趙 帥，馬學(xué)煥，孫 剛，邱 彪，王 昆，張宗峰，陳根重

（中國電子科技集團(tuán)第十六研究所安徽億瑞深冷能源科技有限公司，合肥 230043）

引言

溫度沖擊試驗(yàn)箱是一種為測試產(chǎn)品提供極高溫和極低溫環(huán)境并在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行冷熱沖擊的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備，主要用于電子、通訊、材料、儀器儀表、科研等領(lǐng)域的產(chǎn)品進(jìn)行安全可靠性試驗(yàn)和產(chǎn)品篩選試驗(yàn)，以測試產(chǎn)品因熱脹冷縮而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)和形態(tài)變化或物理損傷，是進(jìn)行技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)和質(zhì)量控制等科研生產(chǎn)的理想環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備。

根據(jù)樣品在試驗(yàn)過程中的狀態(tài)不同，溫度,沖擊試驗(yàn)箱分為靜態(tài)溫度沖擊箱（樣品靜止不動）和動態(tài)溫度沖擊箱（樣品隨樣品籃移動），根據(jù)樣品籃的移動方式不同，動態(tài)溫度沖擊箱又可分為立式升降和臥式平移兩種類型，動態(tài)立式升降沖擊箱主要用于小載荷（如IC模塊）的試驗(yàn)，臥式平移沖擊箱主要用于大負(fù)載樣品的溫度沖擊試驗(yàn)。本文所論述的為兩箱臥式平移溫度沖擊箱，其主要性能指標(biāo)如下：

1）樣品籃內(nèi)容積：500 L

2）極限溫度范圍：-75～+200 ℃

3）溫度沖擊范圍：-65～+150 ℃

4）溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間：≤ 10 s

5）溫度恢復(fù)時(shí)間：≤ 5 min（40 kg鋁錠）

6）溫度偏差：≤ ±2.0 ℃

7）溫度波動度：≤ 1 ℃

1 設(shè)備簡介

該溫度沖擊試驗(yàn)箱主要由高溫室、低溫室、加熱系統(tǒng)、復(fù)疊制冷系統(tǒng)、水循環(huán)冷卻系統(tǒng)、樣品籃傳動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。沖擊箱兩個(gè)工作室分別為高溫室和低溫室，在做由高溫向低溫沖擊試驗(yàn)時(shí)，樣品籃首先處在高溫室按設(shè)定溫度進(jìn)行高溫試驗(yàn)，此時(shí)低溫室處于預(yù)冷工作狀態(tài)，當(dāng)運(yùn)行到設(shè)定沖擊時(shí)間時(shí)，傳動機(jī)構(gòu)將會帶動樣品籃由高溫室向低溫室移動，移動到低溫室以后，樣品在低溫室按設(shè)定溫度進(jìn)行低溫試驗(yàn)，此時(shí)高溫室處于預(yù)熱工作狀態(tài)，在做由低溫向高溫沖擊試驗(yàn)時(shí)，過程與上述相反。

該試驗(yàn)箱主要控制要求有：

1）為滿足試驗(yàn)箱預(yù)冷溫度-75 ℃和溫度恢復(fù)時(shí)間≤5 min的工作要求，制冷系統(tǒng)采用二元復(fù)疊制冷循環(huán)的制冷方式，在兩臺壓縮機(jī)的啟動順序以及眾多制冷閥和旁通閥的控制方面提出了一定的要求，尤其是在溫度沖擊過程中對冷量的調(diào)節(jié)控制將直接影響控溫的精度。

2）高溫室和低溫室均裝有大功率加熱器，在溫度沖擊過程中，需要解決快速升溫和精確控溫的矛盾問題，對加熱器的控制提出了較高的要求，此外，低溫室加熱器還需具有除霜功能。

3）樣品籃傳動系統(tǒng)采用傳動效率較高的鏈傳動方式，在溫度沖擊時(shí)，對傳動電機(jī)的控制和樣品籃移動的準(zhǔn)確定位提出了嚴(yán)格要求，樣品籃定位的準(zhǔn)確性將直接影響低溫室和高溫室的密封，進(jìn)而影響升降溫速度和控溫精度。

