徐武德，馬芳蘭，馬宏偉，張紅霞，楊國輝，鄭 礴

（甘肅省科學院 傳感技術(shù)研究所甘肅省傳感器與傳感技術(shù)重點實驗室，甘肅 蘭州 730000）

基于PIC單片機和PID算法的晶間腐蝕實驗智能控制系統(tǒng)的設計＊

徐武德，馬芳蘭，馬宏偉，張紅霞，楊國輝，鄭 礴

（甘肅省科學院 傳感技術(shù)研究所甘肅省傳感器與傳感技術(shù)重點實驗室，甘肅 蘭州 730000）

針對現(xiàn)有晶間腐蝕實驗系統(tǒng)采用人工操作，勞動強度大，實驗精度差，檢測效率低的問題，設計了一種基于PIC單片機和PID算法的智能晶間腐蝕實驗控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PIC單片機為核心處理單元，PID算法為關(guān)鍵控制算法，結(jié)合TFT觸摸屏，完成從晶間腐蝕實驗從快速加熱、溶液微沸狀態(tài)判斷、微沸狀態(tài)保持、循環(huán)冷凝水控制、遠程監(jiān)控、自動報警、實驗結(jié)束全過程的智能控制。該系統(tǒng)適用于國標GBT4334-2008中B法、C法、E法及美標G48A法等相關(guān)實驗方法。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)的智能化程度，使晶間腐蝕實驗操作簡單、便捷、高效、智能，大幅提高了實驗效率及實驗的安全性和準確性。

PIC單片機；晶間腐蝕；PID算法；智能控制

晶間腐蝕，是指在某些環(huán)境中，金屬、合金和不銹鋼等材料的晶界的溶解速度遠大于晶粒本身的溶解速度時，會產(chǎn)生沿晶界進行的選擇性局部腐蝕。這種腐蝕使晶粒間的結(jié)合力大大削弱，嚴重時可使機械強度完全喪失。因此評定材料的晶間腐蝕傾向是機械裝備制造中極其重要的檢測項目。目前國內(nèi)的晶間腐蝕設備大多屬于自行組裝，成型的設備也是只能做某種單一的試驗方法，無法實現(xiàn)晶間腐蝕實驗的檢測試樣大批量、多種試驗方法同時進行，檢測效率低，很難滿足生產(chǎn)實際的需求[1]。因此研制多功能智能化一體、能夠?qū)崿F(xiàn)大批量、多種試驗方法同時進行的晶間腐蝕實驗設備迫在眉睫。

針對現(xiàn)有晶間腐蝕實驗設備人力、物力耗費大的問題，本文提出了一種基于PIC單片機和PID算法的智能晶間腐蝕實驗控制系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng)以PIC單片機為核心處理單元，PID算法為關(guān)鍵控制算法，結(jié)合TFT觸摸屏，完成晶間腐蝕實驗從快速加熱、溶液微沸狀態(tài)判斷、微沸狀態(tài)保持、循環(huán)冷凝水控制、遠程監(jiān)控、自動報警、實驗結(jié)束全過程的自動控制。該系統(tǒng)適用于國標GBT4334-2008中B法、C法、E法及美標G48A法等相關(guān)實驗方法，設有三個工位，各工位可以獨立工作也可以多工位同時工作。整個實驗過程全數(shù)字化控制，達到有效提高工作效率，節(jié)約測試成本的目的。

1 系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)

根據(jù)我國 《GBT4334-2008金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》標準的要求，基于PIC單片機和PID算法的晶間腐蝕實驗智能控制系統(tǒng)通過控制溶液溫度來控制溶液微沸狀態(tài)。將溫度作為溶液微沸狀態(tài)的唯一參量，控制并保持溶液的微沸狀態(tài)。為了將溫度精確的控制在一定范圍內(nèi)，對加熱裝置采用PID調(diào)節(jié)控制方式。PID控制器[2]采集溫度傳感器信號，通過軟件計算來控制加熱裝置的輸出功率，使得實驗溶液迅速達到并保持在微沸狀態(tài)。通過控制加熱裝置的輸出功率，進而控制加熱容器中溶液的溫度，最終實現(xiàn)實驗系統(tǒng)中溶液的加熱、微沸狀態(tài)的保持。由于晶間腐蝕實驗所使用的溶液大都是具有腐蝕性的酸性液體，必須在密閉容器中進行，為了防止溶液加熱使容器內(nèi)的因溫度升高而壓力增大，發(fā)生容器爆裂，為實驗系統(tǒng)配備有冷凝裝置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 晶間腐蝕實驗控制系統(tǒng)的設計

