高低溫試驗箱遠程控制系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)

劉西強，劉錕龍，趙向輝

（1.陜西省電子信息產(chǎn)品監(jiān)督檢驗院陜西西安710004；2.合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，安徽合肥230009；3.西安三智科技有限公司陜西西安710077）

高低溫試驗箱是廣泛應用于材料、電子、通信等領域，對電器產(chǎn)品、材料及零部件進行交變或恒定高低溫試驗重要的可靠性試驗設備，用來檢驗各類元器件、產(chǎn)品對不同溫度環(huán)境的適應性，從而保證元器件、產(chǎn)品在不同惡劣溫度環(huán)境使用中的可靠性、適應性和安全性，是檢驗、提升產(chǎn)品質量及可靠性的主要基礎試驗手段之一，高低溫試驗箱在科學研究及試驗中起不可或缺的作用，但高低溫試驗箱的可靠運行是保證高低溫試驗的前提條件，在實際工作中，由于高低溫試驗持續(xù)時間長以及外部環(huán)境的影響，常常出現(xiàn)由于傳感器、控制器、調(diào)節(jié)器、接觸器等電氣部分的損壞造成高低溫試驗箱運行過程中突然停止或失控。還常常出現(xiàn)由于壓縮機、制冷部件接觸不良、電磁閥控制、冷卻系統(tǒng)不正常而引起的制冷工作異常。當試驗過程中高低溫試驗箱出現(xiàn)故障時，如不能及時發(fā)現(xiàn)或關機輕則可能造成測試結果不正確，重則造成被測試樣由于過熱而損壞甚至發(fā)生火災事故并威脅試驗人員的人身安全，因此實現(xiàn)對高低溫試驗箱的可靠監(jiān)控具有十分重要的現(xiàn)實意義。如果試驗室擁有較多數(shù)量的高低溫試驗箱則需要更多的試驗人員操作并監(jiān)視設備的運行，造成了大量人力資源的浪費，因此對于擁有較多數(shù)量高低溫試驗箱的單位，對安全可靠地進行高低溫試驗提出了更高的要求：要求在無人職守的情況下，完成對高低溫試驗箱的實時狀態(tài)監(jiān)控、報警、故障隔離、歷史記錄查詢等功能。近年來，隨著網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)技術的迅猛發(fā)展，我們根據(jù)多年工作體會，設計了一套高低溫試驗箱遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)利用WIFI技術實現(xiàn)10余臺高低溫試驗箱的集中監(jiān)控，為試驗測試人員提供了實時、形象、動態(tài)的監(jiān)控方法和手段，該系統(tǒng)如果成功，不僅是互聯(lián)網(wǎng)+技術在環(huán)境實驗設備的一次運用，同時提高了設備工作效率60%且減低人工成本30%以上。

1 高低溫試驗箱控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，國內(nèi)外高低溫實驗設備的控制方式基本分為兩種：程序控制和定值控制，這兩種控制方式都是安排專人對設備進行現(xiàn)場操作并對各種數(shù)據(jù)的記錄與處理，不同的是采用的控制儀表和控制設計不一樣，即所采用的控制系統(tǒng)不同。

定值控制是用設備進行單一溫度的控制試驗，開機后將儀表控制溫度設定為試驗要求的某一溫度，到達要求溫度后按照試驗要求的時間計時，運行到達要求的時間后關機完成試驗任務。定值控制屬于單一性試驗，一個試驗結束后，如需再做其他定值試驗，須重新設定試驗溫度值，不可能一次做不同溫度組合試驗是定值控制的特點。目前定值控制的高低溫箱選配的溫控儀表大多為普通的PID溫控儀表，如：日本神港的JCD-33A、臺儀的FU96等儀表，它們只有定值控制功能，一次只能做單一溫度試驗。

程序控制是指可以事先將很多組試驗參數(shù)（溫度目標值、運行時間）設在一個試驗程序中，程序開始運轉后，設備開始按程序設定的順序和控制時間開始運轉，不必中途更改試驗設定值，即程序控制時，可以做很多不同溫度的組合試驗。另外同一程序內(nèi)部程序間，可以設定跳段和循環(huán)，不同程序之間還可以設定程序鏈接。目前程序控制的高低溫箱選配的程序溫控儀表，如：日本ESPEC公司的計測裝置P-300、韓國三元TEMI880、韓國韓榮TH500等儀表兼有定值控制與程序控制，兩種功能可以互相切換?？蛻艨梢愿鶕?jù)需要選擇定值控制或程序控制。

