PLC技術(shù)在強制循環(huán)式熱空氣老化試驗機中的應(yīng)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(fēng)熱空氣老化試驗機是材料老化性能測試必不可少的設(shè)備。UL817和UL746B明確提出，高分子材料及相關(guān)制品進行人工老化測試需要使用強制循環(huán)式熱空氣老化試驗設(shè)備。ASTM D5374和ASTM D5423對這類儀器的實驗方法和參數(shù)設(shè)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(chǎn)的熱空氣老化試驗機，大都采用傳統(tǒng)的瓦時計，通過手工計算換氣率來調(diào)節(jié)換氣閥，無法迅速準(zhǔn)確地達到標(biāo)準(zhǔn)所要求的換氣速率，尤其是在環(huán)境溫度、實驗溫度及換氣量等因素同時發(fā)生變化時，手動調(diào)節(jié)方式帶來更大的試驗誤差。由于操作復(fù)雜，還會導(dǎo)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(huán)境溫度，隨意調(diào)節(jié)氣門開啟的大小，造成換氣次數(shù)的不確定，使材料熱空氣老化試驗數(shù)據(jù)失去研究價值。

可編程控制器(Programmable Logic Controller，簡稱PLC)目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)裝備的各個領(lǐng)域。采用PLC設(shè)計強制通風(fēng)的熱空氣老化自控系統(tǒng)，可實現(xiàn)對整個換氣老化試驗箱系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定、指令控制和工作監(jiān)測等功能。本研究以PLC為基礎(chǔ)，通過試驗箱環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)分析，應(yīng)用多種現(xiàn)代工業(yè)控制新技術(shù)，設(shè)計出全自動強制通風(fēng)的熱空氣老化試驗機，有效的解決了傳統(tǒng)強制通風(fēng)熱老化試驗機的換氣設(shè)定效率低的問題。

2.老化試驗機換氣次數(shù)的計算方法

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

式中：N=每小時的換氣次數(shù)

P1=全閉合功率，即在無通風(fēng)情況下，讀取測定的試驗箱風(fēng)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(fēng)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(huán)空氣的總?cè)莘e，單位為m3

ρ=測試期間周圍室內(nèi)空氣的密度，單位為kg/m3

T=老化機內(nèi)部溫度和環(huán)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(shè)定中實現(xiàn)“當(dāng)前換氣次數(shù)”的即時顯示，需要使用PLC技術(shù)解決以下三個參數(shù)。

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(tǒng)的換氣老化試驗機，必須在每次測試前，根據(jù)環(huán)境的變化反復(fù)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(shè)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(shù)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(shù)據(jù)與實際測試的數(shù)據(jù)之間有較好的重合性。

“全閉功率—溫度”函數(shù)方程的建立，為老化試驗箱“當(dāng)前換氣次數(shù)”的自動計算，奠定基礎(chǔ)。

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(guān)系圖

2.2 測試期間老化試驗箱周圍室內(nèi)空氣密度的確定

不同環(huán)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(nèi)空氣的密度有關(guān)，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(shù)方程進行表征，解決了不同溫度下，由于空氣密度不同而導(dǎo)致“當(dāng)前換氣次數(shù)”自動計算困難的問題。

2.3 測試期間環(huán)境溫度的變化

傳統(tǒng)老化機只能在測試前，根據(jù)當(dāng)時的環(huán)境溫度，進行換氣次數(shù)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(huán)境溫度的變化是不可避免的，為了消除此項所產(chǎn)生的不確定性。全自動可編程換氣老化試驗機控制系統(tǒng)，外接了一路溫度傳感器，對環(huán)境溫度進行了即時監(jiān)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(shù)確定方案基礎(chǔ)上，根據(jù)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(huán)式熱空氣老化機控制結(jié)構(gòu)

如圖3控制結(jié)構(gòu)框圖所示，操作者可通過工業(yè)觸摸屏（HMI）或PC，設(shè)定實驗需要的溫度和換氣次數(shù)。此時，PLC根據(jù)事先通過擬合的內(nèi)置的數(shù)學(xué)模型，控制伺服到預(yù)定位置。

圖3 全自動強制通風(fēng)的熱空氣老化機控制結(jié)構(gòu)框圖

PLC接收到箱體內(nèi)的溫度傳感器的數(shù)據(jù)，首先運用PID技術(shù)調(diào)節(jié)SCR，進行溫度的運算和控制；由于經(jīng)過SCR器件控制后的電力波形和標(biāo)準(zhǔn)正弦波之間存在太大的差異，為了計量準(zhǔn)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(shù)據(jù)，采用積分算法獲得消耗的電熱功率數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)即時偵測的箱體外溫度傳感器的數(shù)據(jù)，計算當(dāng)前換氣率，并顯示在HMI或PC上位機上，見圖4。當(dāng)箱體在設(shè)定溫度達到熱平衡時，PLC開始根據(jù)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(diào)節(jié)伺服。利用伺服驅(qū)動“進氣流量調(diào)節(jié)機構(gòu)”來達到控制箱體換氣率的目的。

此外，由于采用PLC技術(shù)平臺，可以根據(jù)需要編寫相應(yīng)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(yù)先設(shè)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(wù)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(tǒng)集成控制功能和數(shù)據(jù)處理能力。

5.結(jié)論

本文以PLC技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合各種傳感器和伺服技術(shù)。成功設(shè)計出能夠自動計算和控制換氣率的“全自動強制循環(huán)式熱空氣老化試驗機”，為老化檢測儀器領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路。實踐證明，換氣率控制穩(wěn)定性較早期產(chǎn)品有明顯提高，降低測試系統(tǒng)的不確定性。在操作性方面，比“普通強制通風(fēng)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(shù)測定方法的探討[J].計量與測試技術(shù),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.