基于PIC單片機(jī)和PID算法的晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)＊

徐武德，馬芳蘭，馬宏偉，張紅霞，楊國(guó)輝，鄭 礴

（甘肅省科學(xué)院 傳感技術(shù)研究所甘肅省傳感器與傳感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

基于PIC單片機(jī)和PID算法的晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)＊

徐武德，馬芳蘭，馬宏偉，張紅霞，楊國(guó)輝，鄭 礴

（甘肅省科學(xué)院 傳感技術(shù)研究所甘肅省傳感器與傳感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

針對(duì)現(xiàn)有晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用人工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，實(shí)驗(yàn)精度差，檢測(cè)效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于PIC單片機(jī)和PID算法的智能晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PIC單片機(jī)為核心處理單元，PID算法為關(guān)鍵控制算法，結(jié)合TFT觸摸屏，完成從晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)從快速加熱、溶液微沸狀態(tài)判斷、微沸狀態(tài)保持、循環(huán)冷凝水控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)報(bào)警、實(shí)驗(yàn)結(jié)束全過(guò)程的智能控制。該系統(tǒng)適用于國(guó)標(biāo)GBT4334-2008中B法、C法、E法及美標(biāo)G48A法等相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的智能化程度，使晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、便捷、高效、智能，大幅提高了實(shí)驗(yàn)效率及實(shí)驗(yàn)的安全性和準(zhǔn)確性。

PIC單片機(jī)；晶間腐蝕；PID算法；智能控制

晶間腐蝕，是指在某些環(huán)境中，金屬、合金和不銹鋼等材料的晶界的溶解速度遠(yuǎn)大于晶粒本身的溶解速度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沿晶界進(jìn)行的選擇性局部腐蝕。這種腐蝕使晶粒間的結(jié)合力大大削弱，嚴(yán)重時(shí)可使機(jī)械強(qiáng)度完全喪失。因此評(píng)定材料的晶間腐蝕傾向是機(jī)械裝備制造中極其重要的檢測(cè)項(xiàng)目。目前國(guó)內(nèi)的晶間腐蝕設(shè)備大多屬于自行組裝，成型的設(shè)備也是只能做某種單一的試驗(yàn)方法，無(wú)法實(shí)現(xiàn)晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)試樣大批量、多種試驗(yàn)方法同時(shí)進(jìn)行，檢測(cè)效率低，很難滿足生產(chǎn)實(shí)際的需求[1]。因此研制多功能智能化一體、能夠?qū)崿F(xiàn)大批量、多種試驗(yàn)方法同時(shí)進(jìn)行的晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)設(shè)備迫在眉睫。

針對(duì)現(xiàn)有晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)設(shè)備人力、物力耗費(fèi)大的問(wèn)題，本文提出了一種基于PIC單片機(jī)和PID算法的智能晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以PIC單片機(jī)為核心處理單元，PID算法為關(guān)鍵控制算法，結(jié)合TFT觸摸屏，完成晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)從快速加熱、溶液微沸狀態(tài)判斷、微沸狀態(tài)保持、循環(huán)冷凝水控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)報(bào)警、實(shí)驗(yàn)結(jié)束全過(guò)程的自動(dòng)控制。該系統(tǒng)適用于國(guó)標(biāo)GBT4334-2008中B法、C法、E法及美標(biāo)G48A法等相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法，設(shè)有三個(gè)工位，各工位可以獨(dú)立工作也可以多工位同時(shí)工作。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程全數(shù)字化控制，達(dá)到有效提高工作效率，節(jié)約測(cè)試成本的目的。

1 系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)

根據(jù)我國(guó) 《GBT4334-2008金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)的要求，基于PIC單片機(jī)和PID算法的晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)智能控制系統(tǒng)通過(guò)控制溶液溫度來(lái)控制溶液微沸狀態(tài)。將溫度作為溶液微沸狀態(tài)的唯一參量，控制并保持溶液的微沸狀態(tài)。為了將溫度精確的控制在一定范圍內(nèi)，對(duì)加熱裝置采用PID調(diào)節(jié)控制方式。PID控制器[2]采集溫度傳感器信號(hào)，通過(guò)軟件計(jì)算來(lái)控制加熱裝置的輸出功率，使得實(shí)驗(yàn)溶液迅速達(dá)到并保持在微沸狀態(tài)。通過(guò)控制加熱裝置的輸出功率，進(jìn)而控制加熱容器中溶液的溫度，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中溶液的加熱、微沸狀態(tài)的保持。由于晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)所使用的溶液大都是具有腐蝕性的酸性液體，必須在密閉容器中進(jìn)行，為了防止溶液加熱使容器內(nèi)的因溫度升高而壓力增大，發(fā)生容器爆裂，為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配備有冷凝裝置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

