两箱卧式平移温度冲击试验箱控制系统设计

2017-02-06马学焕张宗峰陈根重

环境技术 2017年6期

赵帅，马学焕，孙刚，邱彪，王昆，张宗峰，陈根重

（中国电子科技集团第十六研究所安徽亿瑞深冷能源科技有限公司，合肥 230043）

引言

温度冲击试验箱是一种为测试产品提供极高温和极低温环境并在短时间内进行冷热冲击的环境试验设备，主要用于电子、通讯、材料、仪器仪表、科研等领域的产品进行安全可靠性试验和产品筛选试验，以测试产品因热胀冷缩而产生的结构和形态变化或物理损伤，是进行技术开发、生产和质量控制等科研生产的理想环境试验设备。

根据样品在试验过程中的状态不同，温度,冲击试验箱分为静态温度冲击箱（样品静止不动）和动态温度冲击箱（样品随样品篮移动），根据样品篮的移动方式不同，动态温度冲击箱又可分为立式升降和卧式平移两种类型，动态立式升降冲击箱主要用于小载荷（如IC模块）的试验，卧式平移冲击箱主要用于大负载样品的温度冲击试验。本文所论述的为两箱卧式平移温度冲击箱，其主要性能指标如下：

1）样品篮内容积：500 L

2）极限温度范围：-75～+200 ℃

3）温度冲击范围：-65～+150 ℃

4）温度转换时间：≤ 10 s

5）温度恢复时间：≤ 5 min（40 kg铝锭）

6）温度偏差：≤ ±2.0 ℃

7）温度波动度：≤ 1 ℃

1 设备简介

该温度冲击试验箱主要由高温室、低温室、加热系统、复叠制冷系统、水循环冷却系统、样品篮传动系统及控制系统等组成，其具体结构如图1所示。冲击箱两个工作室分别为高温室和低温室，在做由高温向低温冲击试验时，样品篮首先处在高温室按设定温度进行高温试验，此时低温室处于预冷工作状态，当运行到设定冲击时间时，传动机构将会带动样品篮由高温室向低温室移动，移动到低温室以后，样品在低温室按设定温度进行低温试验，此时高温室处于预热工作状态，在做由低温向高温冲击试验时，过程与上述相反。

该试验箱主要控制要求有：

1）为满足试验箱预冷温度-75 ℃和温度恢复时间≤5 min的工作要求，制冷系统采用二元复叠制冷循环的制冷方式，在两台压缩机的启动顺序以及众多制冷阀和旁通阀的控制方面提出了一定的要求，尤其是在温度冲击过程中对冷量的调节控制将直接影响控温的精度。

2）高温室和低温室均装有大功率加热器，在温度冲击过程中，需要解决快速升温和精确控温的矛盾问题，对加热器的控制提出了较高的要求，此外，低温室加热器还需具有除霜功能。

3）样品篮传动系统采用传动效率较高的链传动方式，在温度冲击时，对传动电机的控制和样品篮移动的准确定位提出了严格要求，样品篮定位的准确性将直接影响低温室和高温室的密封，进而影响升降温速度和控温精度。

图1 两箱卧式平移温度冲击试验箱结构示意图

4）为了保证温度冲击试验箱的运行安全，控制系统设置了大量的报警保护信息，如箱门开关、水压报警、过热保护、压缩机过载保护等，对控制系统的报警信号处理提出了可靠性要求。

2 硬件系统设计

温度冲击试验箱控制系统硬件主要由日本优易控UMC1300系列温度冲击程序控制器、S7-SMART PLC控制器、开关按键、温度传感器、低压电器及被控元器件等构成。硬件结构框图如图2所示。PLC控制器通过接收来自水压开关、过载报警以及温度控制器的温度范围报警等输入信号，经过PLC内部逻辑运算处理后，通过输出模块控制制冷压缩机、电加热器、移动电机等控制对象。

2.1 PLC选型及I/O点地址分配

根据两箱卧式平移温度冲击试验箱的控制要求，共计38个数字量输入信号，输出点数有28个，PLC具体的的I/O输入输出点地址分配如表1、表2所示。

根据I/O点的个数，控制器最终选择了西门子S7-200 SMART系列的ST60 CPU及32点数的数字量扩展模块。温控器选用日本优易控UMC1300系列高低温冲击控制器，其具有温度显示、逻辑运算控制、试验数据的存储、曲线查询以及故障提醒等功能，是温度冲击试验箱的PID控制核心。