圖1 兩箱臥式平移溫度沖擊試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)示意圖

4）為了保證溫度沖擊試驗(yàn)箱的運(yùn)行安全，控制系統(tǒng)設(shè)置了大量的報(bào)警保護(hù)信息，如箱門開關(guān)、水壓報(bào)警、過熱保護(hù)、壓縮機(jī)過載保護(hù)等，對控制系統(tǒng)的報(bào)警信號處理提出了可靠性要求。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫度沖擊試驗(yàn)箱控制系統(tǒng)硬件主要由日本優(yōu)易控UMC1300系列溫度沖擊程序控制器、S7-SMART PLC控制器、開關(guān)按鍵、溫度傳感器、低壓電器及被控元器件等構(gòu)成。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。PLC控制器通過接收來自水壓開關(guān)、過載報(bào)警以及溫度控制器的溫度范圍報(bào)警等輸入信號，經(jīng)過PLC內(nèi)部邏輯運(yùn)算處理后，通過輸出模塊控制制冷壓縮機(jī)、電加熱器、移動電機(jī)等控制對象。

2.1 PLC選型及I/O點(diǎn)地址分配

根據(jù)兩箱臥式平移溫度沖擊試驗(yàn)箱的控制要求，共計(jì)38個(gè)數(shù)字量輸入信號，輸出點(diǎn)數(shù)有28個(gè)，PLC具體的的I/O輸入輸出點(diǎn)地址分配如表1、表2所示。

根據(jù)I/O點(diǎn)的個(gè)數(shù)，控制器最終選擇了西門子S7-200 SMART系列的ST60 CPU及32點(diǎn)數(shù)的數(shù)字量擴(kuò)展模塊。溫控器選用日本優(yōu)易控UMC1300系列高低溫沖擊控制器，其具有溫度顯示、邏輯運(yùn)算控制、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲、曲線查詢以及故障提醒等功能，是溫度沖擊試驗(yàn)箱的PID控制核心。

圖2 硬件系統(tǒng)組成框圖

表1 PLC輸入點(diǎn)地址分配表

2.2 電氣原理圖設(shè)計(jì)

溫度沖擊箱試驗(yàn)箱控制系統(tǒng)電氣原理圖包括強(qiáng)電供電部分和弱電控制電路兩部分，強(qiáng)電供電采用三相五線制，依據(jù)弱電控制強(qiáng)電的原則，控制電路主要是通過PLC 24 V電壓輸出控制中間繼電器線圈，繼電器觸點(diǎn)控制接觸器，從而實(shí)現(xiàn)對制冷壓縮機(jī)、加熱器、循環(huán)風(fēng)機(jī)等控制對象的啟停控制及傳動電機(jī)正反轉(zhuǎn)互鎖控制以及PLC輸入輸出的外部鏈接控制電路。由于制冷系統(tǒng)的低溫級壓縮機(jī)必須在高溫級壓縮機(jī)開啟以后，通過一定的延時(shí)才能啟動，兩級制冷壓機(jī)的接觸器在電路連接上做了互鎖，從而保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

沖擊箱在控溫工作時(shí)，溫控器會根據(jù)箱體內(nèi)實(shí)際溫度的上下波動通過PID運(yùn)算控制加熱器的頻繁啟停來控制熱量的輸出來，保證控溫精度。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)選擇了美國快達(dá)三相固態(tài)繼電器，通過PLC以及溫度沖擊控制器的輸出來共同控制固態(tài)繼電器的控制元件，從而解決了大功率加熱器的頻繁的啟停問題。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫度沖擊試驗(yàn)箱控制系統(tǒng)軟件程序結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

表2 PLC輸出點(diǎn)地址分配表

圖3 部分電氣控制原理圖

3.1 PLC軟件程序設(shè)計(jì)

PLC程序是使用西門子梯形圖語言進(jìn)行編寫，采用程序模塊化控制思想，由主程序和若干子程序組成，PLC子程序有樣品籃平移、加熱運(yùn)行、制冷運(yùn)行、報(bào)警指示和輔助功能等。設(shè)備在調(diào)試的過程中，尤其是移動樣品籃安裝調(diào)試時(shí)，采用手動控制。根據(jù)溫度沖擊箱的控制要求，PLC控制器會根據(jù)設(shè)定好的溫度沖擊試驗(yàn)工藝程序來實(shí)現(xiàn)對移動電機(jī)、電磁閥、制冷壓縮機(jī)、加熱器等控制對象的順序啟停控制。

