高低温试验箱远程控制系统的设计及实现

2018-05-17刘西强刘锟龙赵向辉

电子设计工程 2018年9期

刘西强，刘锟龙，赵向辉

（1.陕西省电子信息产品监督检验院陕西西安710004；2.合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥230009；3.西安三智科技有限公司陕西西安710077）

高低温试验箱是广泛应用于材料、电子、通信等领域，对电器产品、材料及零部件进行交变或恒定高低温试验重要的可靠性试验设备，用来检验各类元器件、产品对不同温度环境的适应性，从而保证元器件、产品在不同恶劣温度环境使用中的可靠性、适应性和安全性，是检验、提升产品质量及可靠性的主要基础试验手段之一，高低温试验箱在科学研究及试验中起不可或缺的作用，但高低温试验箱的可靠运行是保证高低温试验的前提条件，在实际工作中，由于高低温试验持续时间长以及外部环境的影响，常常出现由于传感器、控制器、调节器、接触器等电气部分的损坏造成高低温试验箱运行过程中突然停止或失控。还常常出现由于压缩机、制冷部件接触不良、电磁阀控制、冷却系统不正常而引起的制冷工作异常。当试验过程中高低温试验箱出现故障时，如不能及时发现或关机轻则可能造成测试结果不正确，重则造成被测试样由于过热而损坏甚至发生火灾事故并威胁试验人员的人身安全，因此实现对高低温试验箱的可靠监控具有十分重要的现实意义。如果试验室拥有较多数量的高低温试验箱则需要更多的试验人员操作并监视设备的运行，造成了大量人力资源的浪费，因此对于拥有较多数量高低温试验箱的单位，对安全可靠地进行高低温试验提出了更高的要求：要求在无人职守的情况下，完成对高低温试验箱的实时状态监控、报警、故障隔离、历史记录查询等功能。近年来，随着网联网技术的迅猛发展，我们根据多年工作体会，设计了一套高低温试验箱远程集中监控系统，本系统利用WIFI技术实现10余台高低温试验箱的集中监控，为试验测试人员提供了实时、形象、动态的监控方法和手段，该系统如果成功，不仅是互联网+技术在环境实验设备的一次运用，同时提高了设备工作效率60%且减低人工成本30%以上。

1 高低温试验箱控制系统现状

1.1 国内外现状

现阶段，国内外高低温实验设备的控制方式基本分为两种：程序控制和定值控制，这两种控制方式都是安排专人对设备进行现场操作并对各种数据的记录与处理，不同的是采用的控制仪表和控制设计不一样，即所采用的控制系统不同。

定值控制是用设备进行单一温度的控制试验，开机后将仪表控制温度设定为试验要求的某一温度，到达要求温度后按照试验要求的时间计时，运行到达要求的时间后关机完成试验任务。定值控制属于单一性试验，一个试验结束后，如需再做其他定值试验，须重新设定试验温度值，不可能一次做不同温度组合试验是定值控制的特点。目前定值控制的高低温箱选配的温控仪表大多为普通的PID温控仪表，如：日本神港的JCD-33A、台仪的FU96等仪表，它们只有定值控制功能，一次只能做单一温度试验。

程序控制是指可以事先将很多组试验参数（温度目标值、运行时间）设在一个试验程序中，程序开始运转后，设备开始按程序设定的顺序和控制时间开始运转，不必中途更改试验设定值，即程序控制时，可以做很多不同温度的组合试验。另外同一程序内部程序间，可以设定跳段和循环，不同程序之间还可以设定程序链接。目前程序控制的高低温箱选配的程序温控仪表，如：日本ESPEC公司的计测装置P-300、韩国三元TEMI880、韩国韩荣TH500等仪表兼有定值控制与程序控制，两种功能可以互相切换。客户可以根据需要选择定值控制或程序控制。