1.2 目前高低溫試驗箱控制系統(tǒng)技術的缺陷及發(fā)展趨勢

目前國內(nèi)外高低溫試驗箱設備一般都帶有溫度設定和顯示面板，但絕大多數(shù)高低溫試驗箱都是人工控制且每個高低溫試驗箱都是獨立工作的，對于擁有較多高低溫試驗箱的單位不便于進行集中管理，隨著單位高低溫試驗箱設備的增多，按照傳統(tǒng)方式進行人工監(jiān)控和分散維護，不僅浪費人力、物力，可靠性不佳，還不能滿足高低溫試驗箱測試工作的需求。為了適應新形勢新環(huán)境的要求，利用新技術進行高低溫試驗箱集中監(jiān)控已經(jīng)成為發(fā)展的必然趨勢，有一些監(jiān)控系統(tǒng)開始出現(xiàn)。在實際工作應用中，我們認為這些監(jiān)控系統(tǒng)盡管比傳統(tǒng)的控制器控制方式進步很大，但由于各種原因，還是存在設備通訊接口和軟件常常無法很快兼容、需要通訊電纜線連接、容易造成信號衰竭以及人機分離不徹底等問題，這兩年隨著互聯(lián)網(wǎng)尤其是WIFI技術的迅猛發(fā)展，如果通過工控機將設備控制的信號發(fā)出通過路由器接收到控制設備同時將設備實時運行的信號傳回工控機，由工控機進行信息處理，形成人們需要的溫度隨時間變化的各種數(shù)據(jù)，準確清晰，易于分析、保存，將避免現(xiàn)有集中監(jiān)控系統(tǒng)的一些缺陷，也將成為國家鼓勵的互聯(lián)網(wǎng)+的一次實際運用。這種設想目前尚未見實際應用。下面我們以國際著名品牌ESPEC高低溫箱為例展開論述。

2 系統(tǒng)方案總體設計

通過查閱各種文獻資料了解到，目前在己實現(xiàn)的高低溫試驗箱集中監(jiān)控系統(tǒng)的應用上，己經(jīng)廣泛應用的都是通過互聯(lián)網(wǎng)、有線網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程集中監(jiān)控或國外專業(yè)廠家針對自身廠家的多臺儀器設備進行集中監(jiān)控技術，結合ESPEC公司高低溫試驗箱的特點，本高低溫試驗箱集中監(jiān)控系統(tǒng)由計算機、控制接口、報警裝置、WIFI無線設備、局域網(wǎng)、HMI顯控控制器、多臺ESPEC公司生產(chǎn)的高低溫試驗箱及自研工業(yè)自動化組態(tài)軟件等組成。系統(tǒng)顯控控制器是畫面組態(tài)和梯形圖編程一體的HMI/PLC一體機，遠程通信控制器專為工業(yè)4.0時代定制，打通數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，通過移動終端實現(xiàn)對高低溫試驗箱遠程數(shù)據(jù)上下載、監(jiān)控高低溫試驗箱狀態(tài)、故障診斷、數(shù)據(jù)分析等，工業(yè)自動化組態(tài)畫面編輯軟件是一種用于快速構造和生產(chǎn)嵌入式計算機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件。在匯集了多年組態(tài)軟件開發(fā)與應用經(jīng)驗的基礎上，采用目前先進的計算機軟件技術，以窗口為單位，構造用戶運行系統(tǒng)的圖形界面，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案，在自動化領域有著廣泛的應用。

本系統(tǒng)組成采用深圳顯控SamkoonSK觸摸屏，以MODBUS協(xié)議為通信協(xié)議的PLC的“一屏多機”的連接方式。即一臺觸摸屏可以直接操作與之相連接的多臺PLC的寄存器地址。在系統(tǒng)設置時需將觸摸屏的通信口屬性的“一般”選項中的“內(nèi)設備服務項”選擇為“ModbusRTU”“ModbusRTUMaster”，使觸摸屏做為[主站]，PLC都做[從站]。觸摸屏對寄存器地址的操作，即對支持MODBUS協(xié)議的PLC內(nèi)相應的寄存器地址進行操作。因為支持MODBUS協(xié)議的PLC寄存器名稱都能和MODBUS協(xié)議中的寄存器名稱相對應。

