高低溫設(shè)備超溫安全保護(hù)系統(tǒng)研究

江淑惠

（廈門(mén)市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，福建 廈門(mén)361000）

1 研究背景

我院曾經(jīng)在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)一臺(tái)步入式高低溫試驗(yàn)箱，在試驗(yàn)溫度為-25～60℃的循環(huán)程序試驗(yàn)中，環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備出現(xiàn)“死機(jī)”現(xiàn)象，按觸摸屏無(wú)反應(yīng)，機(jī)器顯示處于程序運(yùn)行狀態(tài)，顯示的記錄溫度60℃，而試驗(yàn)箱內(nèi)樣品溫度卻達(dá)到190℃以上（該試驗(yàn)箱的試驗(yàn)溫度范圍為-50～100℃），也無(wú)法切換工作模式，只有關(guān)掉設(shè)備總電源。隨后設(shè)備生產(chǎn)廠家趕到現(xiàn)場(chǎng)，重新啟動(dòng)開(kāi)機(jī)后，對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備工作正常，沒(méi)有任何異常情況，無(wú)法解釋“死機(jī)”的原因。但在這次試驗(yàn)設(shè)備“死機(jī)”中卻導(dǎo)致了這批樣品的損壞報(bào)廢。因此，如何提高環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)的可靠性，確保樣品的安全是首要研究的課題。

2 研究的目的和意義

環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備是一種用于評(píng)價(jià)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性和質(zhì)量的設(shè)備，主要用于考核產(chǎn)品在不同的溫度、濕度、氣壓及其組合變化的環(huán)境條件中的性能，許多電子元器件在研發(fā)階段、正式投入使用或批量生產(chǎn)前都需要進(jìn)行氣候適應(yīng)性的試驗(yàn)，以檢驗(yàn)其性能指標(biāo)的穩(wěn)定性。從手機(jī)、家電等各種民用產(chǎn)品到衛(wèi)星、導(dǎo)彈等軍工產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的電子零部件和整機(jī)都需要進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)。因此，環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備在科學(xué)試驗(yàn)及產(chǎn)品測(cè)試中發(fā)揮著極其重要且不可替代的作用，環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的正常運(yùn)行是保證試驗(yàn)正常進(jìn)行的一個(gè)基本條件。

由于環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備一般持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，多臺(tái)不同試驗(yàn)條件設(shè)備同時(shí)工作，電網(wǎng)電源波動(dòng)，工作時(shí)伴有噪聲、振動(dòng)等，環(huán)境較為惡劣，可能會(huì)出現(xiàn)設(shè)備控制系統(tǒng)“死機(jī)”，導(dǎo)致執(zhí)行元件失控，在運(yùn)行過(guò)程中突然加熱不受控制或者制冷控制系統(tǒng)工作異常。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，輕則可能會(huì)由于其溫度不在指定的范圍內(nèi)而造成測(cè)試結(jié)果不正確，重則會(huì)造成被測(cè)產(chǎn)品由于過(guò)熱或過(guò)冷而損壞，嚴(yán)重時(shí)可能引起火災(zāi)，危及人的生命財(cái)產(chǎn)安全。所以，在環(huán)境試驗(yàn)箱出現(xiàn)故障時(shí)，要及時(shí)切斷總供電電源，從而保護(hù)樣品及設(shè)備的安全。因此，對(duì)當(dāng)環(huán)境試驗(yàn)中的高低溫設(shè)備及試驗(yàn)樣品出現(xiàn)超溫時(shí)能自動(dòng)切斷總電源的安全保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行研究是很有必要的。

3 環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的現(xiàn)狀

3.1 環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的種類(lèi)

環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的種類(lèi)有低壓（高空）試驗(yàn)箱、高溫試驗(yàn)箱、低溫試驗(yàn)箱、熱沖擊試驗(yàn)箱、濕熱試驗(yàn)箱、鹽霧試驗(yàn)箱。而現(xiàn)今比較多是集合了高溫、低溫、濕熱為一體的試驗(yàn)箱。

3.2 環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的品牌

環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的品牌包括espec（上海）、ACS（意大利）、Votsch（德國(guó)）、Envirotronics（美國(guó)環(huán)測(cè)）、GWS（廣州五所）等。

3.3 環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的基本構(gòu)成

環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的基本構(gòu)成如圖1所示，環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備通常由試驗(yàn)室、制冷機(jī)組、控制系統(tǒng)組成。還包括試驗(yàn)室內(nèi)樣品區(qū)、空氣調(diào)節(jié)通道（加熱器、蒸發(fā)器、加濕器、風(fēng)機(jī)、干球和濕球溫度傳感器）。其工作原理為：將樣品放入樣品區(qū)，從操作面板給定試驗(yàn)條件（溫度/濕度），控制系統(tǒng)發(fā)出指令啟動(dòng)風(fēng)機(jī)工作，并根據(jù)試驗(yàn)的溫濕度設(shè)定值，控制加熱器、蒸發(fā)器、加濕器工作。風(fēng)機(jī)在設(shè)備運(yùn)行后一直工作，控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器測(cè)量反饋得到樣品區(qū)的實(shí)際溫度和濕度，采用一定的調(diào)節(jié)規(guī)律控制加熱器、加濕器、制冷機(jī)等部件的工作，從而達(dá)到試驗(yàn)要求的溫度和濕度。