1.2 目前高低温试验箱控制系统技术的缺陷及发展趋势

目前国内外高低温试验箱设备一般都带有温度设定和显示面板，但绝大多数高低温试验箱都是人工控制且每个高低温试验箱都是独立工作的，对于拥有较多高低温试验箱的单位不便于进行集中管理，随着单位高低温试验箱设备的增多，按照传统方式进行人工监控和分散维护，不仅浪费人力、物力，可靠性不佳，还不能满足高低温试验箱测试工作的需求。为了适应新形势新环境的要求，利用新技术进行高低温试验箱集中监控已经成为发展的必然趋势，有一些监控系统开始出现。在实际工作应用中，我们认为这些监控系统尽管比传统的控制器控制方式进步很大，但由于各种原因，还是存在设备通讯接口和软件常常无法很快兼容、需要通讯电缆线连接、容易造成信号衰竭以及人机分离不彻底等问题，这两年随着互联网尤其是WIFI技术的迅猛发展，如果通过工控机将设备控制的信号发出通过路由器接收到控制设备同时将设备实时运行的信号传回工控机，由工控机进行信息处理，形成人们需要的温度随时间变化的各种数据，准确清晰，易于分析、保存，将避免现有集中监控系统的一些缺陷，也将成为国家鼓励的互联网+的一次实际运用。这种设想目前尚未见实际应用。下面我们以国际著名品牌ESPEC高低温箱为例展开论述。

2 系统方案总体设计

通过查阅各种文献资料了解到，目前在己实现的高低温试验箱集中监控系统的应用上，己经广泛应用的都是通过互联网、有线网络实现远程集中监控或国外专业厂家针对自身厂家的多台仪器设备进行集中监控技术，结合ESPEC公司高低温试验箱的特点，本高低温试验箱集中监控系统由计算机、控制接口、报警装置、WIFI无线设备、局域网、HMI显控控制器、多台ESPEC公司生产的高低温试验箱及自研工业自动化组态软件等组成。系统显控控制器是画面组态和梯形图编程一体的HMI/PLC一体机，远程通信控制器专为工业4.0时代定制，打通数据传输节点，通过移动终端实现对高低温试验箱远程数据上下载、监控高低温试验箱状态、故障诊断、数据分析等，工业自动化组态画面编辑软件是一种用于快速构造和生产嵌入式计算机监控系统的组态软件。在汇集了多年组态软件开发与应用经验的基础上，采用目前先进的计算机软件技术，以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。

本系统组成采用深圳显控SamkoonSK触摸屏，以MODBUS协议为通信协议的PLC的“一屏多机”的连接方式。即一台触摸屏可以直接操作与之相连接的多台PLC的寄存器地址。在系统设置时需将触摸屏的通信口属性的“一般”选项中的“内设备服务项”选择为“ModbusRTU”“ModbusRTUMaster”，使触摸屏做为[主站]，PLC都做[从站]。触摸屏对寄存器地址的操作，即对支持MODBUS协议的PLC内相应的寄存器地址进行操作。因为支持MODBUS协议的PLC寄存器名称都能和MODBUS协议中的寄存器名称相对应。

一屏一机或一屏多机连接关系图见图1。

图1 显控一屏多机连接关系图

3 系统硬件设计

3.1 计算机及显控控制接口

考虑到恶劣的现场环境及高可靠性的要求，计算机采用商用机，显控采用SamkoonSK系列AK070AS，配备标准的RS-232（485）串行口COM1、COM2。要实现RS-485协议通信，控制接口采用RS232转RS485转换器的方法见图2。

本系统选用深圳显控AK070AS，内部安装4G电信物联卡，通过WIFI无线设备与当地任意计算机相连，UT-503转换器通过屏蔽线缆与1～N台高低温试验箱的RS485接口连接，一套UT-503转换器可带32台高低温试验箱，亦即最多可使32台高低温试验箱集中监测。WIFI设备以802.11协议为基础，使用2.4G频率为载体，传输无线数字信号。计算机控制WIFI设备工作，通过基于802.11协议自动组网，组网成功后充分利用显控机运行速度快、存储容量大、数据处理能力强的优势，实现对众多高低温试验箱集中监控、集中维护、集中管理，避免了人工控制效率低，实时性差，可靠性不佳且不便于历史数据的分析保存等缺点。

图2 集中监控系统组成及连接关系图

3.2 RS-485接口及总线

RS-485为20 mA电流环回路串行通讯接口，最大传输距离实际上可达1 200 m左右，允许在简单的一对屏蔽双绞线上进行多点双向通信，有良好的抗噪声干扰性、长的传输距离、高的数据传输速率及多站能力等优点，已成为控制界应用最为广泛的标准通信接口之一。

RS-485在总线上允许连接多达128个收发器，这样可以利用单一的RS-485接口方便地联网构成集中式测控系统。本系统RS485总线连接关系示意图见图3。

图3 RS485总线连接关系示意图

3.3 高低温试验箱

高低温试验箱为日本ESPEC公司的MC712型高低温试验箱，其性能指标符合GJB，GB，TEC60068-3-5等相关试验标准，适用于军用产品及众多工业产品的可靠性试验，该温箱具有温度控制精度高（温度精度度±0.5℃）、控制范围宽（温度范围-75～+100℃）的特点，其与外部通讯接口为RS485接口。图4为MC712型高低温试验箱的通讯接口实物图。

