PLC技術在強制循環式熱空氣老化試驗機中的應用

惠州出入境檢驗檢疫局 郭 珩

高鐵檢測儀器東莞有限公司 桂春雷

惠州出入境檢驗檢疫局 李 芹

1.引言

強制通風熱空氣老化試驗機是材料老化性能測試必不可少的設備。UL817和UL746B明確提出，高分子材料及相關制品進行人工老化測試需要使用強制循環式熱空氣老化試驗設備。ASTM D5374和ASTM D5423對這類儀器的實驗方法和參數設定進行了約定，提出以消耗電能法來計算老化箱中的換氣速率。

目前市場上大量生產的熱空氣老化試驗機，大都采用傳統的瓦時計，通過手工計算換氣率來調節換氣閥，無法迅速準確地達到標準所要求的換氣速率，尤其是在環境溫度、實驗溫度及換氣量等因素同時發生變化時，手動調節方式帶來更大的試驗誤差。由于操作復雜，還會導致很多人為操作誤差。例如很多用戶在試驗中，往往不考慮環境溫度，隨意調節氣門開啟的大小，造成換氣次數的不確定，使材料熱空氣老化試驗數據失去研究價值。

可編程控制器(Programmable Logic Controller，簡稱PLC)目前已廣泛應用于工業裝備的各個領域。采用PLC設計強制通風的熱空氣老化自控系統，可實現對整個換氣老化試驗箱系統的參數設定、指令控制和工作監測等功能。本研究以PLC為基礎，通過試驗箱環境參數的數據分析，應用多種現代工業控制新技術，設計出全自動強制通風的熱空氣老化試驗機，有效的解決了傳統強制通風熱老化試驗機的換氣設定效率低的問題。

2.老化試驗機換氣次數的計算方法

根據ASTM D5374和ASTM D5423，在強制循環式熱空氣老化試驗中，老化試驗箱換氣次數的計算可以參考如下公式：

式中：N=每小時的換氣次數

P1=全閉合功率，即在無通風情況下，讀取測定的試驗箱風機能量消耗除以測試的時間(小時)所得的值。單位為瓦特W

P2=通風期間的平均電力消耗，以相同的方式計算而來，單位為瓦特W

V=老化機中循環空氣的總容積，單位為m3

ρ=測試期間周圍室內空氣的密度，單位為kg/m3

T=老化機內部溫度和環境室溫之間的溫差，單位.為℃

通過電熱式換氣率計算公式，為了在實驗設定中實現“當前換氣次數”的即時顯示，需要使用PLC技術解決以下三個參數。

2.1 老化試驗機全閉合功率校正曲線的建立

老化試驗箱達到不同測量溫度點所需的全閉功率差異是非常大的。傳統的換氣老化試驗機，必須在每次測試前，根據環境的變化反復確認全閉消耗功率。而測試一次全閉消耗功率需要至少30分鐘，效率極低。因此，本文采用PLC的運算功能，通過對老化試驗箱的設定溫度和全閉功率的實測和校正，運用非線性回歸分析，獲得老化試驗箱全閉功率函數方程。由圖1可見，不同測試溫度下，老化試驗箱的全閉功率數據與實際測試的數據之間有較好的重合性。

“全閉功率—溫度”函數方程的建立，為老化試驗箱“當前換氣次數”的自動計算，奠定基礎。

圖1 不同測試溫度條件下，老化機全閉功率的測量值和擬合值的線性關系圖

2.2 測試期間老化試驗箱周圍室內空氣密度的確定

不同環境溫度下，箱體的空氣密度不同。由于式1與測試期間周圍室內空氣的密度有關，本文將不同溫度條件下的空氣密度，通過“空氣密度—溫度”函數方程進行表征，解決了不同溫度下，由于空氣密度不同而導致“當前換氣次數”自動計算困難的問題。

2.3 測試期間環境溫度的變化

傳統老化機只能在測試前，根據當時的環境溫度，進行換氣次數的計算。但是，一次換氣熱老化實驗時間至少6小時以上。在如此長的測試時間中，環境溫度的變化是不可避免的，為了消除此項所產生的不確定性。全自動可編程換氣老化試驗機控制系統，外接了一路溫度傳感器，對環境溫度進行了即時監測。

3.全自動可編程換氣老化試驗機工作流程圖

在上述參數確定方案基礎上，根據式1，編寫老化試驗機工作流程圖，見圖2。

圖2 全自動可編程換氣老化試驗機工作流程圖

4.全自動強制循環式熱空氣老化機控制結構

如圖3控制結構框圖所示，操作者可通過工業觸摸屏（HMI）或PC，設定實驗需要的溫度和換氣次數。此時，PLC根據事先通過擬合的內置的數學模型，控制伺服到預定位置。

圖3 全自動強制通風的熱空氣老化機控制結構框圖

PLC接收到箱體內的溫度傳感器的數據，首先運用PID技術調節SCR，進行溫度的運算和控制；由于經過SCR器件控制后的電力波形和標準正弦波之間存在太大的差異，為了計量準確，采用真有效值的電壓和電流傳感器，采集加熱器端的電力數據，采用積分算法獲得消耗的電熱功率數據。然后，根據即時偵測的箱體外溫度傳感器的數據，計算當前換氣率，并顯示在HMI或PC上位機上，見圖4。當箱體在設定溫度達到熱平衡時，PLC開始根據外部溫度、空氣流動速度的變化，運用比較算法采用位置控制模式，自動調節伺服。利用伺服驅動“進氣流量調節機構”來達到控制箱體換氣率的目的。

此外，由于采用PLC技術平臺，可以根據需要編寫相應程序，達到可以選擇“定斜率升溫控制模式”和“階躍升溫模式”進行預先設定多種溫度的變溫測試。同時，在上位機利用Siemens公司提供的PC Access作為OPC（OLE for Process Control）服務器，使用Visual Basic語言編寫Siemens PLC的客戶機PC控制程序，從而可以更輕松地獲得遠程控制和多臺老化機系統集成控制功能和數據處理能力。

5.結論

本文以PLC技術為基礎，結合各種傳感器和伺服技術。成功設計出能夠自動計算和控制換氣率的“全自動強制循環式熱空氣老化試驗機”，為老化檢測儀器領域的應用提供了新的思路。實踐證明，換氣率控制穩定性較早期產品有明顯提高，降低測試系統的不確定性。在操作性方面，比“普通強制通風的熱空氣老化試驗機”更簡潔高效。

[1]UL817 Cord Sets and Power-Supply Cords[S].

[2]UL746B Polymeric Materials-Long Term Property Evaluations[S].

[3]ASTM D5374-93 Standard Test Methods for Forced-Convection Laboratory Ovens for Evaluation of Electrical Insulation[S].

[4]ASTM D5423-93 Standard Specification for Forced-Convection Laboratory Ovens for Evaluation of Electrical Insulation[S].

[5]楊剛.熱老化試驗箱換氣次數測定方法的探討[J].計量與測試技術,1996(5):14-15.

[6]GB/T 7141-92塑料熱空氣暴露試驗方法Plastics-Methods of exposure to thermal air[S].錄D.