尹江飛

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，宜昌 430000）

0 引言

高強(qiáng)度浮力材料在深海作業(yè)系統(tǒng)中起到極為關(guān)鍵的作用，并已在民用、商業(yè)及軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如聲學(xué)多普勒流速剖面儀平臺(tái)、零浮力拖體、無(wú)人遙控潛水器、載人潛航體等等。而浮力材料的粘接固化質(zhì)量，決定了產(chǎn)品的吸水率、密度以及耐壓，進(jìn)而影響這個(gè)系統(tǒng)或平臺(tái)的可靠性。為了浮力材料的保證粘接固化質(zhì)量，通過(guò)對(duì)前期的粘接固化工藝進(jìn)行了研究，我們開(kāi)發(fā)了一套電加熱烘箱的溫控系統(tǒng)，用于產(chǎn)品的粘接固化。

1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 控制原理及流程

控制部分的核心是S7-226CN，另外還有熱電阻PT100、EM231溫度采集模塊以及數(shù)顯儀CH6的溫度保護(hù)；通信部分的關(guān)鍵是DTU無(wú)線通信模塊和觸摸屏SMART 700，其中DTU無(wú)線通信模塊通過(guò)RS485通訊協(xié)議與PLC的PORT0進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制指令的收發(fā)，觸摸屏SMART 700通過(guò)PPI協(xié)議與PLC的PORT1進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)設(shè)置參數(shù)和顯示數(shù)據(jù)的相互傳遞；執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括電加熱系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)循環(huán)系統(tǒng)，它是在PLC控制下，根據(jù)設(shè)置的不同參數(shù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的溫度控制功能。

圖1 溫控系統(tǒng)的硬件原理圖

控制器CPU為西門子S7-226CN，具體的型號(hào)為CPU226DC/AC/Relay，它的輸入模塊采用DC24V供電，輸出模塊采用AC220V供電。為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定新，PLC的輸出到加熱系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)循環(huán)系統(tǒng)的控制信號(hào)，都采用隔離處理，提高負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力，通過(guò)中間繼電器進(jìn)行轉(zhuǎn)換?？刂乒竦慕缑嫔显O(shè)計(jì)急停和準(zhǔn)備按鈕，以及各種工裝狀態(tài)的指示。

1.2 硬件安全性設(shè)計(jì)

硬件上設(shè)計(jì)急停按鈕，在緊急情況下按下此按鈕，一鍵停機(jī)，系統(tǒng)自動(dòng)斷開(kāi)加熱系統(tǒng)的主回路，停止加熱。

數(shù)顯儀采樣另外一個(gè)PT100的溫度，設(shè)計(jì)單獨(dú)一套溫度保護(hù)系統(tǒng)，進(jìn)行溫度上限的設(shè)定，并與加熱系統(tǒng)的控制主回路串聯(lián)，當(dāng)溫度超過(guò)上限設(shè)定值，系統(tǒng)自動(dòng)斷開(kāi)加熱系統(tǒng)的主回路，停止試驗(yàn)，風(fēng)機(jī)依然繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 PLC程序的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件組態(tài)、軟件設(shè)計(jì)、程序燒寫、在線監(jiān)測(cè)及離線仿真均在西門子Step7 MicroWIN軟件中進(jìn)行。

2.1 主程序設(shè)計(jì)

Step7 MicroWIN軟件中用戶的主程序?qū)懺诮M織塊OB1中，用戶的六段子程序分別定義為溫度曲線1～溫度曲線6，主程序根據(jù)觸摸屏設(shè)定的溫度值和時(shí)間，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)用各子程序。

