裘宏波，裴文龍，程海栗

（重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司，重慶 401121）

0 引言

文物是傳承歷史的重要符號(hào)，是一種不可再生的文化資源，它不僅是進(jìn)行傳統(tǒng)文化教育的重要載體，而且具有重要的歷史研究?jī)r(jià)值、科學(xué)研究?jī)r(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。溫度、濕度、光輻射、空氣污染物和微生物等外界的環(huán)境因素對(duì)文物的保存有很大的影響。科學(xué)、有效地監(jiān)控文物所處的環(huán)境參數(shù)，提供適合文物存放的環(huán)境條件，可以有效地延緩文物老化腐蝕的速度，進(jìn)而延長(zhǎng)文物的壽命。

文物展柜是文物存放和展陳的重要器具，是博物館展廳不可或缺的組成部分。展柜的主要功能是既能持續(xù)、恒定地為文物提供適宜的保存環(huán)境，又能使文物呈現(xiàn)更好的展示效果。智能文物展柜集自動(dòng)化控制技術(shù)于文物展柜，其主體由玻璃面、金屬骨架、特制柜門開啟機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)和專用標(biāo)準(zhǔn)零部件等組成，并且可單獨(dú)配置照明系統(tǒng)、恒溫恒濕系統(tǒng)、抗震系統(tǒng)和安防系統(tǒng)等。

PAS500是重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司自主設(shè)計(jì)、研發(fā)和制造的一種過(guò)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于冗余集散型控制系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)，模塊化設(shè)計(jì)思想和開放性的設(shè)計(jì)理念，使該系統(tǒng)具備良好的開放性和擴(kuò)展性，適用于石油、化工、冶金、輕工、能源和環(huán)保等行業(yè)的過(guò)程自動(dòng)化控制。PAS500是一種基于工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，應(yīng)用在文物展柜控制中具有更高的可靠性和穩(wěn)定性。

溫度、濕度以及空氣壓力和清潔度是文物存放的主要環(huán)境指標(biāo)。存放不同文物的最佳環(huán)境條件也有所不同。本文在簡(jiǎn)要介紹重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司研制的智能展柜凈化調(diào)濕裝置原理的基礎(chǔ)上，闡述用PAS500完成該裝置監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)方法和過(guò)程。

1 監(jiān)控裝置總體方案

本文涉及的智能展柜凈化調(diào)濕裝置主要功能是空氣凈化、氣壓調(diào)節(jié)、濕度調(diào)節(jié)和溫度調(diào)節(jié)等，其設(shè)計(jì)原理如圖1所示。展柜是一個(gè)密閉的容器，通過(guò)進(jìn)氣口和出氣口與凈化調(diào)試裝置連接，形成一個(gè)氣體循環(huán)回路。在展柜合適的位置安裝溫度、濕度、氣壓和污染物測(cè)量?jī)x表，以獲取展柜相關(guān)環(huán)境參數(shù)。若檢測(cè)到污染物超標(biāo)，則導(dǎo)通并使能空氣凈化裝置，對(duì)回路氣體進(jìn)行凈化。若檢測(cè)到氣壓低，則導(dǎo)通并打開抽氣泵1并使能空氣凈化裝置，向回路中注入空氣。若檢測(cè)到氣壓高，則導(dǎo)通并打開抽氣泵2，同時(shí)使能廢氣處理裝置，將回路中的部分氣體抽出。若檢測(cè)到濕度低，則導(dǎo)通水箱，對(duì)回路氣體進(jìn)行加濕處理。水箱中的水由自動(dòng)補(bǔ)水裝置提供，若水量不足，則啟動(dòng)自動(dòng)補(bǔ)水裝置向水箱中注水；若水量過(guò)剩，則將過(guò)剩的水排到自動(dòng)補(bǔ)水裝置供后續(xù)利用。若檢測(cè)到濕度高，則導(dǎo)通并使能除濕裝置，對(duì)回路氣體進(jìn)行除濕處理。若檢測(cè)到溫度低，則導(dǎo)通并使能加溫裝置，對(duì)回路氣體進(jìn)行加溫處理。若檢測(cè)到溫度高，則導(dǎo)通并使能降溫裝置，對(duì)回路氣體進(jìn)行降溫處理。