2.1 系統(tǒng)主要硬件設計

1)微控制器。微控制器是系統(tǒng)的核心處理單元，所有外圍設備的控制、通信、數(shù)據(jù)采集處理、故障判斷等功能。本系統(tǒng)選用美國Microchip Technology公司PIC16F877A單片機為處理單元。PIC16F877A屬于Flash單片機，可以重復燒錄，其內(nèi)部有8K的FLASH程序存儲器和512B的RAM數(shù)據(jù)存儲器；不僅采用精簡指令集RISC技術(shù)，而且還采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，兩級流水線取指令方式，它具有實用、低價、指令集小、低功耗、高速度、體積小、功能強等特點[3]。

2)集中管理器。集中管理器是本系統(tǒng)人機交互的接口，它采用TFT液晶觸摸設備完成實驗中各個參數(shù)設定和實時數(shù)據(jù)顯示。本系統(tǒng)采用北京迪文科技有限公司的 10.2英寸 1024×600圖形點陣K600+內(nèi)核65K色的DGUS屏。 集中管理器設計有開機界面、功能菜單、參數(shù)設定、運行控制、故障報警等控制顯示界面。如圖2所示，圖2(a)功能菜單界面選擇下一步要進行的操作；圖2(b)參數(shù)設定界面完成每一工位的運行參數(shù)；圖2(c)晶間腐蝕系統(tǒng)運行界面顯示當前每一工位的參數(shù)以及工位的起停控制；圖2(d)故障類型界面顯示出現(xiàn)故障的部件或類型。

圖2 集中管理器控制界面顯示

3)PID控制器的設計。數(shù)字式PID控制算法可以分為位置式PID和增量式PID控制算法[5]。本系統(tǒng)采用的是數(shù)字增量式PID控制。數(shù)字PID控制系統(tǒng)中用數(shù)字控制器代替模擬控制器。控制過程如下：首先通過模擬量輸入通道對控制參數(shù)進行采集，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后送入微控制器后按一定的算法進行處理，運算結(jié)果由模擬量輸出通道轉(zhuǎn)換為模擬量輸出。并通過執(zhí)行機構(gòu)控制被控對象，以達到期望的控制效果。數(shù)字PID控制器原理框圖如圖3所示：

圖3 數(shù)字PID控制器原理框圖

4)溫度采集。溫度是溶液保持微沸的關(guān)鍵參數(shù)，溫度采集的準確與否直接關(guān)系到系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。因此根據(jù)晶間腐蝕的相關(guān)標準的要求，本系統(tǒng)采用Pt100作為溫度采集的傳感器，Pt100鉑熱電阻是一種精度高、線性度好、測量范圍寬的溫度傳感器。

5)電磁閥控制。電磁閥是控制每一個工位冷凝水進入冷凝器的控制閥門。為了保證每一個工位可以獨立工作，三個工位之間互不影響，為每一個工位配置了一個電磁閥，只有該工位工作時，冷凝水才會進入該工位的冷凝器。不工作的工位冷凝水是關(guān)閉的。同時，當某一個工位冷凝管路出現(xiàn)故障時，不影響其他工位的工作。

6)電磁閥故障檢測。晶間腐蝕實驗是在密閉的容器中加熱進行，加熱溫度一般在100℃左右，會有一部分液體蒸發(fā)，使容器內(nèi)的壓強增大。加熱容器頂部的冷凝器一方面是為了密封容器，另一方面也可以將因加熱蒸發(fā)的液體再次液化，回流到溶液中，降低容器內(nèi)的壓強。電磁閥一方面是為了保證每一個工位的冷凝水可以獨立工作，另一方面也是為該工位加熱容器起冷凝作用，保障該工位的正常工作。一旦電磁閥出現(xiàn)故障，打不開，冷凝水進入不到冷凝器，加熱容器中溶液的蒸發(fā)造成容器內(nèi)壓強增大，就會發(fā)生危險。因此本系統(tǒng)在冷凝管路上安裝了壓力傳感器，當冷凝管路中的壓力降低或沒有壓力時，壓力傳感器就會發(fā)出報警，同時系統(tǒng)做出響應。電磁閥故障檢測電路如圖4所示：

圖4 電磁閥故障檢測電路

7)循環(huán)冷凝水的設計。本文所設計的晶間腐蝕實驗系統(tǒng)是在密閉的容器中加熱進行，加熱溫度一般在100℃左右，加熱過程中容器內(nèi)的壓強會增大，易引發(fā)容器爆裂現(xiàn)象。為了防止容器爆裂，采用循環(huán)冷凝水裝置[8,9]。該裝置利用不高于20℃的冷凝水冷卻加熱容器內(nèi)蒸發(fā)的腐蝕溶液，通過變頻器控制水泵，使總進水管內(nèi)保持恒定壓力，冷凝器中有恒定流速的冷凝水，冷凝水管路壓力在冷凝器承受的安全范圍內(nèi)，同時保證冷凝效果。