一屏一機或一屏多機連接關系圖見圖1。

圖1 顯控一屏多機連接關系圖

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 計算機及顯控控制接口

考慮到惡劣的現(xiàn)場環(huán)境及高可靠性的要求，計算機采用商用機，顯控采用SamkoonSK系列AK070AS，配備標準的RS-232（485）串行口COM1、COM2。要實現(xiàn)RS-485協(xié)議通信，控制接口采用RS232轉RS485轉換器的方法見圖2。

本系統(tǒng)選用深圳顯控AK070AS，內(nèi)部安裝4G電信物聯(lián)卡，通過WIFI無線設備與當?shù)厝我庥嬎銠C相連，UT-503轉換器通過屏蔽線纜與1～N臺高低溫試驗箱的RS485接口連接，一套UT-503轉換器可帶32臺高低溫試驗箱，亦即最多可使32臺高低溫試驗箱集中監(jiān)測。WIFI設備以802.11協(xié)議為基礎，使用2.4G頻率為載體，傳輸無線數(shù)字信號。計算機控制WIFI設備工作，通過基于802.11協(xié)議自動組網(wǎng)，組網(wǎng)成功后充分利用顯控機運行速度快、存儲容量大、數(shù)據(jù)處理能力強的優(yōu)勢，實現(xiàn)對眾多高低溫試驗箱集中監(jiān)控、集中維護、集中管理，避免了人工控制效率低，實時性差，可靠性不佳且不便于歷史數(shù)據(jù)的分析保存等缺點。

圖2 集中監(jiān)控系統(tǒng)組成及連接關系圖

3.2 RS-485接口及總線

RS-485為20 mA電流環(huán)回路串行通訊接口，最大傳輸距離實際上可達1 200 m左右，允許在簡單的一對屏蔽雙絞線上進行多點雙向通信，有良好的抗噪聲干擾性、長的傳輸距離、高的數(shù)據(jù)傳輸速率及多站能力等優(yōu)點，已成為控制界應用最為廣泛的標準通信接口之一。

RS-485在總線上允許連接多達128個收發(fā)器，這樣可以利用單一的RS-485接口方便地聯(lián)網(wǎng)構成集中式測控系統(tǒng)。本系統(tǒng)RS485總線連接關系示意圖見圖3。

圖3 RS485總線連接關系示意圖

3.3 高低溫試驗箱

高低溫試驗箱為日本ESPEC公司的MC712型高低溫試驗箱，其性能指標符合GJB，GB，TEC60068-3-5等相關試驗標準，適用于軍用產(chǎn)品及眾多工業(yè)產(chǎn)品的可靠性試驗，該溫箱具有溫度控制精度高（溫度精度度±0.5℃）、控制范圍寬（溫度范圍-75～+100℃）的特點，其與外部通訊接口為RS485接口。圖4為MC712型高低溫試驗箱的通訊接口實物圖。

圖4 MC712通訊接口實物圖

4 系統(tǒng)軟件開發(fā)

高低溫試驗箱的計算機遠程集中監(jiān)控，關鍵工作之一在于自研監(jiān)控軟件的設計。在軟件設計中，采用C++軟件自主開發(fā)應用軟件，遵循模塊化設計思想，采用結構化程序設計方案，使之具有良好的模塊化和可移植性，主要包含遠程監(jiān)控主控制單元軟件、主界面軟件、高低溫試驗箱控制軟件。

監(jiān)控界面是建立在SKWorkshop組態(tài)軟件二次開發(fā)而成，根據(jù)需要設置“高低溫箱連接名稱”和“PLC連續(xù)地址間隔”，主界面軟件在界面設計上，結合圖形技術、圖標控件及數(shù)據(jù)計算控件，力求界面友好、操作方便、數(shù)據(jù)處理便捷。可以完成對高低溫箱溫度設定、溫度實時監(jiān)控、PLC的遠程上傳和下載PLC程序；通過電腦，以WIFI傳輸為媒介，可以遠距離查看、修改PLC程序。