圖2 軟件流程圖

主程序中設(shè)定非正常停機(jī)（工作中按急停或停止），風(fēng)機(jī)系統(tǒng)也將繼續(xù)運(yùn)行15分鐘，同時(shí)加熱過(guò)程中不風(fēng)機(jī)必須處于運(yùn)行狀態(tài)；主程序中對(duì)PT100的溫度值采集后，通過(guò)設(shè)計(jì)連續(xù)5分鐘溫度值不變和溫度值為3276.7時(shí)，自動(dòng)識(shí)別出系統(tǒng)故障和熱電阻PT100故障，則系統(tǒng)停止加熱，同時(shí)風(fēng)機(jī)循環(huán)系統(tǒng)還將繼續(xù)運(yùn)行15分鐘，防止加熱系統(tǒng)中的電熱管由于溫度散不出去而影響壽命；主程序中將運(yùn)行剩余時(shí)間、當(dāng)前運(yùn)行設(shè)定值、風(fēng)機(jī)狀態(tài)、完成狀態(tài)、故障狀態(tài)等信息通過(guò)PPI通訊協(xié)議傳遞至觸摸屏并顯示；當(dāng)烘箱內(nèi)溫度超出軟件設(shè)定的上下限，系統(tǒng)自動(dòng)停止加熱系統(tǒng)；為了保證固體浮力材料的固化質(zhì)量，主程序中設(shè)計(jì)只有當(dāng)烘箱溫度冷卻至室溫的2℃以內(nèi)，輸出控制信號(hào)點(diǎn)亮開(kāi)箱指示燈。

2.2 分段曲線程序設(shè)計(jì)

六段溫度曲線子程序的設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)可以自動(dòng)運(yùn)行于六個(gè)不同溫度段，滿足不同體積的固體浮力材料固化要求。每段溫度曲線采用死區(qū)控制方法，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度值的5℃內(nèi)，PLC中斷系統(tǒng)自動(dòng)響應(yīng)，并輸出控制信號(hào)，停止加熱系統(tǒng)運(yùn)行，由于加熱系統(tǒng)中的電熱管還存在余溫，隨著風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行，烘箱內(nèi)的溫度還將繼續(xù)上升，造成超調(diào)現(xiàn)象；當(dāng)系統(tǒng)溫度再次降到設(shè)定溫度以下時(shí)，PLC輸出控制信號(hào)，啟動(dòng)加熱系統(tǒng)運(yùn)行。通過(guò)設(shè)置0～5℃的死區(qū)，確保系統(tǒng)超調(diào)量得到有效控制，減少溫度的大幅波動(dòng)。試驗(yàn)運(yùn)行示意圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行圖

六段子程序之間是互鎖的關(guān)系，只有當(dāng)系統(tǒng)完成當(dāng)前這段曲線后才能執(zhí)行下一段溫度曲線。同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值，自動(dòng)判溫度斷曲線是處于升溫還是降溫環(huán)節(jié)，若是下一個(gè)段是降溫環(huán)節(jié)，則當(dāng)前溫度曲線結(jié)束之后，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行15分鐘后停機(jī)，這樣可以保證浮力材料慢慢自然冷卻，當(dāng)溫度值降到死區(qū)區(qū)間時(shí)，則繼續(xù)啟動(dòng)加熱和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，確保冷卻過(guò)程中大體積的浮力材料的中心溫度能得到釋放，防止出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象。

3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 PLC與DTU無(wú)線通信模塊的連接

根據(jù)烘箱溫控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能及無(wú)線通信模塊的技術(shù)特點(diǎn)，選取瓦爾通信科技有限公司的DTUNL882G無(wú)線模塊，NL882G模塊中自帶GPRS短信模塊。模塊除了外接電源以外，通過(guò)RS485與PLC的Port0進(jìn)行通信，SIM卡插入SIM卡座內(nèi)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程短信實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

3.2 DTU無(wú)線模塊的通訊協(xié)議及短信收發(fā)格式

采用RS485通訊協(xié)議，波特率：9600，數(shù)據(jù)位：8，奇偶校驗(yàn)：無(wú)，停止位：1，短信的收發(fā)方式有兩種，TEXT和PDU。

方式1：TEXT發(fā)送方式

當(dāng)PLC收到“溫度值”、“停機(jī)”等指令時(shí)，PLC執(zhí)行相應(yīng)的指令“輸出實(shí)時(shí)溫度值”、“停機(jī)”等，并通過(guò)TEXT和PDU讀取PLC反饋的信息，具體格式如下：

方式1：TEXT發(fā)送方式

4 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)3個(gè)月的運(yùn)行，溫控系統(tǒng)的控制精度準(zhǔn)確和多重保護(hù)系統(tǒng)均能正常運(yùn)行，溫度曲線顯示及記錄保存滿足要求，完全達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。不但提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，通過(guò)對(duì)保持的多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了反復(fù)分析，找到了當(dāng)初質(zhì)量問(wèn)題的根源，從而優(yōu)化了產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，大大提高了產(chǎn)品的合格率。