室內(nèi)環(huán)境艙的設計與實現(xiàn)

付曉光 李海建 樊武琨

（1北京天譽科技有限公司，北京 100024；2中國建材檢驗認證集團股份有限公司，北京 100024）

室內(nèi)環(huán)境艙是檢測室內(nèi)家具、裝飾裝修材料中揮發(fā)性有機物（VOCs）、甲醛等污染物釋放量和釋放速度的重要設備。它是把被檢測的物品放在艙內(nèi)，在艙內(nèi)模擬的室內(nèi)環(huán)境條件下測定各種參數(shù)指標，進而得到被測試樣的甲醛或VOCs等釋放量。模擬的室內(nèi)環(huán)境條件包括溫度、相對濕度、空氣置換率、風速等[1]，其中最主要的參數(shù)是溫度和相對濕度。

1 總體設計方案

室內(nèi)環(huán)境艙由艙體、溫度控制系統(tǒng)、濕度控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)組成。

艙體由內(nèi)艙和外艙構成。內(nèi)艙是放置試樣進行試驗的空間，采用鏡面不銹鋼制作；外艙主要起支撐結構作用，除電氣控制系統(tǒng)外，水浴水箱、冷卻水箱、壓縮機、氣泵等都放置在外艙內(nèi)。內(nèi)外艙之間用保溫材料填充。

溫度控制系統(tǒng)由冷卻水箱、冷卻壓縮機、艙內(nèi)空氣加熱器、制冷盤管、表冷器和水泵組成。濕度控制系統(tǒng)由水浴水箱、水浴壓縮機、水浴加熱器、制冷盤管和氣泵組成。溫度控制系統(tǒng)和濕度控制系統(tǒng)在電氣控制系統(tǒng)的指揮下，自動完成對內(nèi)艙艙內(nèi)溫濕度的控制。

2 溫度控制系統(tǒng)

環(huán)境艙內(nèi)溫度控制框圖如圖1所示。

圖1 室內(nèi)環(huán)境艙艙內(nèi)溫度控制框圖

艙內(nèi)降溫沒有采用直接把壓縮機制冷盤管置于艙內(nèi)的方案，而是把艙外冷卻壓縮機的制冷盤管置于冷卻水箱中，水泵將冷卻水循環(huán)到表冷器，帶走艙內(nèi)熱量，溫度升高的冷卻水又回到冷卻水箱中被冷卻壓縮機制冷，如此循環(huán)實現(xiàn)艙內(nèi)降溫。在通過冷卻水間接降低艙內(nèi)溫度的方式的基礎上，于冷卻水循環(huán)降低艙內(nèi)溫度過程中始終保持艙內(nèi)冷卻水溫處于艙內(nèi)露點溫度以上，達到防止艙內(nèi)氣體結露的目的[2]。加熱器直接加熱實現(xiàn)艙內(nèi)升溫。

環(huán)境艙在工作過程中無論需要升溫或降溫，冷卻壓縮機根據(jù)冷卻水水溫設定值自動啟/停，實現(xiàn)冷卻水水溫保持在設定值，且在首次艙內(nèi)降溫之前先將冷卻水水溫保持在設定值。

當艙內(nèi)溫度實時值高于艙內(nèi)溫度設定值時，需要降溫，根據(jù)PID控制算法，關閉艙內(nèi)加熱器，開啟循環(huán)水泵，實現(xiàn)降溫。當艙內(nèi)溫度實時值低于艙內(nèi)溫度設定值時，需要升溫，根據(jù)PID控制算法，開啟艙內(nèi)加熱器，關閉循環(huán)水泵，實現(xiàn)升溫。

艙內(nèi)溫度和冷卻水溫度分別獨立控制，使環(huán)境艙內(nèi)整體升、降溫速率快，并延長壓縮機、加熱器及水泵使用壽命。

3 濕度控制系統(tǒng)

環(huán)境艙內(nèi)濕度控制框圖如圖2所示。

圖2 室內(nèi)環(huán)境艙艙內(nèi)相對濕度控制框圖

艙內(nèi)相對濕度通過向艙內(nèi)通入相應露點溫度的飽和水蒸汽實現(xiàn)。氣泵將潔凈氣體經(jīng)過濾凈化裝置、水浴水箱、氣體流量計后送入環(huán)境艙內(nèi)，不斷置換艙內(nèi)原來的空氣，實現(xiàn)艙內(nèi)相對濕度控制。

