周浸腐蚀试验箱智能控制系统

陈国年，周红军，李 晓，方康玲

（武汉科技大学冶金自动化与检测技术教育部工程研究中心，湖北 武汉 430081）

周浸腐蚀试验箱智能控制系统

陈国年，周红军，李 晓，方康玲

（武汉科技大学冶金自动化与检测技术教育部工程研究中心，湖北 武汉 430081）

针对周浸腐蚀试验箱工作环境复杂，温度和湿度难于控制等问题。设计一种用于在实验过程中自动调节温湿度的周浸腐蚀试验箱智能控制系统，该系统包括温度专家控制器和湿度模糊控制器。由于试验箱封闭，温度的变化会影响湿度，所以系统中还采用解耦控制策略。实际运行结果表明该系统工作可靠，且温湿度控制精度高。

周浸腐蚀试验箱；智能控制；PLC控制系统

0 引 言

大气腐蚀是存在最普遍的钢材腐蚀类型。大气腐蚀与空气的温度、湿度、日照时间、降雨量、降尘量、干湿交替的频率等诸多因素有关。自然环境下的暴露实验是研究大气腐蚀最常用的方法，它能真实反映所在地点的腐蚀状况，以此计算出材料的耐腐蚀寿命，但实验周期往往很长。在实验室对钢材进行浸渍干燥湿润复合循环试验[1]，是一种短期加速腐蚀的有效方法，可以模拟大气腐蚀过程，近似推测户外长期暴露试验结果，进而预测钢材的耐大气腐蚀寿命。

周浸腐蚀试验箱是钢材加速腐蚀试验的主体设备，可用于耐火、耐候钢，高强度耐候桥梁钢，耐腐蚀重轨钢等钢种的研发工作。箱体温度和湿度是保证腐蚀实验效果的重要参数。根据工艺特点，要求试验箱的温度在40～50℃内可调控，控制精度达到±1℃；相对湿度在60%～80%内可调控，控制准确度为±2%RH。由于箱体密闭良好，箱体内温度和湿度控制难度大，一旦出现超调，无论正负，均很难调节到期望值。显然，这是一个工作环境恶劣、具有诸多不确定因素，而控制品质要求高的被控对象。目前一般采用PID控制策略，无法满足周浸循环腐蚀试验箱温湿度的控制要求[2]。

针对以上问题，本文设计了一种周浸腐蚀试验箱温湿度智能控制系统，该系统采用PLC为控制装置，形成工作可靠、通信能力强且自动化程度高的硬件平台。

1 控制系统组成

1.1 工艺过程

周浸腐蚀试验箱内安装有轮轴、红外加热灯、冷风机和脉冲型加湿器，其结构如图1所示。

图1 周浸腐蚀试验箱结构示意图

钢件试样在轮轴上安装好后，轮轴以低速转动，安装在试验箱内的红外加热灯和冷风机用于控制箱体温度，脉冲型加湿器用于调节箱体内湿度。钢件依次在5%的氯化钠溶液中浸泡，要求箱体内温度和湿度达到平衡稳定，从而加速腐蚀，达到检验钢件的目的。

箱体红外加热灯加热空气，用热空气控制箱体的温度，利用制冷设备抑制过高温度，实现温度可调控。箱体内安装有雾化器给空气加湿，雾化加湿器为脉冲加湿方式，故称之为脉冲型加湿器。另外，在箱体内安装有电扇，促进箱体内空气自循环，保证箱体内空气的温湿度均匀。

1.2 控制系统硬件结构

为提高温度控制性能和可靠性，本文构建了一个基于PLC的控制系统，由工业PC和SIMITIC的S7-300PLC组成。S7-300系统包括电源模块、CPU模块、数字量I/O模块、模拟量I/O模块和以太网通信模块，图2为PLC系统的硬件配置。

模拟量输入（I）模块完成温湿度实时信号采集，模拟量输出（O）模块完成对轮轴、红外加热灯、冷风机和脉冲型加湿器的调节。PLC所采集和输出的信号通过以太网通信模块传送到上位机，通过操作员站的HMI系统检测整个系统的工作状况。图3为操作员站上显示的工艺流程。