圖1 凈化調(diào)濕裝置工作原理圖Fig.1 Purifying humidifier diagram

表1 模塊通道定義表Table 1 Module channel definition table

2 PAS500實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能

2.1 PAS500系統(tǒng)構(gòu)成

PAS500是一種基于集散型控制系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)的過(guò)程控制系統(tǒng)，由輸入輸出層、控制層和監(jiān)控層構(gòu)成。輸入輸出層由各種IO模塊組成，用于輸入信號(hào)采集和控制信號(hào)輸出?？刂茖拥闹饕考强刂破?，其主要功能是獲取各類輸入信號(hào)，根據(jù)組態(tài)程序執(zhí)行控制邏輯，以及控制輸出模塊的信號(hào)輸出。PAS500控制器基于X86工控板平臺(tái)設(shè)計(jì)，操作系統(tǒng)是Linux。運(yùn)行于控制器上的控制軟件符合IEC 61131標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)控層由操作站和工程師站等部分構(gòu)成。操作站的功能是獲取和顯示監(jiān)視信息，并根據(jù)應(yīng)用需求發(fā)送操作指令到控制器。工程師站具備前述操作站的功能，但其更主要的功能是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置并實(shí)現(xiàn)控制程序和監(jiān)控畫面組態(tài)的設(shè)計(jì)、修改、維護(hù)以及調(diào)試等功能。

圖2 濕度調(diào)節(jié)算法流程Fig.2 Control algorithm

2.2 輸入輸出層配置

在該應(yīng)用中，輸入輸出層采用展柜專用模塊PAS3281。該模塊提供14路模擬量信號(hào)采集、8路開關(guān)量信號(hào)采集和24路開關(guān)量信號(hào)輸出功能。該模塊各通道功能定義如表1所示。

2.3 控制層處理

該裝置的主要控制功能有溫度調(diào)節(jié)、濕度調(diào)節(jié)、空氣凈化、壓力調(diào)節(jié)（包括廢氣排放處理）以及水箱水位控制等。

溫度和濕度是文物存放環(huán)境極其重要的參數(shù)，也是兩個(gè)控制難度較高的參數(shù)。該裝置濕度控制精度設(shè)計(jì)要求為4%。為達(dá)到更好的控制效果，將控制精度設(shè)計(jì)為可設(shè)置參數(shù)，參數(shù)變量名為：HumiConPrec。該裝置濕度的量程為0至100%RH，濕度控制點(diǎn)設(shè)置為HumiSetPit，則濕度控制低限為

HumiLowPit=(HumiSetPit - (HumiConPrec × 100))%RH

濕度控制高限為

HumiHighPit=(HumiSetPit + (HumiConPrec × 100))%RH

測(cè)試結(jié)果顯示，濕度調(diào)節(jié)的過(guò)程較慢并且較大滯后作用，因此在部分濕度范圍內(nèi)采用PID控制算法實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。濕度調(diào)節(jié)的算法是當(dāng)濕度高于HumiHighPit，則啟動(dòng)除濕；濕度處于HumiSetPit和HumiHighPit之間，采用PWM方式控制除濕啟動(dòng)時(shí)間，PWM占空比由PID算法計(jì)算；濕度低于HumiLowPit，則導(dǎo)通水箱加濕；濕度處于HumiLowPit和HumiSetPit之間，采用PWM方式控制水箱加濕導(dǎo)通時(shí)間，PWM占空比由PID算法計(jì)算。濕度調(diào)節(jié)控制的具體實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。溫度調(diào)節(jié)控制方式與濕度調(diào)節(jié)相似，參數(shù)有所不同。