1)微控制器。微控制器是系統(tǒng)的核心處理單元，所有外圍設(shè)備的控制、通信、數(shù)據(jù)采集處理、故障判斷等功能。本系統(tǒng)選用美國(guó)Microchip Technology公司PIC16F877A單片機(jī)為處理單元。PIC16F877A屬于Flash單片機(jī)，可以重復(fù)燒錄，其內(nèi)部有8K的FLASH程序存儲(chǔ)器和512B的RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；不僅采用精簡(jiǎn)指令集RISC技術(shù)，而且還采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，兩級(jí)流水線取指令方式，它具有實(shí)用、低價(jià)、指令集小、低功耗、高速度、體積小、功能強(qiáng)等特點(diǎn)[3]。

2)集中管理器。集中管理器是本系統(tǒng)人機(jī)交互的接口，它采用TFT液晶觸摸設(shè)備完成實(shí)驗(yàn)中各個(gè)參數(shù)設(shè)定和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。本系統(tǒng)采用北京迪文科技有限公司的 10.2英寸 1024×600圖形點(diǎn)陣K600+內(nèi)核65K色的DGUS屏。 集中管理器設(shè)計(jì)有開(kāi)機(jī)界面、功能菜單、參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行控制、故障報(bào)警等控制顯示界面。如圖2所示，圖2(a)功能菜單界面選擇下一步要進(jìn)行的操作；圖2(b)參數(shù)設(shè)定界面完成每一工位的運(yùn)行參數(shù)；圖2(c)晶間腐蝕系統(tǒng)運(yùn)行界面顯示當(dāng)前每一工位的參數(shù)以及工位的起停控制；圖2(d)故障類(lèi)型界面顯示出現(xiàn)故障的部件或類(lèi)型。

圖2 集中管理器控制界面顯示

3)PID控制器的設(shè)計(jì)。數(shù)字式PID控制算法可以分為位置式PID和增量式PID控制算法[5]。本系統(tǒng)采用的是數(shù)字增量式PID控制。數(shù)字PID控制系統(tǒng)中用數(shù)字控制器代替模擬控制器?？刂七^(guò)程如下：首先通過(guò)模擬量輸入通道對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行采集，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后送入微控制器后按一定的算法進(jìn)行處理，運(yùn)算結(jié)果由模擬量輸出通道轉(zhuǎn)換為模擬量輸出。并通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制被控對(duì)象，以達(dá)到期望的控制效果。數(shù)字PID控制器原理框圖如圖3所示：

圖3 數(shù)字PID控制器原理框圖

4)溫度采集。溫度是溶液保持微沸的關(guān)鍵參數(shù)，溫度采集的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。因此根據(jù)晶間腐蝕的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，本系統(tǒng)采用Pt100作為溫度采集的傳感器，Pt100鉑熱電阻是一種精度高、線性度好、測(cè)量范圍寬的溫度傳感器。

5)電磁閥控制。電磁閥是控制每一個(gè)工位冷凝水進(jìn)入冷凝器的控制閥門(mén)。為了保證每一個(gè)工位可以獨(dú)立工作，三個(gè)工位之間互不影響，為每一個(gè)工位配置了一個(gè)電磁閥，只有該工位工作時(shí)，冷凝水才會(huì)進(jìn)入該工位的冷凝器。不工作的工位冷凝水是關(guān)閉的。同時(shí)，當(dāng)某一個(gè)工位冷凝管路出現(xiàn)故障時(shí)，不影響其他工位的工作。

6)電磁閥故障檢測(cè)。晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)是在密閉的容器中加熱進(jìn)行，加熱溫度一般在100℃左右，會(huì)有一部分液體蒸發(fā)，使容器內(nèi)的壓強(qiáng)增大。加熱容器頂部的冷凝器一方面是為了密封容器，另一方面也可以將因加熱蒸發(fā)的液體再次液化，回流到溶液中，降低容器內(nèi)的壓強(qiáng)。電磁閥一方面是為了保證每一個(gè)工位的冷凝水可以獨(dú)立工作，另一方面也是為該工位加熱容器起冷凝作用，保障該工位的正常工作。一旦電磁閥出現(xiàn)故障，打不開(kāi)，冷凝水進(jìn)入不到冷凝器，加熱容器中溶液的蒸發(fā)造成容器內(nèi)壓強(qiáng)增大，就會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。因此本系統(tǒng)在冷凝管路上安裝了壓力傳感器，當(dāng)冷凝管路中的壓力降低或沒(méi)有壓力時(shí)，壓力傳感器就會(huì)發(fā)出報(bào)警，同時(shí)系統(tǒng)做出響應(yīng)。電磁閥故障檢測(cè)電路如圖4所示：

