PAS500在文物展柜凈化調(diào)濕裝置中的應(yīng)用

裘宏波，裴文龍，程海栗

（重慶川儀自動化股份有限公司，重慶 401121）

0 引言

文物是傳承歷史的重要符號，是一種不可再生的文化資源，它不僅是進(jìn)行傳統(tǒng)文化教育的重要載體，而且具有重要的歷史研究價值、科學(xué)研究價值和經(jīng)濟(jì)價值。溫度、濕度、光輻射、空氣污染物和微生物等外界的環(huán)境因素對文物的保存有很大的影響?？茖W(xué)、有效地監(jiān)控文物所處的環(huán)境參數(shù)，提供適合文物存放的環(huán)境條件，可以有效地延緩文物老化腐蝕的速度，進(jìn)而延長文物的壽命。

文物展柜是文物存放和展陳的重要器具，是博物館展廳不可或缺的組成部分。展柜的主要功能是既能持續(xù)、恒定地為文物提供適宜的保存環(huán)境，又能使文物呈現(xiàn)更好的展示效果。智能文物展柜集自動化控制技術(shù)于文物展柜，其主體由玻璃面、金屬骨架、特制柜門開啟機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)和專用標(biāo)準(zhǔn)零部件等組成，并且可單獨(dú)配置照明系統(tǒng)、恒溫恒濕系統(tǒng)、抗震系統(tǒng)和安防系統(tǒng)等。

PAS500是重慶川儀自動化股份有限公司自主設(shè)計、研發(fā)和制造的一種過程自動化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于冗余集散型控制系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計，模塊化設(shè)計思想和開放性的設(shè)計理念，使該系統(tǒng)具備良好的開放性和擴(kuò)展性，適用于石油、化工、冶金、輕工、能源和環(huán)保等行業(yè)的過程自動化控制。PAS500是一種基于工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的控制系統(tǒng)，應(yīng)用在文物展柜控制中具有更高的可靠性和穩(wěn)定性。

溫度、濕度以及空氣壓力和清潔度是文物存放的主要環(huán)境指標(biāo)。存放不同文物的最佳環(huán)境條件也有所不同。本文在簡要介紹重慶川儀自動化股份有限公司研制的智能展柜凈化調(diào)濕裝置原理的基礎(chǔ)上，闡述用PAS500完成該裝置監(jiān)控功能的實現(xiàn)方法和過程。

1 監(jiān)控裝置總體方案

本文涉及的智能展柜凈化調(diào)濕裝置主要功能是空氣凈化、氣壓調(diào)節(jié)、濕度調(diào)節(jié)和溫度調(diào)節(jié)等，其設(shè)計原理如圖1所示。展柜是一個密閉的容器，通過進(jìn)氣口和出氣口與凈化調(diào)試裝置連接，形成一個氣體循環(huán)回路。在展柜合適的位置安裝溫度、濕度、氣壓和污染物測量儀表，以獲取展柜相關(guān)環(huán)境參數(shù)。若檢測到污染物超標(biāo)，則導(dǎo)通并使能空氣凈化裝置，對回路氣體進(jìn)行凈化。若檢測到氣壓低，則導(dǎo)通并打開抽氣泵1并使能空氣凈化裝置，向回路中注入空氣。若檢測到氣壓高，則導(dǎo)通并打開抽氣泵2，同時使能廢氣處理裝置，將回路中的部分氣體抽出。若檢測到濕度低，則導(dǎo)通水箱，對回路氣體進(jìn)行加濕處理。水箱中的水由自動補(bǔ)水裝置提供，若水量不足，則啟動自動補(bǔ)水裝置向水箱中注水；若水量過剩，則將過剩的水排到自動補(bǔ)水裝置供后續(xù)利用。若檢測到濕度高，則導(dǎo)通并使能除濕裝置，對回路氣體進(jìn)行除濕處理。若檢測到溫度低，則導(dǎo)通并使能加溫裝置，對回路氣體進(jìn)行加溫處理。若檢測到溫度高，則導(dǎo)通并使能降溫裝置，對回路氣體進(jìn)行降溫處理。

圖1 凈化調(diào)濕裝置工作原理圖Fig.1 Purifying humidifier diagram

表1 模塊通道定義表Table 1 Module channel definition table

2 PAS500實現(xiàn)監(jiān)控功能

2.1 PAS500系統(tǒng)構(gòu)成

PAS500是一種基于集散型控制系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計的過程控制系統(tǒng)，由輸入輸出層、控制層和監(jiān)控層構(gòu)成。輸入輸出層由各種IO模塊組成，用于輸入信號采集和控制信號輸出?？刂茖拥闹饕考强刂破?，其主要功能是獲取各類輸入信號，根據(jù)組態(tài)程序執(zhí)行控制邏輯，以及控制輸出模塊的信號輸出。PAS500控制器基于X86工控板平臺設(shè)計，操作系統(tǒng)是Linux。運(yùn)行于控制器上的控制軟件符合IEC 61131標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)控層由操作站和工程師站等部分構(gòu)成。操作站的功能是獲取和顯示監(jiān)視信息，并根據(jù)應(yīng)用需求發(fā)送操作指令到控制器。工程師站具備前述操作站的功能，但其更主要的功能是對系統(tǒng)進(jìn)行配置并實現(xiàn)控制程序和監(jiān)控畫面組態(tài)的設(shè)計、修改、維護(hù)以及調(diào)試等功能。

圖2 濕度調(diào)節(jié)算法流程Fig.2 Control algorithm

2.2 輸入輸出層配置

在該應(yīng)用中，輸入輸出層采用展柜專用模塊PAS3281。該模塊提供14路模擬量信號采集、8路開關(guān)量信號采集和24路開關(guān)量信號輸出功能。該模塊各通道功能定義如表1所示。