水浴水箱內(nèi)水浴的溫度通過水浴壓縮機制冷盤管和加熱器，實現(xiàn)升降。當艙內(nèi)相對濕度高于設定值時，需要減少進入艙內(nèi)的水蒸氣的量，降低飽和蒸氣壓，降低對應的露點溫度，降低水浴溫度，根據(jù)PID控制算法，關閉水浴內(nèi)加熱器，開啟水浴壓縮機，最終使艙內(nèi)相對濕度降至設定值。當艙內(nèi)相對濕度低于設定值時，需要增加進入艙內(nèi)的水蒸氣的量，提高飽和蒸氣壓，升高對應的露點溫度，升高水浴溫度，根據(jù)PID控制算法，開啟水浴內(nèi)加熱器，關閉水浴壓縮機，最終使艙內(nèi)相對濕度升至設定值。

艙內(nèi)濕度是相對濕度，所以艙內(nèi)濕度的控制是在艙內(nèi)溫度控制穩(wěn)定準確的基礎上。在此基礎上，在進行艙內(nèi)相對濕度控制之前，先將水浴溫度穩(wěn)定在對應的露點溫度，然后根據(jù)PID算法，使艙內(nèi)相對濕度達到設定值。例如，艙內(nèi)溫度設定值23℃，相對濕度設定值45%，則查表可得對應的蒸汽壓為2810Pa，對應的飽和蒸汽壓為1264.5Pa，對應的露點溫度為10.5℃，那么在進行艙內(nèi)相對濕度控制之前，先將水浴溫度穩(wěn)定在10.5℃。

4 電氣控制系統(tǒng)

環(huán)境艙的電氣控制系統(tǒng)通過硬件部分和軟件部分共同完成對環(huán)境艙中各參數(shù)和操作的自動控制。

4.1 硬件部分

電氣控制系統(tǒng)的硬件部分以PLC為控制核心，以觸摸屏為人機交互界面。

電氣控制系統(tǒng)的硬件部分包括：PLC及其模擬量輸入輸出模塊和通訊模塊、觸摸屏、溫濕度一體變送器、2支Pt100熱電阻、2個溫度變送器、2個可控硅調(diào)功器、2個電加熱器、2個液位開關（上下限）、2個壓縮機、氣泵、風扇、水泵、電磁閥、照明燈、蜂鳴器、直流電源以及各種繼電器、接觸器和開關等。還有巡檢儀、9支Pt100熱電阻和3個濕度變送器是為了進行艙內(nèi)溫濕度檢測，包括溫度均勻度、溫度偏差度、溫度波動度、濕度均勻度、濕度偏差度和濕度波動度。

PLC是進行溫濕度自動控制和各種邏輯操作的核心。艙內(nèi)溫濕度和兩個水箱（冷卻水箱和水浴水箱）的水溫通過AD輸入模塊進入PLC主單元；2個液位開關（分別指示兩個水箱的上下限位）的狀態(tài)、兩個壓縮機的狀態(tài)、氣泵狀態(tài)、風扇狀態(tài)、水泵狀態(tài)和電磁閥狀態(tài)通過輸入端子進入PLC主單元；所有輸入數(shù)據(jù)作為PLC進行運算和自動控制的依據(jù)，并被PLC通過通訊模塊發(fā)送到觸摸屏顯示。

PLC通過通訊模塊接收用戶點擊觸摸屏按鈕想要進行的各種操作，并結合所有采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)運算后，通過輸出端子和DA輸出模塊自動完成兩個壓縮機啟停、氣泵啟停、風扇啟停、水泵啟停、電磁閥通斷（自動加水）、照明燈亮滅、蜂鳴器報警以及兩個電加熱器的加熱，實現(xiàn)自動控制。

觸摸屏主要完成人機交互，包括顯示數(shù)據(jù)和狀態(tài)、繪制曲線、數(shù)據(jù)存儲和查詢、參數(shù)設置、執(zhí)行各種操作特別是艙內(nèi)溫濕度檢測。

4.2 軟件部分

電氣控制系統(tǒng)的軟件部分包括PLC軟件和觸摸屏軟件。

環(huán)境艙對溫濕度自動控制和執(zhí)行各種邏輯操作是通過PLC控制程序完成的，其中，主要功能是通過PID控制算法，完成對艙內(nèi)溫度、艙內(nèi)濕度、水浴溫度和冷卻水溫度的精準穩(wěn)定控制。

觸摸屏軟件共設計了四個顯示界面進行人機交互，分別為主控界面、歷史記錄界面、參數(shù)設置界面和溫濕度檢測界面。觸摸屏軟件主要通過曲線、動畫、數(shù)字和按鈕等實現(xiàn)友好的人機交互功能。

5 性能測試及結論

依據(jù)JG/T344-2011的方法[3]，測試計算出的溫濕度偏差、波動度、均勻度，如表1所示，均優(yōu)于設計目標。該環(huán)境艙艙內(nèi)溫濕度控制準確穩(wěn)定，采用自動控制方式，操作簡單，具有很好的推廣應用價值。

表1 環(huán)境艙性能指標表