

老化试验箱达到不同测量温度点所需的全闭功率差异是非常大的。传统的换气老化试验机，必须在每次测试前，根据环境的变化反复确认全闭消耗功率。而测试一次全闭消耗功率需要至少30分钟，效率极低。因此，本文采用PLC的运算功能，通过对老化试验箱的设定温度和全闭功率的实测和校正，运用非线性回归分析，获得老化试验箱全闭功率函数方程。由图1可见，不同测试温度下，老化试验箱的全闭功率数据与实际测试的数据之间有较好的重合性。

“全闭功率—温度”函数方程的建立，为老化试验箱“当前换气次数”的自动计算，奠定基础。

图1 不同测试温度条件下，老化机全闭功率的测量值和拟合值的线性关系图

2.2 测试期间老化试验箱周围室内空气密度的确定

不同环境温度下，箱体的空气密度不同。由于式1与测试期间周围室内空气的密度有关，本文将不同温度条件下的空气密度，通过“空气密度—温度”函数方程进行表征，解决了不同温度下，由于空气密度不同而导致“当前换气次数”自动计算困难的问题。

2.3 测试期间环境温度的变化

传统老化机只能在测试前，根据当时的环境温度，进行换气次数的计算。但是，一次换气热老化实验时间至少6小时以上。在如此长的测试时间中，环境温度的变化是不可避免的，为了消除此项所产生的不确定性。全自动可编程换气老化试验机控制系统，外接了一路温度传感器，对环境温度进行了即时监测。

3.全自动可编程换气老化试验机工作流程图

在上述参数确定方案基础上，根据式1，编写老化试验机工作流程图，见图2。

图2 全自动可编程换气老化试验机工作流程图

4.全自动强制循环式热空气老化机控制结构

如图3控制结构框图所示，操作者可通过工业触摸屏（HMI）或PC，设定实验需要的温度和换气次数。此时，PLC根据事先通过拟合的内置的数学模型，控制伺服到预定位置。

图3 全自动强制通风的热空气老化机控制结构框图

PLC接收到箱体内的温度传感器的数据，首先运用PID技术调节SCR，进行温度的运算和控制；由于经过SCR器件控制后的电力波形和标准正弦波之间存在太大的差异，为了计量准确，采用真有效值的电压和电流传感器，采集加热器端的电力数据，采用积分算法获得消耗的电热功率数据。然后，根据即时侦测的箱体外温度传感器的数据，计算当前换气率，并显示在HMI或PC上位机上，见图4。当箱体在设定温度达到热平衡时，PLC开始根据外部温度、空气流动速度的变化，运用比较算法采用位置控制模式，自动调节伺服。利用伺服驱动“进气流量调节机构”来达到控制箱体换气率的目的。

此外，由于采用PLC技术平台，可以根据需要编写相应程序，达到可以选择“定斜率升温控制模式”和“阶跃升温模式”进行预先设定多种温度的变温测试。同时，在上位机利用Siemens公司提供的PC Access作为OPC（OLE for Process Control）服务器，使用Visual Basic语言编写Siemens PLC的客户机PC控制程序，从而可以更轻松地获得远程控制和多台老化机系统集成控制功能和数据处理能力。

5.结论

本文以PLC技术为基础，结合各种传感器和伺服技术。成功设计出能够自动计算和控制换气率的“全自动强制循环式热空气老化试验机”，为老化检测仪器领域的应用提供了新的思路。实践证明，换气率控制稳定性较早期产品有明显提高，降低测试系统的不确定性。在操作性方面，比“普通强制通风的热空气老化试验机”更简洁高效。

[1]UL817 Cord Sets and Power-Supply Cords[S].

[2]UL746B Polymeric Materials-Long Term Property Evaluations[S].

[3]ASTM D5374-93 Standard Test Methods for Forced-Convection Laboratory Ovens for Evaluation of Electrical Insulation[S].

[4]ASTM D5423-93 Standard Specification for Forced-Convection Laboratory Ovens for Evaluation of Electrical Insulation[S].

[5]杨刚.热老化试验箱换气次数测定方法的探讨[J].计量与测试技术,1996(5):14-15.

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