图2 硬件系统组成框图

表1 PLC输入点地址分配表

2.2 电气原理图设计

温度冲击箱试验箱控制系统电气原理图包括强电供电部分和弱电控制电路两部分，强电供电采用三相五线制，依据弱电控制强电的原则，控制电路主要是通过PLC 24 V电压输出控制中间继电器线圈，继电器触点控制接触器，从而实现对制冷压缩机、加热器、循环风机等控制对象的启停控制及传动电机正反转互锁控制以及PLC输入输出的外部链接控制电路。由于制冷系统的低温级压缩机必须在高温级压缩机开启以后，通过一定的延时才能启动，两级制冷压机的接触器在电路连接上做了互锁，从而保证了系统的安全运行。

冲击箱在控温工作时，温控器会根据箱体内实际温度的上下波动通过PID运算控制加热器的频繁启停来控制热量的输出来，保证控温精度。在硬件设计时选择了美国快达三相固态继电器，通过PLC以及温度冲击控制器的输出来共同控制固态继电器的控制元件，从而解决了大功率加热器的频繁的启停问题。

3 软件系统设计

温度冲击试验箱控制系统软件程序结构框图如图4所示。

表2 PLC输出点地址分配表

图3 部分电气控制原理图

3.1 PLC软件程序设计

PLC程序是使用西门子梯形图语言进行编写，采用程序模块化控制思想，由主程序和若干子程序组成，PLC子程序有样品篮平移、加热运行、制冷运行、报警指示和辅助功能等。设备在调试的过程中，尤其是移动样品篮安装调试时，采用手动控制。根据温度冲击箱的控制要求，PLC控制器会根据设定好的温度冲击试验工艺程序来实现对移动电机、电磁阀、制冷压缩机、加热器等控制对象的顺序启停控制。

图4 控制系统软件结构框图

为保证温度冲击试验箱的安全运行，该控制系统设置了大量的报警信号，设备开机前，系统程序会对箱门开关信号、样品篮移动到位信号以及水流量开关信号等进行自动检测，以判断是否具备开机条件；当在设备运行中出现压缩机过热保护、高压报警、过热保护、电机过载保护等报警信息时，控制系统会自动停机。报警信息同时会输入高低温程序控制器，并通过自带触摸屏实时显示报警信息，提醒用户及时解除报警。

3.2 温度控制器软件设计

温控器软件设计主要通过触摸屏对其控制器系统内部的主要参数进行设置，并进行相应的逻辑编程设计，包括DHF/DLF温度偏差报警设置、IS温度范围设置、EVT设置、DO设置以及PID参数设置等。触摸屏监测界面如图5所示。

3.3 温度冷热冲击的实现

两箱卧式平移温度冲击试验箱温度冲击试验具体过程以85 ℃高温与-55 ℃低温循环冲击举例介绍。

开机前，首先通过温控器的触摸屏界面设置编辑试验工艺如表3所示。开机时，盛放样品的样品篮会根据所处位置自动判断移动方向，在向高温室移动到位后，样品篮的两个侧壁将冲击箱内部分成两个独立密闭的空间，样品篮所在的高温室将启动加热器进行85 ℃高温控温试验，而此时低温室将启动制冷机组进行-70 ℃预冷控温试验。当高温室运行时间到达设定的60 min时，PLC将接收到温控器发出的高温试验结束信号，系统将控制移动电机带动样品篮由高温室向低温室快速移动，在移动的过程中，低温室和高温室将会进行短暂的冷热空气对流，同时样品篮中的样品负载也会将高温室中的热量带入低温室，低温室内的温度在短时间内快速升高，在10S温度转换时间内，样品篮会快速移动到位。

当低温试验运行时间到达45 min时，PLC将接收到低温试验结束信号，系统将控制样品篮由低温室向高温室快速移动，同样，在移动过程中，高温室内温度会由于大量的冷量进入而升高，当样品篮快速移动到位后，系统将全功率启动高温室加热器快速升温，在五分钟内温度恢复到85 ℃高温，此时低温室将进行-70 ℃预冷控温试验。至此，低温冲击高温试验结束。当循环次数完成时，整个温度冲击循环实验结束。

该系统低温室还具有自动除霜功能，在冲击试验结束后，可通过触摸屏设置除霜温度和运行时间，使低温室进行除霜工作，减少低温室结霜现象的发生，有利于保护制冷机组。