鄭艷鵬，蘇東

（中國科學(xué)院上海高等研究院，上海 201800）

無論在人們的生活、工業(yè)生產(chǎn)，還是在科研活動 中，溫度物理量都扮演著重要的角色。隨著人們對溫度的控制要求越來越多，溫度的控制方法也呈現(xiàn)出了多樣性。例如：楊春麗將PWM 技術(shù)應(yīng)用在了溫控風(fēng)冷系統(tǒng)[1]；劉談平等人將PID+PWM 應(yīng)用在了溫控電源的設(shè)計[2]；王猛等人將模糊控制應(yīng)用在了燃氣熱處理爐控制系統(tǒng)中[3]。而上海光源原有的液氮循環(huán)機組的液氮輸送控制器采用現(xiàn)成的溫控儀通過內(nèi)置的PID 溫度控制算法進行溫度控制。這種控制器對于常見的小功率加熱器來說控溫精度較好，具有一定的應(yīng)用價值。但對于低溫液氮來說，使用該控制器，控制低溫電磁閥的通斷，存在以下缺點：算法單一，只能選擇合適的負載匹配該控制器；對于大慣性負載并不適用；而且溫控器一般采用按鍵控制、數(shù)碼管顯示，操作感和視覺感差、當(dāng)出現(xiàn)報警時需要查代碼，不利于故障排除；內(nèi)部繼電器開通容易產(chǎn)生電火花、壽命短。針對以上缺點，設(shè)計出了一種改進的液氮輸送系統(tǒng)。來給上海光源的液氮循環(huán)機組提供不斷的液氮供其使用。由于液氮輸送系統(tǒng)對管路的溫度控制要求不高，超調(diào)量為±10 ℃。所以根據(jù)其控制要求設(shè)計出了一種溫度區(qū)間控制算法，這種方法可以改進現(xiàn)成的溫控儀超調(diào)嚴(yán)重、不穩(wěn)定等問題。另外當(dāng)發(fā)生故障時，界面能顯示故障信息，摒棄了溫控儀排查故障繁瑣的問題。

新控制系統(tǒng)通過固態(tài)繼電器來控制電磁閥的通斷，具有壽命長響應(yīng)速度快、不產(chǎn)生電火花的優(yōu)點。采用觸摸屏監(jiān)測數(shù)據(jù)更清晰、操作感好，更加智能化。系統(tǒng)還增加了電壓、電流數(shù)據(jù)監(jiān)測、電磁閥開通次數(shù)統(tǒng)計等功能均能在界面實現(xiàn)監(jiān)控。而且，系統(tǒng)還能將本地數(shù)據(jù)傳送于其他控制器。由此可以看出，改進的控制系統(tǒng)更具優(yōu)勢，值得進一步的推廣與應(yīng)用。

圖1 液氮循環(huán)機組和液氮輸送控制器

1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

1.1 液氮循環(huán)機組簡介

液氮循環(huán)機組靠液氮泵，通過液氮管路可以給像單色器這樣的高熱部件降溫。系統(tǒng)利用PID 控制算法控制換熱器的開通與關(guān)斷，使系統(tǒng)工作在2 bar甚至更高的壓力下，以此來提高液氮的沸點，保證液氮不沸騰。在壓力穩(wěn)定的條件下，系統(tǒng)可以保持流量的穩(wěn)定，使液氮循環(huán)機組工作在極其穩(wěn)定的狀態(tài)，持續(xù)冷卻單色器，并使兩端的溫度維持在77 K 左右。

液氮輸送控制器是為了使液氮循環(huán)機組在液氮不足時，進行補液，為液氮循環(huán)機組提供不斷的液氮供其使用。

1.2 液氮輸送控制系統(tǒng)設(shè)計

由于上海光源的液氮存儲在距離液氮循環(huán)機組較遠的位置約600 m，液氮屬于低溫液體易于揮發(fā)，所以液氮通過真空管路進行傳輸。管路較長時，到達液氮循環(huán)機組需要的時間也相對較長，液氮輸送控制系統(tǒng)設(shè)計目的就是為了縮短供液時間，使液氮循環(huán)機組不斷液。新舊液氮輸送控制系統(tǒng)原理框圖如圖2 所示。對應(yīng)的舊系統(tǒng)實物圖和新系統(tǒng)操作界面如圖3所示。其工作原理是通過現(xiàn)成的溫控器采集溫度，然后通過內(nèi)部PID控制算法，去控制中間繼電器的通斷，從而控制電磁閥的通斷，進而控制管內(nèi)溫度的高低。從圖3(a)中可以看出設(shè)定溫度為-30 ℃，當(dāng)前溫度為-80 ℃，兩者溫度相差50 ℃，控溫效果不佳，超調(diào)量較大。