圖4 電磁閥故障檢測(cè)電路

7)循環(huán)冷凝水的設(shè)計(jì)。本文所設(shè)計(jì)的晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是在密閉的容器中加熱進(jìn)行，加熱溫度一般在100℃左右，加熱過(guò)程中容器內(nèi)的壓強(qiáng)會(huì)增大，易引發(fā)容器爆裂現(xiàn)象。為了防止容器爆裂，采用循環(huán)冷凝水裝置[8,9]。該裝置利用不高于20℃的冷凝水冷卻加熱容器內(nèi)蒸發(fā)的腐蝕溶液，通過(guò)變頻器控制水泵，使總進(jìn)水管內(nèi)保持恒定壓力，冷凝器中有恒定流速的冷凝水，冷凝水管路壓力在冷凝器承受的安全范圍內(nèi)，同時(shí)保證冷凝效果。

本系統(tǒng)循環(huán)利用冷凝水對(duì)加熱容器內(nèi)蒸發(fā)的腐蝕溶液進(jìn)行冷卻降溫，保證加熱容器內(nèi)的壓力一直處于安全水平。與原有的冷凝系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)冷凝水用量從3t/次降至0.01t/次，節(jié)約用水量高達(dá)99.7%，節(jié)約成本效果顯著。本系統(tǒng)循環(huán)冷凝水工作原理框圖如圖5所示：

圖5 循環(huán)冷凝水工作原理框圖

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于PIC單片機(jī)和PID算法的晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)智能控制系統(tǒng)軟件是運(yùn)行在PIC16F877A微控制器的智能實(shí)驗(yàn)控制器軟件。由C語(yǔ)言編寫(xiě)而成，主要實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的采集和處理、TFT液晶觸摸屏的通信、PID控制器的輸出控制以及故障檢測(cè)等功能。

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要包括系統(tǒng)初始化子程序、PID控制器初始化子程序、電磁閥健康自檢子程序、指定工位啟動(dòng)子程序、指定工位加熱升溫子程序、指定工位恒溫子程序、指定工位停機(jī)子程序。圖6是其中一個(gè)工位工作的程序控制流程圖。其中，變量ll表示工位所處的狀態(tài)，RD是電

磁閥健康狀況標(biāo)識(shí)，F(xiàn)-temp是指工位的設(shè)定溫度。

3 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

本系統(tǒng)在蘭州蘭石檢測(cè)技術(shù)有限公司進(jìn)行了晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖如圖7所示，圖7(a)為晶間腐蝕系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行圖，此時(shí)2號(hào)工位工作，1，3號(hào)工位暫停，表明各工位之間工作互不影響；圖7(b)是三個(gè)工位同時(shí)進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)的圖。經(jīng)測(cè)試，晶間腐蝕系統(tǒng)可以同時(shí)對(duì)3個(gè)工位進(jìn)行試驗(yàn)，其溫度測(cè)量范圍為：0～150℃，試驗(yàn)時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)9999分鐘，滿足國(guó)標(biāo)GBT4334-2008中B法、C法、E法及美標(biāo)G48A法等相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法的要求。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能有效地將腐蝕溶液控制在試驗(yàn)要求的微沸狀態(tài)下，控溫精度高，操作方便，具有很高的穩(wěn)定性和可靠性。

圖6 單工位工作控制程序

圖7(a) 晶間腐蝕系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行

圖7(b) 三工位腐蝕試驗(yàn)圖

4 結(jié)語(yǔ)

基于PIC單片機(jī)和PID算法的晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)智能控制系統(tǒng)采用智能控制技術(shù)，控溫精確，自動(dòng)化程度高，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中參數(shù)的數(shù)字化控制，使實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、便捷，系統(tǒng)運(yùn)行高效、智能，提高了實(shí)驗(yàn)的安全性和準(zhǔn)確性。

本系統(tǒng)是一款應(yīng)用于檢測(cè)金屬晶間腐蝕敏感性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，適合工礦設(shè)備制造企業(yè)對(duì)設(shè)備原材料的質(zhì)量檢驗(yàn)，同時(shí)適合科研單位和高校對(duì)金屬材料晶間腐蝕敏感性的研究使用，也可用于質(zhì)量監(jiān)督機(jī)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的檢驗(yàn)監(jiān)督使用，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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TP273+.5

甘肅省科學(xué)院青年科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2014-CG-28）。