圖4 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

為保證溫度沖擊試驗(yàn)箱的安全運(yùn)行，該控制系統(tǒng)設(shè)置了大量的報(bào)警信號，設(shè)備開機(jī)前，系統(tǒng)程序會對箱門開關(guān)信號、樣品籃移動到位信號以及水流量開關(guān)信號等進(jìn)行自動檢測，以判斷是否具備開機(jī)條件；當(dāng)在設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)壓縮機(jī)過熱保護(hù)、高壓報(bào)警、過熱保護(hù)、電機(jī)過載保護(hù)等報(bào)警信息時(shí)，控制系統(tǒng)會自動停機(jī)。報(bào)警信息同時(shí)會輸入高低溫程序控制器，并通過自帶觸摸屏實(shí)時(shí)顯示報(bào)警信息，提醒用戶及時(shí)解除報(bào)警。

3.2 溫度控制器軟件設(shè)計(jì)

溫控器軟件設(shè)計(jì)主要通過觸摸屏對其控制器系統(tǒng)內(nèi)部的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并進(jìn)行相應(yīng)的邏輯編程設(shè)計(jì)，包括DHF/DLF溫度偏差報(bào)警設(shè)置、IS溫度范圍設(shè)置、EVT設(shè)置、DO設(shè)置以及PID參數(shù)設(shè)置等。觸摸屏監(jiān)測界面如圖5所示。

3.3 溫度冷熱沖擊的實(shí)現(xiàn)

兩箱臥式平移溫度沖擊試驗(yàn)箱溫度沖擊試驗(yàn)具體過程以85 ℃高溫與-55 ℃低溫循環(huán)沖擊舉例介紹。

開機(jī)前，首先通過溫控器的觸摸屏界面設(shè)置編輯試驗(yàn)工藝如表3所示。開機(jī)時(shí)，盛放樣品的樣品籃會根據(jù)所處位置自動判斷移動方向，在向高溫室移動到位后，樣品籃的兩個(gè)側(cè)壁將沖擊箱內(nèi)部分成兩個(gè)獨(dú)立密閉的空間，樣品籃所在的高溫室將啟動加熱器進(jìn)行85 ℃高溫控溫試驗(yàn)，而此時(shí)低溫室將啟動制冷機(jī)組進(jìn)行-70 ℃預(yù)冷控溫試驗(yàn)。當(dāng)高溫室運(yùn)行時(shí)間到達(dá)設(shè)定的60 min時(shí)，PLC將接收到溫控器發(fā)出的高溫試驗(yàn)結(jié)束信號，系統(tǒng)將控制移動電機(jī)帶動樣品籃由高溫室向低溫室快速移動，在移動的過程中，低溫室和高溫室將會進(jìn)行短暫的冷熱空氣對流，同時(shí)樣品籃中的樣品負(fù)載也會將高溫室中的熱量帶入低溫室，低溫室內(nèi)的溫度在短時(shí)間內(nèi)快速升高，在10S溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，樣品籃會快速移動到位。

當(dāng)?shù)蜏卦囼?yàn)運(yùn)行時(shí)間到達(dá)45 min時(shí)，PLC將接收到低溫試驗(yàn)結(jié)束信號，系統(tǒng)將控制樣品籃由低溫室向高溫室快速移動，同樣，在移動過程中，高溫室內(nèi)溫度會由于大量的冷量進(jìn)入而升高，當(dāng)樣品籃快速移動到位后，系統(tǒng)將全功率啟動高溫室加熱器快速升溫，在五分鐘內(nèi)溫度恢復(fù)到85 ℃高溫，此時(shí)低溫室將進(jìn)行-70 ℃預(yù)冷控溫試驗(yàn)。至此，低溫沖擊高溫試驗(yàn)結(jié)束。當(dāng)循環(huán)次數(shù)完成時(shí)，整個(gè)溫度沖擊循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

該系統(tǒng)低溫室還具有自動除霜功能，在沖擊試驗(yàn)結(jié)束后，可通過觸摸屏設(shè)置除霜溫度和運(yùn)行時(shí)間，使低溫室進(jìn)行除霜工作，減少低溫室結(jié)霜現(xiàn)象的發(fā)生，有利于保護(hù)制冷機(jī)組。

圖5 觸摸屏監(jiān)視界面

表3 85 ℃沖擊-55 ℃試驗(yàn)工藝

圖6 兩箱臥式溫度沖擊試驗(yàn)箱實(shí)物圖

4 結(jié)束語

該兩箱臥式平移溫度沖擊試驗(yàn)箱控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)箱的高低溫冷熱沖擊的工作要求，解決了溫度沖擊時(shí)溫度快速升降溫與控溫的矛盾，樣品籃傳動平穩(wěn)、密封可靠。目前，該試驗(yàn)箱在用戶廠家運(yùn)行使用良好。

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