圖2 新舊液氮輸送控制系統(tǒng)原理框圖

圖3 舊系統(tǒng)實物圖和新系統(tǒng)操作界面圖

對舊控制系統(tǒng)進行改進，具體要求如下：系統(tǒng)溫度檢測范圍（-199 ℃～室溫），溫度超調(diào)范圍（±10 ℃）；系統(tǒng)兼有開關(guān)量與模擬量（電壓、電流、溫度）采集和人機交互功能。根據(jù)以上要求，設(shè)計出改進的系統(tǒng)原理框圖，如圖2(b)所示。與之對應(yīng)的人機界面如圖3(b)所示。從圖2(b)中可以看出，整個控制系統(tǒng)主要由PLC 觸摸屏一體機、固態(tài)繼電器、電壓、電流、溫度變送器、指示燈、聲光報警器和24 V 直流電源等構(gòu)成。其中，PLC 觸摸屏一體機為系統(tǒng)的核心，它集成有3路模數(shù)（ADC）接口、3路數(shù)模（DAC）接口，還有16路高速脈沖輸出接口和10 路繼電器輸出接口、24路數(shù)字量輸入接口。該控制系統(tǒng)只需要3 路DO 輸出、3 路ADC，1 路DAC，所以完全滿足系統(tǒng)的需求。改進的控制系統(tǒng)的工作原理：電壓、電流和溫度變送器，將電壓、電流和溫度信號轉(zhuǎn)換成0～10 V 的電壓信號，送入ADC 接口。通過CPU 計算,處理0～10 V 模擬量轉(zhuǎn)換程序，變換成人們?nèi)菀鬃R別的溫度、電壓、電流數(shù)據(jù)，通過組態(tài)軟件中的顯示控件進行組態(tài)，就能得到圖3(b)新系統(tǒng)操作界面。利用讀取到的實際溫度寄存器，通過編寫溫度控制程序，控制電磁閥的開通與關(guān)閉就可以控制液氮管路內(nèi)的溫度。當(dāng)需要發(fā)出警報時，軟件編程使DO3 輸出點置1，并促使相應(yīng)的組態(tài)報警控件和滾動報警控件工作，從而實現(xiàn)了蜂鳴器報警和界面的報警功能。

與舊控制系統(tǒng)相比較，新改進的控制系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在：新控制系統(tǒng)中低溫電磁閥的中轉(zhuǎn)器件采用固態(tài)繼電器，解決了電磁繼電器容易出現(xiàn)電火花、壽命短的問題；采用可編程智能多功能溫度變送器采集溫度信號，它支持S 和R 型熱電偶（0～1 600 ℃）、B 型熱電偶（200～1 800 ℃）、K 和N 型熱電偶（0～1 300 ℃）、E 型熱電偶（-200～850 ℃）、J 型熱電偶（0～650 ℃）、T 型熱電偶（-200～400 ℃），也支持Pt100（-199～600℃）和Cu50 熱電阻（-50～150 ℃）等多種溫度傳感器，編程器可更改傳感器種類，有更好的靈活適用性。

1.3 電氣原理圖設(shè)計

液氮輸送系統(tǒng)的舊控制系統(tǒng)和新控制系統(tǒng)電氣原理圖分別如圖4（a）和（b）所示。相比較而言，新控制系統(tǒng)更加復(fù)雜，主要區(qū)別體現(xiàn)在舊控制系統(tǒng)采用現(xiàn)成的溫控器，對系統(tǒng)進行控制。而改進的控制系統(tǒng)采用可編程的PLC 一體機作為控制器，適用于更加復(fù)雜的系統(tǒng)，在線可編程是現(xiàn)成功能，是溫控器不可比擬的。圖（b）中還設(shè)計出了ADC 與遠程控制器的接口電路，通過編程，可以與遠程控制器交換本地溫度、電壓、電流等數(shù)據(jù)。

