分流法湿度发生器PLC控制系统的研制

蔡晨，张学范，孙文慧，崔剑，辛宗伟，荀其宁，刘运峰

（1.中国兵器工业集团第五三研究所，济南 250031； 2.南京理工大学，南京 210094）

分流法湿度发生器PLC控制系统的研制

蔡晨1，张学范1，孙文慧2，崔剑1，辛宗伟1，荀其宁1，刘运峰1

（1.中国兵器工业集团第五三研究所，济南 250031； 2.南京理工大学，南京 210094）

采用可编程逻辑控制器（PLC）研制分流法湿度发生器的控制系统，提高了分流法湿度发生器在低湿度范围发生湿气的准确度。利用精密露点仪获得准确的露点值，并反馈控制分流法湿度发生器的各项控制参数，通过二次调节，湿度发生器可以输出湿度值更加准确的气体，发生湿气的露点最大允许误差为±0.5℃，重复性为0.15%（n=6），露点输出范围为-70～-10℃。该控制系统拓宽了分流法湿度发生器的应用范围，提高了湿度计量的工作效率。

编程逻辑控制器件；分流；湿度；发生器；控制

在武器装备的科研、生产和使用过程中，湿度是一个重要的计测参数，火炸药、军用电子器件及武器装备的储存和生产制造过程中均需要对湿度进行准确测量。湿度过高会导致武器装备受潮，影响其性能和使用寿命；而湿度过低又易引起静电感应，引发安全事故。此外，湿度也是电力、石化等行业生产过程中的重要监控指标。作为检定校准湿度测量仪器的气源，湿度发生器在湿度计量中发挥着重要的作用。

常用的湿度发生器的工作原理主要有双温法、双压法、渗透法和分流法等。双温法和双压法常被用作标准湿度发生器的制作原理，根据这两种原理制作的湿度发生器准确度非常高，但体积与重量较大，且量值变化缓慢。渗透法湿度发生器内渗透管材料老化和管内纯水容量变化易导致渗透管的渗透率产生漂移，在改变湿度值时，渗透管湿度发生器所需的平衡时间较长。

分流法湿度发生器的主要优点是调节方便，量程宽，响应时间短，但与双温法湿度发生器和双压法湿度发生器相比量值不够精确［1-6］。笔者采用编程逻辑控制器件（PLC）技术［7］研制了分流法湿度发生器的控制系统，该系统具有准确度高、使用方便的特点。通过引入反馈控制环节，将分流法湿度发生器与精密露点仪连接，所发生湿气的露点由精密露点仪准确测量并反馈给控制湿度发生器，进行二次修正，使得设定湿度与发生湿度的差值缩小到设定误差范围内，提高了分流法湿度发生器的准确度。在设置完成湿度发生参数后控制系统自动运行，实时采集露点测量数据并显示在触摸屏上，在达到目标参数后持续发生相应湿度的气体，并根据环境变化实时调整输出，保持气流湿度的稳定。此外，可以随时切换湿气参数，也可以手动设置需要实现的各种参数。

1 分流法湿度发生器原理及结构

分流法湿度发生器的原理是将一股干气按照不同流量比例分为两股气体，其中一股经饱和器增

联系人：蔡晨；E-mail： caichenyihao@163.com

图1 湿度发生器原理图

气源输出的干气分为三股，第一股干气经质量流量控制器1调节流量后进入饱和器，增湿后形成饱和湿气，然后与通过质量流量控制器2调节流量的第二股干气进行混合，实现第一级稀释。两股气体在混合室1内充分混合后，一部分通过调节阀放空，另一部分利用质量流量控制器4控制流量，再与通过质量流量控制器3调节流量的干气进行混合，实现第二级稀释，得到所需要的湿气［10-14］。

分流法湿度发生器发生不同湿度的气体，同时输送到标准湿度计（一般为精密露点仪）和被检湿度仪器，由精密露点仪给出准确的湿度测量值，通过比较被检湿度仪器的示值，完成湿度校准工作［15-16］。分流法湿度发生器在计量工作中通常使用方法如图2所示。