图2 系统硬件配置图

2 温湿度智能控制系统

2.1 控制思路

本系统的主要控制目标是温度和湿度达到期望的精度，试样表面温度的测量值以及相对湿度传感器的测量值分别为温度和湿度的反馈量。根据工艺特点，常规的PID控制策略无法满足周浸循环腐蚀试验箱湿度的控制要求，模糊控制是解决这类问题的有效方法[3]。本系统设计了一个温度专家控制器和一个湿度模糊控制器，由于温度的变化对湿度有影响，所以系统中采用了解耦控制[4-5]。图4为周浸腐蚀试验箱智能系统控制流程图。

2.2 温度专家控制器

温度是一个大滞后、大惯性的变量，试验箱内空气温度调节的关键是控制热风、冷风和灯照对于温度的影响。由于难以建立精确的数学模型，采用常规PID方法无法有效地控制试验箱的温度[6]，本文设计了一个简易的温度专家控制器，表1为温度专家控制器知识库[7-8]。图5是采用2种控制方法的实时运行效果曲线，从图中可以看出采用专家控制方法明显优于普通PID控制方法。

图4 系统控制流程图

表1 温度专家控制器的简易知识库

2.3 湿度模糊控制器

图6为湿度模糊控制系统结构图，由于试验箱的工况中存在诸多不确定因素，本文所设计系统采用模糊控制器[9]。另外，该模糊控制器实现湿度调节，同时完成与温度的解耦控制[10]。

图5 两种控制方法的实时运行效果

图6 湿度模糊控制系统

令湿度设定值为H，箱体空气实际湿度为H1。

湿度模糊控制器为二维结构，采用带修正因子的算法，表述如下：

式中：e——湿度偏差值，e=H-H1；

ec——湿度偏差的变化率，

α值的设定与温度相关，以达到解耦的目的，即

1）湿度与冷风机工作状态的解耦设定

周浸腐蚀试验箱内的冷风状况会影响湿度，当冷风增加时，箱内湿度会减少。因此，本系统的湿度模糊控制器中，采用两种α值：

其中，当冷风机开时，α=α1；当冷风机关时，α=α2；且α＞α1，0＜α1，α2＜1。

2）湿度与温度设定值的解耦设定

周浸腐蚀试验箱内的温度状况也会影响湿度，温度增加时，箱内湿度会降低。因此，本文在α值中引入一个增量，以达到解耦的目的。即：

其中Δα=f（T)；T为试验箱内温度设定值。

式中n（Ti)（i=1，2，…，k，)为温度设定值Ti所对应的Δα，由实验确定。

3 实际应用效果

本系统已经用于实际桥梁钢腐蚀试验中，运行近半年来，工作可靠，控制准确度高。

1）试验箱温度在40～50℃范围内可调，试样表面温度在65～75℃可控可调，控制准确度±1℃。

2）试验箱相对湿度在60%～80%范围内可调，控制准确度≤2%RH。

3）主轴转速在0.5～2r/h之间可控可调。

图7（a）和图7（b）分别为设定温度45℃相对湿度70%以及设定温度50℃相对湿度70%情况下的实时运行曲线。

4 结束语

周浸腐蚀试验箱工作环境恶劣、存在诸多不确定因素的影响，故其温湿度难于控制。

本文所设计的由温度专家控制器和湿度模糊控制器组成的智能控制系统解决了这些难题。实际运行取得了良好的效果。

Intelligent control system of immersion cyclic corrosion test chamber

CHEN Guonian，ZHOU Hongjun，LI Xiao，FANG Kangling
（Metallurgical Automation and Detection Technology Engineering Research Center of Ministry of Education，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China）

Immersion cyclic corrosion test chamber（ICCTC）is an apparatus.Because working environment of ICCTC is complex，it is difficult to control the temperature and humidity.An intelligent control system of ICCTC was designed to adjust temperature and humidity of the chamber during the test.An expert controller was designed to regulate temperature，and a fuzzy controller was designed to regulate the humidity in the chamber.Since the chamber was closed，the temperature change would affect the humidity，so the system also used a decoupling control strategy.The practical application results show that the system is reliable and the control accuracy is high.

immersion cycle corrosion test chamber；intelligent control；PLC control system

A

：1674-5124（2015）10-0073-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.10.016

2015-01-12；

：2015-03-09

陈国年（1962-)，男，湖北武汉市人，教授级高级工程师，研究方向为计算机控制。