圖4 新舊系統(tǒng)電氣原理圖

2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換

軟件設(shè)計主要完成電壓、電流、溫度的模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過本地控制器DAC 接口連接另一個控制器的ADC 接口實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸。還包括電磁閥自動控制和報警程序的編寫還有系統(tǒng)的人機界面的設(shè)計。電壓、電流和溫度轉(zhuǎn)換程序是將外部的電壓、電流、溫度信號轉(zhuǎn)換成0～10 V 的電壓信號[9-10]，通過PLC 觸摸屏一體機的模擬量輸入AI 接口，溫度變送器參數(shù)是將模擬量0～10 V 對應(yīng)0～4 095 的數(shù)字量，所以需要將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成-199～600 ℃，這樣就可以調(diào)用溫度顯示寄存器D120，然后經(jīng)人機界面顯示出來。模擬量與溫度的轉(zhuǎn)換計算如式（1）[11-12]所示：

式中，Tpv為轉(zhuǎn)換后的實際溫度值，D9012 為轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量，由于為12 位轉(zhuǎn)換器，所以D9012 的最大值為4 095，將Tpv的值賦給D120，它存儲的就是當(dāng)前溫度值。

電壓變送器參數(shù)是0～10 V，對應(yīng)0～380 V，模擬量與電壓的轉(zhuǎn)換計算如式（2）[13]所示：

電流變送器參數(shù)是0～10 V 對應(yīng)0～10 A，模擬量與電壓的轉(zhuǎn)換計算如式（3）[14]所示：

式（2）中，Vo為 負載電壓D9013 為0～380 V 轉(zhuǎn)換成的對應(yīng)數(shù)字量存儲寄存器，式（3）中Io為負載電流，D9014 為0～10 V 轉(zhuǎn)換成的對應(yīng)數(shù)字量存儲寄存器[15-16]。將Vo的值賦給D360 來存儲電壓值，Io賦給D450 存儲電流值，供后續(xù)的控制程序設(shè)計使用。

由于控制器DAC 接口是將0～10 000 轉(zhuǎn)化成0～10 V 輸出，所以要實現(xiàn)遠距離溫度、電壓、電流數(shù)據(jù)的傳輸，需要對D9012、D9013 和D9014 同比例放大，放大倍數(shù)為βAP=10 000/4 095，這樣就可以利用式（1）-（3）的公式和同樣的編程思路，在另一個控制器中讀取到所要的本地電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)[17-20]。

2.2 控制程序流程圖設(shè)計

編寫程序之前要合理分配軟件控制系統(tǒng)中應(yīng)用到的寄存器、數(shù)位功能等變量，來供后續(xù)的編程使用。軟件系統(tǒng)主要變量分配表如表1 所示。

表1 變量分配

寄存器分配好后，需要編寫溫度的轉(zhuǎn)換、電壓電流的轉(zhuǎn)換、數(shù)位報警、計數(shù)、溫度控制程序。由于控制器內(nèi)部D9012 存儲器，存儲的是外部溫度信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的值，利用這個數(shù)據(jù)可以將它進行轉(zhuǎn)存并處理，根據(jù)2.1 小節(jié)中的式（1）將D9012 進行轉(zhuǎn)換，最后轉(zhuǎn)換成實際溫度值，并將結(jié)果存儲于D120 中。值得說明的是，溫度的轉(zhuǎn)換與電壓、電流的轉(zhuǎn)換程序類似，可根據(jù)式（2）和式（3）編寫電壓電流轉(zhuǎn)換程序，具體的實現(xiàn)流程如圖5 所示。

圖5 控制系統(tǒng)流程圖

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生報警時，觸發(fā)表1 中M500-M506 的位變量，這7 個位元件分別對應(yīng)一種報警，當(dāng)比較關(guān)系成立時置位對應(yīng)的位變量，然后在界面進行組態(tài)就能夠?qū)崿F(xiàn)界面報警文字提示。

當(dāng)電壓存儲值寄存器D360≥240 V時觸發(fā)M502，根據(jù)表1，界面可出現(xiàn)監(jiān)測電壓過高的提示。同樣的方法可以觸發(fā)表格中的任意位變量的報警內(nèi)容。