图2 分流法湿度发生器的应用示意图

2 系统设计

PLC通过RS-232C串口连接触摸屏、温度测量控制模块，通过RS-485总线连接质量流量控制器，通过RS-232C串口连接精密露点仪［10-12］。

PLC控制系统采用信捷XC系列PLC，XC系列具有种类丰富、功能强大的基本单元和扩展单元，具备多通讯口，支持多种通讯协议。PLC可以采用C语言来编写功能块，节省内部空间，提高工作效率。图3为PLC控制系统框图。

图3 PLC控制系统框图

触摸屏作为人机交互界面，将操作者发出的指令通过串口传送给PLC控制系统。PLC经过运算，对处于允许范围内的命令进行响应并发生动作，控制气体的流量、温度等参数，并实时将采集信息返回显示在触摸屏上。质量流量控制器用于控制气流流量大小，PLC将数值经过一系列转换后写入质量流量控制器中，调节气体流量大小，并可实时获取流量值，从而控制气流湿度。精密露点仪是测量露点的标准设备，PLC通过RS-232串口获取精密露点仪的测量结果，作为反馈数据，进一步调节各气路的流量，从而发生预先设定露点的湿气。为了避免环境温度变化对饱和器的影响，将加热电阻丝包裹在饱和器外层，利用PLC调节加热电阻丝两端的电压，通过铂电阻温度计实时测温反馈，从而保持饱和器的温度稳定。电磁阀由PLC的输出端控制开关，根据不同的湿度范围控制开启或截止气体通路。

3 程序设计

3.1 总体流程

PLC程序的流程图如图4所示。PLC上电后进入数据初始化阶段，所有寄存器均赋值为零，常开触点断开，常闭触点为闭合状态。PLC随后开始循环扫描，将质量流量控制器与铂电阻温度计的数值返回，显示在触摸屏上。

一旦按下按键设定露点、流量、允许误差和确认键，PLC便开始进行数据处理。若可以发生设定值（各流量值均没有超出质量流量控制器范围），则PLC将各个支路的流量数值发送到质量流量控制器中，并开启相应控制阀，以发生设定露点的湿气，并将设定值处的指示灯开启，关闭先前发生露点的指示灯；若无法发生设定值，则仍保持当前值持续发生，指示灯保持不变。流量、露点值、允许误差均可以单独调节，互不关联。

在允许误差的设定方面，触摸屏有0.1℃，0.2℃，0.3℃，0.5℃，1℃，2℃，N 7个选项。N表示不采用精密露点仪进行反馈的工作方式，直接按照设定值发生相应露点的湿气，其它数字为露点值的最大允许误差。在设置参数之后按下确认键，PLC经过运算计算出各个质量流量控制器的流量大小，并控制湿气输出，实时监测精密露点仪的湿度测量值，调整干湿气流分配比例，直到湿度设定值与湿度实际值在最大允许误差范围之内。若想调节露点、流量或误差，则直接按下按键调节即可。

图4 系统软件流程图

3.2 设计方法

3.2.1 引入经验值

由于受干气纯度的限制和温度扰动影响，直接使用露点值计算干湿气流配比会产生一定的偏差，在没有反馈的情况下，系统最终发生湿气的露点值与设定露点值往往不同。系统发生湿气的调整时间非常短，但是反馈环节浪费了大量时间。通过多次试验获取经验值，采取写入经验值的方式覆盖掉理论值，直接发生多次测量得到的可靠值，既可缩短发生时间，又可减小误差。

3.2.2 露点发生的切换

在设定发生露点与流量后，由PLC根据经验值和公式计算出各个质量流量控制器的分配流量。如果计算值超出质量流量控制器的量程，则无法满足设置条件，故在设定露点时有限制：若计算发现某一路流量超出质量流量控制器最大流量限制，则应该撤销该参数，转而继续发生前一次设置的参数，要求控制质量流量控制器的流量分配命令不变。由于每次露点设定时指示灯随之变化，为了防止标志露点和流量的指示灯因为刷新数据发生变化而无法回到原始位置，系统记录至少两次设定值，并循环覆盖，以便恢复到原始设定数据时的指示灯且节省存储空间。