2.3 控制層處理

該裝置的主要控制功能有溫度調(diào)節(jié)、濕度調(diào)節(jié)、空氣凈化、壓力調(diào)節(jié)（包括廢氣排放處理）以及水箱水位控制等。

溫度和濕度是文物存放環(huán)境極其重要的參數(shù)，也是兩個控制難度較高的參數(shù)。該裝置濕度控制精度設(shè)計要求為4%。為達(dá)到更好的控制效果，將控制精度設(shè)計為可設(shè)置參數(shù)，參數(shù)變量名為：HumiConPrec。該裝置濕度的量程為0至100%RH，濕度控制點(diǎn)設(shè)置為HumiSetPit，則濕度控制低限為

HumiLowPit=(HumiSetPit - (HumiConPrec × 100))%RH

濕度控制高限為

HumiHighPit=(HumiSetPit + (HumiConPrec × 100))%RH

測試結(jié)果顯示，濕度調(diào)節(jié)的過程較慢并且較大滯后作用，因此在部分濕度范圍內(nèi)采用PID控制算法實現(xiàn)調(diào)節(jié)。濕度調(diào)節(jié)的算法是當(dāng)濕度高于HumiHighPit，則啟動除濕；濕度處于HumiSetPit和HumiHighPit之間，采用PWM方式控制除濕啟動時間，PWM占空比由PID算法計算；濕度低于HumiLowPit，則導(dǎo)通水箱加濕；濕度處于HumiLowPit和HumiSetPit之間，采用PWM方式控制水箱加濕導(dǎo)通時間，PWM占空比由PID算法計算。濕度調(diào)節(jié)控制的具體實現(xiàn)流程如圖2所示。溫度調(diào)節(jié)控制方式與濕度調(diào)節(jié)相似，參數(shù)有所不同。

空氣凈化、壓力調(diào)節(jié)（包括廢氣排放處理）以及水箱水位控制等相對溫濕度調(diào)節(jié)要簡單一些，這里就不再一一介紹。

此外，針對諸如濕度設(shè)定值和控制精度設(shè)定值等一些需要長久保存的參數(shù)和變量，控制器提供數(shù)據(jù)掉電保存功能。這樣，用戶在裝置投運(yùn)階段將參數(shù)設(shè)置好，以后裝置運(yùn)行時系統(tǒng)會自動讀取保存的參數(shù)并執(zhí)行控制功能。另外，控制器提供WIA-PA無線通信協(xié)議接口，可以將展柜相關(guān)環(huán)境參數(shù)發(fā)送給中央集控器，方便用戶對展廳內(nèi)的多個展柜進(jìn)行集中監(jiān)控。

圖3 展柜濕度歷史趨勢圖Fig.3 Displays the humidity history charts

2.4 監(jiān)控層實現(xiàn)

該裝置的監(jiān)控層由一臺運(yùn)行Windows XP操作系統(tǒng)的小型觸摸屏計算機(jī)和PAS500的HMI軟件組成?；谠搼?yīng)用需要，監(jiān)控層提供監(jiān)視和參數(shù)設(shè)置功能。

該裝置的監(jiān)視功能即實時顯示展柜中溫度、濕度、污染物和氣壓值，并記錄和顯示溫度、濕度、污染物和氣壓值的歷史趨勢和高低報警信息。圖3為濕度控制設(shè)定值為60%RH，控制精度為2%時，展柜內(nèi)濕度部分歷史趨勢圖。

該裝置控制功能需要設(shè)置的參數(shù)有16個，分別為溫度、濕度、污染物和氣壓的控制設(shè)定值、控制精度、低報警值和高報警值。授權(quán)用戶可以在HMI軟件提供的人機(jī)界面對上述各參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和修改。HMI軟件會將設(shè)定或修改的參數(shù)值實時發(fā)送給控制器。這樣，用戶就可以根據(jù)不同文物的環(huán)境要求設(shè)置不同展柜的控制參數(shù)，以提供更好的文物展存環(huán)境。

PAS500的HMI軟件提供多等級和多用戶授權(quán)管理功能，即不同的用戶具有規(guī)定的授權(quán)等級，不同的授權(quán)等級對監(jiān)控系統(tǒng)有不同的操作權(quán)限。本應(yīng)用的監(jiān)視功能是一種常規(guī)功能，可以對所有用戶開放，因此可以不設(shè)置訪問權(quán)限。為了避免有意或者無意地非法參數(shù)設(shè)定動作執(zhí)行，對數(shù)設(shè)定功能設(shè)置訪問權(quán)限，登錄該系統(tǒng)的用戶只有具有權(quán)限，才可以對參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和修改。

3 總結(jié)

經(jīng)過長時間地測試和驗證，PAS500能對該裝置進(jìn)行有效地控制，達(dá)到密閉展柜環(huán)境凈化和溫濕度調(diào)節(jié)要求，且溫度、濕度和氣壓控制精度可達(dá)≤2%。圖3中紅色曲線為測試過程中的一段濕度趨勢圖，圖中測試曲線與設(shè)定值的最大差值為1.6%RH。PAS500是基于工業(yè)級要求設(shè)計的一種控制系統(tǒng)，其模塊化的結(jié)構(gòu)、靈活的系統(tǒng)配置以及方便的算法和畫面組態(tài)，使其不僅具有很高的可靠性和穩(wěn)定性，而且具有極好的開放性和擴(kuò)展性，適用各類珍貴文物展存環(huán)境的監(jiān)控。

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