兩箱臥式平移溫度沖擊試驗箱控制系統設計

趙 帥，馬學煥，孫 剛，邱 彪，王 昆，張宗峰，陳根重

（中國電子科技集團第十六研究所安徽億瑞深冷能源科技有限公司，合肥 230043）

引言

溫度沖擊試驗箱是一種為測試產品提供極高溫和極低溫環境并在短時間內進行冷熱沖擊的環境試驗設備，主要用于電子、通訊、材料、儀器儀表、科研等領域的產品進行安全可靠性試驗和產品篩選試驗，以測試產品因熱脹冷縮而產生的結構和形態變化或物理損傷，是進行技術開發、生產和質量控制等科研生產的理想環境試驗設備。

根據樣品在試驗過程中的狀態不同，溫度,沖擊試驗箱分為靜態溫度沖擊箱（樣品靜止不動）和動態溫度沖擊箱（樣品隨樣品籃移動），根據樣品籃的移動方式不同，動態溫度沖擊箱又可分為立式升降和臥式平移兩種類型，動態立式升降沖擊箱主要用于小載荷（如IC模塊）的試驗，臥式平移沖擊箱主要用于大負載樣品的溫度沖擊試驗。本文所論述的為兩箱臥式平移溫度沖擊箱，其主要性能指標如下：

1）樣品籃內容積：500 L

2）極限溫度范圍：-75～+200 ℃

3）溫度沖擊范圍：-65～+150 ℃

4）溫度轉換時間：≤ 10 s

5）溫度恢復時間：≤ 5 min（40 kg鋁錠）

6）溫度偏差：≤ ±2.0 ℃

7）溫度波動度：≤ 1 ℃

1 設備簡介

該溫度沖擊試驗箱主要由高溫室、低溫室、加熱系統、復疊制冷系統、水循環冷卻系統、樣品籃傳動系統及控制系統等組成，其具體結構如圖1所示。沖擊箱兩個工作室分別為高溫室和低溫室，在做由高溫向低溫沖擊試驗時，樣品籃首先處在高溫室按設定溫度進行高溫試驗，此時低溫室處于預冷工作狀態，當運行到設定沖擊時間時，傳動機構將會帶動樣品籃由高溫室向低溫室移動，移動到低溫室以后，樣品在低溫室按設定溫度進行低溫試驗，此時高溫室處于預熱工作狀態，在做由低溫向高溫沖擊試驗時，過程與上述相反。

該試驗箱主要控制要求有：

1）為滿足試驗箱預冷溫度-75 ℃和溫度恢復時間≤5 min的工作要求，制冷系統采用二元復疊制冷循環的制冷方式，在兩臺壓縮機的啟動順序以及眾多制冷閥和旁通閥的控制方面提出了一定的要求，尤其是在溫度沖擊過程中對冷量的調節控制將直接影響控溫的精度。

2）高溫室和低溫室均裝有大功率加熱器，在溫度沖擊過程中，需要解決快速升溫和精確控溫的矛盾問題，對加熱器的控制提出了較高的要求，此外，低溫室加熱器還需具有除霜功能。

3）樣品籃傳動系統采用傳動效率較高的鏈傳動方式，在溫度沖擊時，對傳動電機的控制和樣品籃移動的準確定位提出了嚴格要求，樣品籃定位的準確性將直接影響低溫室和高溫室的密封，進而影響升降溫速度和控溫精度。

圖1 兩箱臥式平移溫度沖擊試驗箱結構示意圖

4）為了保證溫度沖擊試驗箱的運行安全，控制系統設置了大量的報警保護信息，如箱門開關、水壓報警、過熱保護、壓縮機過載保護等，對控制系統的報警信號處理提出了可靠性要求。

2 硬件系統設計

溫度沖擊試驗箱控制系統硬件主要由日本優易控UMC1300系列溫度沖擊程序控制器、S7-SMART PLC控制器、開關按鍵、溫度傳感器、低壓電器及被控元器件等構成。硬件結構框圖如圖2所示。PLC控制器通過接收來自水壓開關、過載報警以及溫度控制器的溫度范圍報警等輸入信號，經過PLC內部邏輯運算處理后，通過輸出模塊控制制冷壓縮機、電加熱器、移動電機等控制對象。

2.1 PLC選型及I/O點地址分配

根據兩箱臥式平移溫度沖擊試驗箱的控制要求，共計38個數字量輸入信號，輸出點數有28個，PLC具體的的I/O輸入輸出點地址分配如表1、表2所示。

根據I/O點的個數，控制器最終選擇了西門子S7-200 SMART系列的ST60 CPU及32點數的數字量擴展模塊。溫控器選用日本優易控UMC1300系列高低溫沖擊控制器，其具有溫度顯示、邏輯運算控制、試驗數據的存儲、曲線查詢以及故障提醒等功能，是溫度沖擊試驗箱的PID控制核心。