本系統(tǒng)循環(huán)利用冷凝水對加熱容器內(nèi)蒸發(fā)的腐蝕溶液進行冷卻降溫，保證加熱容器內(nèi)的壓力一直處于安全水平。與原有的冷凝系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)冷凝水用量從3t/次降至0.01t/次，節(jié)約用水量高達99.7%，節(jié)約成本效果顯著。本系統(tǒng)循環(huán)冷凝水工作原理框圖如圖5所示：

圖5 循環(huán)冷凝水工作原理框圖

2.2 系統(tǒng)軟件設計

基于PIC單片機和PID算法的晶間腐蝕實驗智能控制系統(tǒng)軟件是運行在PIC16F877A微控制器的智能實驗控制器軟件。由C語言編寫而成，主要實現(xiàn)溫度信號的采集和處理、TFT液晶觸摸屏的通信、PID控制器的輸出控制以及故障檢測等功能。

系統(tǒng)軟件采用模塊化設計方法，主要包括系統(tǒng)初始化子程序、PID控制器初始化子程序、電磁閥健康自檢子程序、指定工位啟動子程序、指定工位加熱升溫子程序、指定工位恒溫子程序、指定工位停機子程序。圖6是其中一個工位工作的程序控制流程圖。其中，變量ll表示工位所處的狀態(tài)，RD是電

磁閥健康狀況標識，F(xiàn)-temp是指工位的設定溫度。

3 系統(tǒng)現(xiàn)場測試

本系統(tǒng)在蘭州蘭石檢測技術(shù)有限公司進行了晶間腐蝕實驗的現(xiàn)場測試。現(xiàn)場測試圖如圖7所示，圖7(a)為晶間腐蝕系統(tǒng)實時運行圖，此時2號工位工作，1，3號工位暫停，表明各工位之間工作互不影響；圖7(b)是三個工位同時進行腐蝕試驗的圖。經(jīng)測試，晶間腐蝕系統(tǒng)可以同時對3個工位進行試驗，其溫度測量范圍為：0～150℃，試驗時間最長可達9999分鐘，滿足國標GBT4334-2008中B法、C法、E法及美標G48A法等相關(guān)實驗方法的要求。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能有效地將腐蝕溶液控制在試驗要求的微沸狀態(tài)下，控溫精度高，操作方便，具有很高的穩(wěn)定性和可靠性。

圖6 單工位工作控制程序

圖7(a) 晶間腐蝕系統(tǒng)實時運行

圖7(b) 三工位腐蝕試驗圖

4 結(jié)語

基于PIC單片機和PID算法的晶間腐蝕實驗智能控制系統(tǒng)采用智能控制技術(shù)，控溫精確，自動化程度高，整個實驗過程無需人工干預，實現(xiàn)了實驗過程中參數(shù)的數(shù)字化控制，使實驗操作簡單、便捷，系統(tǒng)運行高效、智能，提高了實驗的安全性和準確性。

本系統(tǒng)是一款應用于檢測金屬晶間腐蝕敏感性的實驗系統(tǒng)，適合工礦設備制造企業(yè)對設備原材料的質(zhì)量檢驗，同時適合科研單位和高校對金屬材料晶間腐蝕敏感性的研究使用，也可用于質(zhì)量監(jiān)督機構(gòu)對產(chǎn)品質(zhì)量的檢驗監(jiān)督使用，具有廣闊的市場前景。

[1]張麗霞，單達文.一種晶間腐蝕實驗裝置[P].中國專利，CN102590071A.2012,07.

[2]趙敏.智能自適應PID控制器設計及仿真研究[D].哈爾濱工業(yè)大學,2012.

[3]http://www.microchip.com.

[4]http://www.dwin.com.cn/products/DGUS-LCD-screen.html.

[5]原繼萍,劉海亮.數(shù)字式PID控制算法研究[J].航天控制, 2010,28(5):9-12.

[6]嚴長城,應貴平.基于PT100鉑熱電阻的高精度測溫系統(tǒng)的設計[J].機電工程技術(shù),2015,44(03):71-74.

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[8]薛繼輝.密閉式冷凝水回收系統(tǒng)設計與研發(fā)[D].南京理工大學,2010.

[9]Hsueh,M.-H.The Cooling Device of Drum Brake System by Using Thermoplastic Cooling Module[C].Computer, Consumer and Control(IS3C),2012 International Symposium on.June,2012:833-836.

TP273+.5

甘肅省科學院青年科技創(chuàng)新基金項目（2014-CG-28）。