3.2.3 质量流量控制器的流量控制

选用某公司的质量流量控制器，采取RS-485总线的自由格式通讯方式。自由格式通讯是由每个应用模块自由定义通讯协议，这种方法简单且有针对性。PLC发送一串数字码到质量流量控制器中，既可获取相应的流量值，又可以发送流量值对应的数字码来控制通过质量流量控制器的流量，从质量流量控制器中获取的数字码需要进行数据处理计算得到相应的当前流量值。

3.2.4 标准露点的读取

将控制系统读取精密露点仪测得的露点值作为反馈值传送给PLC。精密露点仪是应用最广泛的湿度标准测量仪器，可以在很宽的湿度范围内，精确而稳定地测量气体湿度。绝大多数精密露点仪都配有RS-232C串行接口，根据精密露点仪的通讯协议，PLC发送命令字符，精密露点仪就可以将当前露点值返回PLC控制系统。

3.2.5 反馈控制方案

精密露点仪在露点值恒定之后会发出一个稳定信号，程序在每轮循环中检测此稳定信号。当稳定信号出现时开始计时，在固定的时间周期内计算露点值极差（最大值与最小值差值的绝对值），若极差较大，则认为尚未达到稳定。继续进入下一个记录周期，直到极差小于设定值，则认为已经达到稳定，随后计算需要调整的各质量流量控制器流量分量。若没有超过流量限制，则写入各个质量流量控制器中，等待下次平衡并重复上述步骤，直到偏差小于设定值。

3.2.6 触摸屏界面

根据设计路线触摸屏清楚地显示各个质量流量控制器的流量及各处参数，设置误差、露点和流量均采用按键表示，可以直接发生相应的湿气。此外，每个质量流量控制器和湿度控制均可以独立手动调节，方便用户设定各种参数。

4 实验结果及数据分析

分流法湿度发生器安装调试完毕后，与某冷镜式露点仪进行比对（该露点仪属于一级湿度计量标准器具）。通过写入经验值对分流法湿度发生器进行准确度试验，并设置无反馈模式，调节流量阀到合适流量，记录各露点数据如表1所示。

表1 无反馈试验数据

其它条件不变，设置反馈模式误差为±0.5℃，记录各露点数据如表2所示。

表2 有反馈试验数据

对比表1和表2，写入经验值的方式可以使发生湿气的露点在较短时间内达到露点预先设定值，且稳定时间基本取决于冷镜式露点仪的测量时间，并维持稳定输出。反馈模式可将所发生的露点值修正到设定误差范围内，经过反馈的湿度发生器可将最大允许误差控制在±0.5℃范围内。

设置分流法湿度发生器发生固定露点的湿气（如-50℃），稳定后记录露点值，重复测量6次，计算测定结果的相对标准偏差，作为分流法湿度发生器的精密度，结果见表3。

表3 分流法湿度发生器发生湿气露点的重复性试验结果

5 结语

采用PLC控制系统的分流法湿度发生器，界面友好，自动化程度高，维护使用方便。该湿度发生器能够连接各种配有串行接口的精密露点仪，通过闭环控制，快速、准确地输出不同湿度的气体，显著提高了湿度计量人员的工作效率。

［1］ 李英干，范金鹏.湿度测量［M］.北京：气象出版社，1990.

［2］ 国防科工委科技与质量司.化学计量［M］ .北京：原子能出版社，2002.

［3］ 沙奕卓，付锡桂，赵旭，等.双压法湿度发生器与分流法湿度发生器的差异分析［J］.气象水文海洋仪器，2009（1）： 48-51.

［4］ 王劲松.高精度便携式湿度发生器的研制［J］.仪表技术与传感器，1995（5）： 25-26.