在改進的系統(tǒng)中，核心是控制電磁閥的開通與關(guān)閉，來控制液氮管路中的溫度。具體的實現(xiàn)方法流程圖如圖5 所示，溫度控制程序如圖6 所示，設(shè)D650 為關(guān)閉溫度，D200 為開啟溫度，并且D200≥D650，即當(dāng)實際溫度值D120≥D200（開啟溫度）時，必有D120≥D650。假設(shè)D650=-100 ℃，D200=-90 ℃，D120 為室溫28 ℃。此時，圖5 中判斷程序語句＞=D120 D650,＞=D120 D200 均滿足Y0 閉合，電磁閥開啟。同時Y0 觸點閉合，液氮開始流入管道，溫度開始降低，當(dāng)D120低于-90 ℃時，＞=D120 D200不滿足斷開，但是＞=D120 D650 仍然滿足，直到D120＜-100 ℃時，電磁閥斷開，此時管道內(nèi)的溫度開始上升，直到D120＞-90 ℃時，開始重復(fù)上一個控制流程。

圖6 溫度控制程序

3 溫控過程曲線與分析

3.1 溫控過程曲線對比

針對上海光源現(xiàn)有的液氮溫控箱和改進的液氮控制箱運行情況，得出實時監(jiān)測的溫度過程曲線。為了呈現(xiàn)鮮明的對比，將兩種控制方法的穩(wěn)態(tài)溫度過程曲線繪制于同一圖中，圖7 中粗曲線為該文改進控制器，開啟溫度與關(guān)閉溫度設(shè)定區(qū)間為[-84 ℃,-93 ℃]時的溫度響應(yīng)曲線。細曲線為舊控制器PID 算法，在溫度設(shè)定值為-90 ℃時的溫度響應(yīng)曲線。

圖7 溫度過程曲線對比

3.2 分析

該文采用溫度控制區(qū)間方法。圖7 中，從該文方法的溫度響應(yīng)曲線可以看出，設(shè)置的溫度控制區(qū)間為[-84 ℃,-93 ℃]，當(dāng)溫度高于-84 ℃時，低溫電磁閥（Y0）打開，但是不能瞬間使溫度降低，在超過T1max-83 ℃時，液氮開始迅速流入，溫度快速下降，當(dāng)溫度達到-93 ℃時，Y0 關(guān)閉，達到-94.5 ℃時，才會出現(xiàn)拐點，溫度又再次回升，周而復(fù)始。并且可知，最低溫度T1min達到-96 ℃，在電磁閥由打開到關(guān)閉時，液氮的溫度超調(diào)較大，為2.5 ℃，由于是溫度區(qū)間控制，所以每個周期的波形幾乎一樣，控制較為穩(wěn)定。

在圖7 中舊控制器控制方法響應(yīng)曲線中，設(shè)定的目標(biāo)溫度T2set為-90 ℃，從圖中可以看出，T2max為響應(yīng)過程中最高溫度-85 ℃，T2min為最低溫度-92 ℃，溫度超調(diào)可達7 ℃，并且存在失控現(xiàn)象，失控后管路溫度急劇下降，最后朝著液氮的溫度逼近。

兩者差異之處：PID 控制方法由于開通與關(guān)閉時間的不固定導(dǎo)致波形的紋波較大。并且在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)電磁閥的溫控區(qū)間差值在2 ℃以上時，通斷次數(shù)明顯比PID 控制方法的通斷次數(shù)少，溫差區(qū)間越大開通頻率越低，這有利于延長低溫電磁的使用壽命。由此可得出結(jié)論，舊控制器的PID 算法容易發(fā)生失控現(xiàn)象，電磁閥通斷次數(shù)不可控，不太適用于液氮電磁閥的開關(guān)控制。

4 結(jié)束語

通過比較舊控制系統(tǒng)與改進的控制系統(tǒng)，改進的系統(tǒng)操作更加便捷與智能化。發(fā)生故障時，界面能給予提示，方便排查故障；從控制方式來看，區(qū)間控制方法更適用于大慣性的負載，不會發(fā)生失控現(xiàn)象，運行更加穩(wěn)定；并且系統(tǒng)通過DA 轉(zhuǎn)換接口可以連接另一個控制器的AD 接口，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的讀取?？梢苑奖銈鬏敎囟?、電壓、電流參數(shù)到其他的控制柜進行監(jiān)測，提高了系統(tǒng)的擴展性。當(dāng)然，該系統(tǒng)功能還有待完善，可以加入物聯(lián)網(wǎng)模塊，增加手機監(jiān)控、下發(fā)短信等功能，這樣系統(tǒng)會更加智能化，有利于系統(tǒng)的維護和設(shè)備的管理。