自研監(jiān)控軟件主要包括以下幾個部分：

1）觸摸屏系統(tǒng)主界面見圖5，主參數(shù)設置見圖6，用于操作者密碼、時間設置、PLC控制、變量控制、窗口等；

圖5 軟件主歡迎界面

2）遠程監(jiān)控設定，用于計算機遠程管理，實現(xiàn)顯控和計算機WIFI設備連接，在軟件中配置wifi設備用戶名和登錄密碼，添加連接端口，在顯控機上啟動遠程服務，操作畫面和顯控觸摸屏一致，設定步驟：首先對WIFI設備設置，再設置當?shù)責o線路由器在路由器“轉發(fā)規(guī)則”下“添加新條目”，添加743、843端口，IP地址按觸摸屏自動獲取的IP地址見圖7。設置成功后點擊“啟動遠程服務”按鈕。然后點擊“主畫面”按鈕，回到主頁面點擊“遠程監(jiān)控”按鈕，出現(xiàn)下面界面，上面出現(xiàn)本設備IP地址和端口號，按提示進行操作連接進行遠程操作見圖8。

圖6 軟件主參數(shù)界面

圖7 WIFI地址參數(shù)

圖8 遠程控制界面

3）變量參數(shù)設置，用于顯示實時溫度曲線、歷史溫度曲線及偏差趨勢曲線等；

4）手動遠程操作，用于高低溫試驗箱啟動、運行、控制參數(shù)設置等見圖9；

5）報警信息，用于高低溫試驗箱的溫度異常、PLC故障信息、通信故障等見圖10。

主控制單元的軟件流程主要包括系統(tǒng)初始化、接口設置及通信、遠程監(jiān)控、人機界面數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)存儲、報警處理和顯示等部分。

圖9 手自動切換操作界面

圖10 故障報警記錄表

高低溫試驗箱遠程軟件的具體功能如下:

1）可通過任何一臺連接WIFI計算機對顯控機實時操控；

2）可依據(jù)試驗要求設定任何高低溫實驗箱工作溫度、時間及升降溫速率；

3）可依據(jù)試驗要求設定任何高低溫實驗箱定值/程序工作方式及其遠程監(jiān)控；

4）可依據(jù)試驗要求對高低溫試驗箱加熱及冷凍能力進行設定及遠程監(jiān)控；

5）可依據(jù)試驗要求設置高低溫實驗箱試驗過程中各種故障報警；

6）可依據(jù)試驗要求設定任何運行試驗箱的個數(shù)、控溫曲線或溫控程序；

軟件簡單易用，界面友好，方便快捷，適用范圍廣。

工程設計人員在PC機上進行工程畫面組態(tài)的編輯，然后通過USB把最終的組態(tài)畫面和所需的通信驅動下載到觸摸屏的存儲機構中運行，再通過執(zhí)行機構和串口通信對PLC或其它的連接設備建立通信并進行相應的控制和監(jiān)視。

5 系統(tǒng)測試

本高低溫試驗箱遠程監(jiān)控系統(tǒng)在進行硬件安裝、計算機程序及模塊的開發(fā)、硬件連接調(diào)試完成后，需要對該系統(tǒng)的功能和性能進行詳細運轉測試和效果驗證。

該遠程監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)功能和性能調(diào)試符合常規(guī)國家標準和實際工作要求，主要包括：WIFI通訊功能測試，試驗箱控制及運行功能測試，軟件系統(tǒng)功能測試，系統(tǒng)性能測試；整套系統(tǒng)功能和性能驗證包括：環(huán)境試驗驗證，電磁兼容試驗驗證，電源波動試驗驗證等。

6 結 論

文中詳細論述了一種基于微型計算機、控制接口及自研監(jiān)控軟件通過網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)WIFI技術實現(xiàn)對高低溫高低溫試驗箱遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)的設計。該監(jiān)控系統(tǒng)已運用于實際工作中，不僅解決了很多單位因研發(fā)經(jīng)費受限且保密原因無法通過購買無線網(wǎng)絡遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)對高低溫高低溫試驗箱進行遠程集中監(jiān)控的問題，為試驗測試提供了實時、形象、動態(tài)的監(jiān)控方法和手段，同時規(guī)避了傳統(tǒng)操作方式的很多弊端，將高低溫高低溫試驗箱的使用效率提高了60%且減低人工成本30%以上。而且系統(tǒng)可以對多臺高低溫高低溫試驗箱集中監(jiān)測，是互聯(lián)網(wǎng)+技術在環(huán)境實驗設備的一次成功運用。

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