［5］ 张文东.湿度计量技术的发展［J］.上海计量测试，2011（1）： 2-6.

［6］ 姜波，周庆福，陈祥光，等，分流式标准湿度发生器的研制［J］.北京理工大学学报，2003，23（5）： 662-664.

［7］ 张德民，刘洪锦，于航.高温高湿试验箱加湿器PLC控制系统设计［J］.天津理工大学学报，2012，28（3）： 41-45.

［8］ 崔剑，张学范，辛宗伟，等.一种多路外渗式湿度发生器的研制［J］.计测技术，2006，26（增刊）： 77-80.

［9］ 张学范，栾贻国，崔剑，等.分流式湿度发生器温度控制系统的设计［J］.化学分析计量，2002，11（6）： 42-43.

［10］ Mamontov G. Mendeleyev institue for metrology （VNIIM）. extension of the frost-point temperature range of the standard humidity generator down to -120℃［C］// Proceedings of 4th ISHM 2002， Taipei： ITRI，2002： 17-24.

［11］ 巩娟，何萌，吕国义. Swsy-F分流法湿度发生器的研制［J］.计测技术，2010，30（增刊）： 47-49.

［12］ 李占元，易洪，任长青.分流式湿度发生器的设计原理［J］.现代计量测试，2001（5）： 27-29.

［13］ 曹永锋.分流法湿度发生器在使用时的注意事项［J］.计量与测试技术，2011，38（4）： 18-21.

［14］ 张学范，崔剑，辛宗伟，等.一体化湿度校准装置的研制［J］.化学分析计量，2016，25（1）： 95-98.

［15］ JJF（军工） 42-2013 分流式湿度发生器校准规范［S］.

［16］ JJG 499-2004 精密露点仪检定规程［S］.

我国投入7.4亿建中药标准

由国家中医药管理局组织、全国上百家中药企业参与、权威中药相关科研院所支持的中药标准化项目在京启动。国家发改委将对该项目投入经费7.37亿元。根据项目规划，我国60种大品种中成药和100种临床常用中药饮片有望于2018年实现全程质控。这一项目的启动，标志着我国中药系列标准开始全面提升、完善。

据国家中医药管理局相关负责人介绍，近年来，我国中医药需求旺盛，但相关中药质量不但没有因此水涨船高，反而滑坡严重，亟需统一、科学、高质量的国家标准进行规范。

同时，现行中药质量标准一般是参照西药质量标准确定，这种通过个别有效成分判定质量状况的标准，对中药质控效果不佳，亟待建立符合中药自身特点的质量标准体系。尤其是在当前国际市场对中药需求持续升温的大背景下，提升并完善中药质量标准，有利于国产中药更好地参与国际竞争、获得更大发展。

（中国分析计量网）

Development of PLC Control System for the Divided Flow Humidity Generator

Cai Chen1， Zhang Xuefan1， Sun Wenhui2， Cui Jian1， Xin Zongwei1， Xun Qining1， Liu Yunfeng1
（1. CNGC Institute 53， Jinan 250031， China； 2. Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China）

Programmable Logic Controller （PLC） was adopted to develop the control system of humidity generator，which provided different humidity of gas automatically， and improved the accuracy in low frost point region. Precision dew-point hygrometers fed back precise dew-point value to control the parameters of humidity generator control system，humidity generator output more accurately. The maximum allowable misalignment was ±0.5℃， and the repeatability was 0.15%（n=6）. The output range was from -70℃ to 10℃. This system widen the application range， and improve the measurement efficiency.

PLC； divided flow； humidity； generator； control

O657.91

A

1008-6145（2016）05-0112-04

10.3969/j.issn.1008-6145.2016.05.029

2016-06-27湿后与另一股干燥气体混合，从而得到不同湿度的气体。分流法湿度发生器的准确度依赖于气源干燥程度、流量、温度等，由于影响因素较多，准确度一般不高［8］。分流法湿度发生器主要由气源、饱和器、混合室、温度控制系统［9］及流量控制系统等组成，其原理如图1所示。