圖1 環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備示意圖

3.4 設(shè)備控制系統(tǒng)的基本功能

設(shè)備控制系統(tǒng)普遍采用具有PID運(yùn)算功能的PLC再配上LCD觸摸屏；通過(guò)LCD觸摸屏完成操作界面的功能，由PLC完成模擬量測(cè)量、PID溫度/濕度調(diào)節(jié)、邏輯控制。

環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)如圖2所示，設(shè)備控制系統(tǒng)要完成的基本功能是：試驗(yàn)曲線的輸入和設(shè)備狀態(tài)的指示，溫度/濕度的測(cè)量和調(diào)節(jié)，各種被控對(duì)象如風(fēng)機(jī)、加熱器、加濕器、制冷系統(tǒng)管路的控制，設(shè)備安全保護(hù)狀態(tài)的檢測(cè)。

圖2 環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)

PLC邏輯框圖如圖3所示，PLC是可編程邏輯控制器，實(shí)質(zhì)上是一種專(zhuān)用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同?；緲?gòu)成為電源、中央處理單元（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路、通信接口。

圖3 PLC邏輯框圖

目前高低溫濕熱試驗(yàn)箱的控制系統(tǒng)，所有檢測(cè)信息（包括溫度超溫保護(hù)）均通過(guò)PLC可編程邏輯控制器進(jìn)行集中處理后輸出控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3.5 存在的問(wèn)題

PLC輸出控制信號(hào)僅驅(qū)動(dòng)外部機(jī)構(gòu)的KM線圈，不直接控制負(fù)載回路電源。如果接觸器失靈，觸點(diǎn)異常導(dǎo)通，負(fù)載回路電源就一直通電。

超溫安全保護(hù)是通過(guò)PLC輸出控制。萬(wàn)一控制系統(tǒng)出現(xiàn)“死機(jī)”，無(wú)法通過(guò)正常的信號(hào)控制切斷加熱器的電源，使得加熱器持續(xù)工作發(fā)熱，這種情況可能會(huì)將箱內(nèi)測(cè)試的樣品全部燒壞并造成試驗(yàn)箱著火。

4 研究?jī)?nèi)容

高低溫設(shè)備超溫安全保護(hù)系統(tǒng)圖（獨(dú)立第二重超溫保護(hù)系統(tǒng)）如圖4所示。

圖4 高低溫設(shè)備超溫安全保護(hù)系統(tǒng)圖

通過(guò)在環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)加裝一組溫度傳感器TP100（溫度檢測(cè)范圍-100～200℃），當(dāng)試驗(yàn)箱工作，溫度超過(guò)設(shè)置值（設(shè)置值高于所做試驗(yàn)最高溫度10℃和最低溫度-10℃）時(shí)，數(shù)顯溫控儀EM905（RS-485 Modbus協(xié)議）將輸出驅(qū)動(dòng)電壓，繼電器（正泰JZX-2Z支持220 V電壓和最大12A的工作電流）導(dǎo)通，分勵(lì)斷路器（宏發(fā)UEM5-100M塑殼斷路器（帶分勵(lì)脫扣器）脫扣，試驗(yàn)設(shè)備總電源關(guān)閉。實(shí)現(xiàn)獨(dú)立第二重超溫保護(hù)，有效保護(hù)了試驗(yàn)箱系統(tǒng)。

此外，采用顯控AST-100UHS-TE觸摸屏，以Modbus協(xié)議為通信協(xié)議的數(shù)顯溫控儀“一屏多機(jī)”的連接方式，即一臺(tái)觸摸屏可以直接與之相連接的多臺(tái)數(shù)顯溫控儀的寄存器地址進(jìn)行操作。使觸摸屏作為“主站”，數(shù)顯溫控儀都作為“從站”。一臺(tái)觸摸屏可連接16臺(tái)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備，即實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測(cè)。觸摸屏內(nèi)置網(wǎng)卡，通過(guò)Wi-Fi、手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測(cè)。

5 結(jié)論

環(huán)境試驗(yàn)中高低溫設(shè)備超溫安全保護(hù)系統(tǒng)采用與設(shè)備控制系統(tǒng)物理隔離的方式，直接從電網(wǎng)供電，獨(dú)立于溫度傳感器及溫度控制系統(tǒng)。當(dāng)試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度過(guò)高時(shí)，超溫保護(hù)器可以起到緊急停機(jī)作用，有效保護(hù)試驗(yàn)箱系統(tǒng)和試驗(yàn)樣品安全，延長(zhǎng)試驗(yàn)設(shè)備壽命，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)集中監(jiān)控及手機(jī)APP遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，降低了人力成本，提高了工作效率。