图4 MC712通讯接口实物图

4 系统软件开发

高低温试验箱的计算机远程集中监控，关键工作之一在于自研监控软件的设计。在软件设计中，采用C++软件自主开发应用软件，遵循模块化设计思想，采用结构化程序设计方案，使之具有良好的模块化和可移植性，主要包含远程监控主控制单元软件、主界面软件、高低温试验箱控制软件。

监控界面是建立在SKWorkshop组态软件二次开发而成，根据需要设置“高低温箱连接名称”和“PLC连续地址间隔”，主界面软件在界面设计上，结合图形技术、图标控件及数据计算控件，力求界面友好、操作方便、数据处理便捷。可以完成对高低温箱温度设定、温度实时监控、PLC的远程上传和下载PLC程序；通过电脑，以WIFI传输为媒介，可以远距离查看、修改PLC程序。

自研监控软件主要包括以下几个部分：

1）触摸屏系统主界面见图5，主参数设置见图6，用于操作者密码、时间设置、PLC控制、变量控制、窗口等；

图5 软件主欢迎界面

2）远程监控设定，用于计算机远程管理，实现显控和计算机WIFI设备连接，在软件中配置wifi设备用户名和登录密码，添加连接端口，在显控机上启动远程服务，操作画面和显控触摸屏一致，设定步骤：首先对WIFI设备设置，再设置当地无线路由器在路由器“转发规则”下“添加新条目”，添加743、843端口，IP地址按触摸屏自动获取的IP地址见图7。设置成功后点击“启动远程服务”按钮。然后点击“主画面”按钮，回到主页面点击“远程监控”按钮，出现下面界面，上面出现本设备IP地址和端口号，按提示进行操作连接进行远程操作见图8。

图6 软件主参数界面

图7 WIFI地址参数

图8 远程控制界面

3）变量参数设置，用于显示实时温度曲线、历史温度曲线及偏差趋势曲线等；

4）手动远程操作，用于高低温试验箱启动、运行、控制参数设置等见图9；

5）报警信息，用于高低温试验箱的温度异常、PLC故障信息、通信故障等见图10。

主控制单元的软件流程主要包括系统初始化、接口设置及通信、远程监控、人机界面数据交互、数据存储、报警处理和显示等部分。

图9 手自动切换操作界面

图10 故障报警记录表

高低温试验箱远程软件的具体功能如下:

1）可通过任何一台连接WIFI计算机对显控机实时操控；

2）可依据试验要求设定任何高低温实验箱工作温度、时间及升降温速率；

3）可依据试验要求设定任何高低温实验箱定值/程序工作方式及其远程监控；

4）可依据试验要求对高低温试验箱加热及冷冻能力进行设定及远程监控；

5）可依据试验要求设置高低温实验箱试验过程中各种故障报警；

6）可依据试验要求设定任何运行试验箱的个数、控温曲线或温控程序；

软件简单易用，界面友好，方便快捷，适用范围广。

工程设计人员在PC机上进行工程画面组态的编辑，然后通过USB把最终的组态画面和所需的通信驱动下载到触摸屏的存储机构中运行，再通过执行机构和串口通信对PLC或其它的连接设备建立通信并进行相应的控制和监视。

5 系统测试

本高低温试验箱远程监控系统在进行硬件安装、计算机程序及模块的开发、硬件连接调试完成后，需要对该系统的功能和性能进行详细运转测试和效果验证。

该远程监控系统系统功能和性能调试符合常规国家标准和实际工作要求，主要包括：WIFI通讯功能测试，试验箱控制及运行功能测试，软件系统功能测试，系统性能测试；整套系统功能和性能验证包括：环境试验验证，电磁兼容试验验证，电源波动试验验证等。

6 结论

文中详细论述了一种基于微型计算机、控制接口及自研监控软件通过网联网WIFI技术实现对高低温高低温试验箱远程集中监控系统的设计。该监控系统已运用于实际工作中，不仅解决了很多单位因研发经费受限且保密原因无法通过购买无线网络远程集中监控系统对高低温高低温试验箱进行远程集中监控的问题，为试验测试提供了实时、形象、动态的监控方法和手段，同时规避了传统操作方式的很多弊端，将高低温高低温试验箱的使用效率提高了60%且减低人工成本30%以上。而且系统可以对多台高低温高低温试验箱集中监测，是互联网+技术在环境实验设备的一次成功运用。

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