空氣凈化、壓力調(diào)節(jié)（包括廢氣排放處理）以及水箱水位控制等相對(duì)溫濕度調(diào)節(jié)要簡(jiǎn)單一些，這里就不再一一介紹。

此外，針對(duì)諸如濕度設(shè)定值和控制精度設(shè)定值等一些需要長(zhǎng)久保存的參數(shù)和變量，控制器提供數(shù)據(jù)掉電保存功能。這樣，用戶在裝置投運(yùn)階段將參數(shù)設(shè)置好，以后裝置運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)讀取保存的參數(shù)并執(zhí)行控制功能。另外，控制器提供WIA-PA無(wú)線通信協(xié)議接口，可以將展柜相關(guān)環(huán)境參數(shù)發(fā)送給中央集控器，方便用戶對(duì)展廳內(nèi)的多個(gè)展柜進(jìn)行集中監(jiān)控。

圖3 展柜濕度歷史趨勢(shì)圖Fig.3 Displays the humidity history charts

2.4 監(jiān)控層實(shí)現(xiàn)

該裝置的監(jiān)控層由一臺(tái)運(yùn)行Windows XP操作系統(tǒng)的小型觸摸屏計(jì)算機(jī)和PAS500的HMI軟件組成?；谠搼?yīng)用需要，監(jiān)控層提供監(jiān)視和參數(shù)設(shè)置功能。

該裝置的監(jiān)視功能即實(shí)時(shí)顯示展柜中溫度、濕度、污染物和氣壓值，并記錄和顯示溫度、濕度、污染物和氣壓值的歷史趨勢(shì)和高低報(bào)警信息。圖3為濕度控制設(shè)定值為60%RH，控制精度為2%時(shí)，展柜內(nèi)濕度部分歷史趨勢(shì)圖。

該裝置控制功能需要設(shè)置的參數(shù)有16個(gè)，分別為溫度、濕度、污染物和氣壓的控制設(shè)定值、控制精度、低報(bào)警值和高報(bào)警值。授權(quán)用戶可以在HMI軟件提供的人機(jī)界面對(duì)上述各參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和修改。HMI軟件會(huì)將設(shè)定或修改的參數(shù)值實(shí)時(shí)發(fā)送給控制器。這樣，用戶就可以根據(jù)不同文物的環(huán)境要求設(shè)置不同展柜的控制參數(shù)，以提供更好的文物展存環(huán)境。

PAS500的HMI軟件提供多等級(jí)和多用戶授權(quán)管理功能，即不同的用戶具有規(guī)定的授權(quán)等級(jí)，不同的授權(quán)等級(jí)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)有不同的操作權(quán)限。本應(yīng)用的監(jiān)視功能是一種常規(guī)功能，可以對(duì)所有用戶開放，因此可以不設(shè)置訪問(wèn)權(quán)限。為了避免有意或者無(wú)意地非法參數(shù)設(shè)定動(dòng)作執(zhí)行，對(duì)數(shù)設(shè)定功能設(shè)置訪問(wèn)權(quán)限，登錄該系統(tǒng)的用戶只有具有權(quán)限，才可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和修改。

3 總結(jié)

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間地測(cè)試和驗(yàn)證，PAS500能對(duì)該裝置進(jìn)行有效地控制，達(dá)到密閉展柜環(huán)境凈化和溫濕度調(diào)節(jié)要求，且溫度、濕度和氣壓控制精度可達(dá)≤2%。圖3中紅色曲線為測(cè)試過(guò)程中的一段濕度趨勢(shì)圖，圖中測(cè)試曲線與設(shè)定值的最大差值為1.6%RH。PAS500是基于工業(yè)級(jí)要求設(shè)計(jì)的一種控制系統(tǒng)，其模塊化的結(jié)構(gòu)、靈活的系統(tǒng)配置以及方便的算法和畫面組態(tài)，使其不僅具有很高的可靠性和穩(wěn)定性，而且具有極好的開放性和擴(kuò)展性，適用各類珍貴文物展存環(huán)境的監(jiān)控。

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