圖2 硬件系統組成框圖

表1 PLC輸入點地址分配表

2.2 電氣原理圖設計

溫度沖擊箱試驗箱控制系統電氣原理圖包括強電供電部分和弱電控制電路兩部分，強電供電采用三相五線制，依據弱電控制強電的原則，控制電路主要是通過PLC 24 V電壓輸出控制中間繼電器線圈，繼電器觸點控制接觸器，從而實現對制冷壓縮機、加熱器、循環風機等控制對象的啟停控制及傳動電機正反轉互鎖控制以及PLC輸入輸出的外部鏈接控制電路。由于制冷系統的低溫級壓縮機必須在高溫級壓縮機開啟以后，通過一定的延時才能啟動，兩級制冷壓機的接觸器在電路連接上做了互鎖，從而保證了系統的安全運行。

沖擊箱在控溫工作時，溫控器會根據箱體內實際溫度的上下波動通過PID運算控制加熱器的頻繁啟停來控制熱量的輸出來，保證控溫精度。在硬件設計時選擇了美國快達三相固態繼電器，通過PLC以及溫度沖擊控制器的輸出來共同控制固態繼電器的控制元件，從而解決了大功率加熱器的頻繁的啟停問題。

3 軟件系統設計

溫度沖擊試驗箱控制系統軟件程序結構框圖如圖4所示。

表2 PLC輸出點地址分配表

圖3 部分電氣控制原理圖

3.1 PLC軟件程序設計

PLC程序是使用西門子梯形圖語言進行編寫，采用程序模塊化控制思想，由主程序和若干子程序組成，PLC子程序有樣品籃平移、加熱運行、制冷運行、報警指示和輔助功能等。設備在調試的過程中，尤其是移動樣品籃安裝調試時，采用手動控制。根據溫度沖擊箱的控制要求，PLC控制器會根據設定好的溫度沖擊試驗工藝程序來實現對移動電機、電磁閥、制冷壓縮機、加熱器等控制對象的順序啟停控制。

圖4 控制系統軟件結構框圖

為保證溫度沖擊試驗箱的安全運行，該控制系統設置了大量的報警信號，設備開機前，系統程序會對箱門開關信號、樣品籃移動到位信號以及水流量開關信號等進行自動檢測，以判斷是否具備開機條件；當在設備運行中出現壓縮機過熱保護、高壓報警、過熱保護、電機過載保護等報警信息時，控制系統會自動停機。報警信息同時會輸入高低溫程序控制器，并通過自帶觸摸屏實時顯示報警信息，提醒用戶及時解除報警。

3.2 溫度控制器軟件設計

溫控器軟件設計主要通過觸摸屏對其控制器系統內部的主要參數進行設置，并進行相應的邏輯編程設計，包括DHF/DLF溫度偏差報警設置、IS溫度范圍設置、EVT設置、DO設置以及PID參數設置等。觸摸屏監測界面如圖5所示。

3.3 溫度冷熱沖擊的實現

兩箱臥式平移溫度沖擊試驗箱溫度沖擊試驗具體過程以85 ℃高溫與-55 ℃低溫循環沖擊舉例介紹。

開機前，首先通過溫控器的觸摸屏界面設置編輯試驗工藝如表3所示。開機時，盛放樣品的樣品籃會根據所處位置自動判斷移動方向，在向高溫室移動到位后，樣品籃的兩個側壁將沖擊箱內部分成兩個獨立密閉的空間，樣品籃所在的高溫室將啟動加熱器進行85 ℃高溫控溫試驗，而此時低溫室將啟動制冷機組進行-70 ℃預冷控溫試驗。當高溫室運行時間到達設定的60 min時，PLC將接收到溫控器發出的高溫試驗結束信號，系統將控制移動電機帶動樣品籃由高溫室向低溫室快速移動，在移動的過程中，低溫室和高溫室將會進行短暫的冷熱空氣對流，同時樣品籃中的樣品負載也會將高溫室中的熱量帶入低溫室，低溫室內的溫度在短時間內快速升高，在10S溫度轉換時間內，樣品籃會快速移動到位。

當低溫試驗運行時間到達45 min時，PLC將接收到低溫試驗結束信號，系統將控制樣品籃由低溫室向高溫室快速移動，同樣，在移動過程中，高溫室內溫度會由于大量的冷量進入而升高，當樣品籃快速移動到位后，系統將全功率啟動高溫室加熱器快速升溫，在五分鐘內溫度恢復到85 ℃高溫，此時低溫室將進行-70 ℃預冷控溫試驗。至此，低溫沖擊高溫試驗結束。當循環次數完成時，整個溫度沖擊循環實驗結束。

該系統低溫室還具有自動除霜功能，在沖擊試驗結束后，可通過觸摸屏設置除霜溫度和運行時間，使低溫室進行除霜工作，減少低溫室結霜現象的發生，有利于保護制冷機組。

圖5 觸摸屏監視界面

表3 85 ℃沖擊-55 ℃試驗工藝

圖6 兩箱臥式溫度沖擊試驗箱實物圖

4 結束語

該兩箱臥式平移溫度沖擊試驗箱控制系統實現了試驗箱的高低溫冷熱沖擊的工作要求，解決了溫度沖擊時溫度快速升降溫與控溫的矛盾，樣品籃傳動平穩、密封可靠。目前，該試驗箱在用戶廠家運行使用良好。

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