趕酸儀精確溫控系統(tǒng)的研發(fā)

高 超， 崔劌楷， 沈祥兵

(湖北省地質(zhì)勘查裝備中心,湖北 武漢 430034)

趕酸儀又稱趕酸電熱板,是一種樣品處理器,可廣泛應(yīng)用于食品、藥品、土壤等樣品的消解或趕酸，適用于大多數(shù)行業(yè)領(lǐng)域的樣品前處理、消解預(yù)處理和趕酸處理。為了防腐蝕性能要求,趕酸儀一般采用石墨槽體,有較大的熱容比，需采用大功率加熱元件，對溫度控制要求較高。因此研發(fā)精確溫度控制系統(tǒng)十分必要。

1 研發(fā)目標(biāo)

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)趕酸儀測溫探頭不能直接接觸酸性液體,只能采取間接測溫。市面上出售的溫控儀大多具有PID控制的自整定功能,但升溫過程中均會(huì)超過設(shè)定溫度,且溫度達(dá)到穩(wěn)定需較長時(shí)間。客戶多次提出精確控溫要求,因此必須著手研發(fā)一種穩(wěn)定可靠的溫控系統(tǒng),使得溫度誤差控制在±1℃以內(nèi),且升溫過程中不能超過設(shè)定溫度,以免發(fā)生過熱現(xiàn)象。

2 研發(fā)過程

系統(tǒng)研發(fā)過程主要分為以下步驟：控制系統(tǒng)確定—硬件搭建—軟件編程—人機(jī)界面設(shè)計(jì)—效果檢驗(yàn)(圖1)。

圖1 趕酸儀精確溫控系統(tǒng)研發(fā)流程圖Fig.1 Development flow chart of accurate temperaturecontrol system for acdic catcher

2.1 控制系統(tǒng)確定

PID控制是最早發(fā)展起來的控制理論之一,其算法簡單、可靠性高,被廣泛運(yùn)用于工業(yè)過程控制中。通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字PID控制可以隨時(shí)調(diào)整參數(shù),具有較大的靈活性和良好的控制效果。由于趕酸儀批量較小、研發(fā)周期較短,所以直接采用核心為ATmega328的Arduino控制板配合工業(yè)串口觸摸顯示屏,輔以少量外圍元件就可以以較低成本搭建控制核心,且Arduino可以直接用C語言編寫PID控制庫,調(diào)整參數(shù)非常方便。圖2為控制系統(tǒng)原理圖。

圖2 控制原理圖Fig.2 Control scheme

由于加熱板并非直接接觸物料,而是采用石墨槽體傳導(dǎo)熱量,加熱停止后加熱板核心溫度仍然較高,經(jīng)過熱傳遞可以導(dǎo)致石墨槽體持續(xù)升溫達(dá)10℃以上,相當(dāng)于采集信號(hào)嚴(yán)重滯后。目前市場上銷售的同類趕酸儀大多采用普通溫控儀,加熱過程均存在類似情況,采用簡單的PID控制算法調(diào)節(jié)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

通過查閱相關(guān)資料得知,PID控制算法的基本公式如下：

式中：Kp為比例系數(shù);Ti為積分時(shí)間常量;Td為微分時(shí)間常量。如果Kp的值比較大,那么達(dá)到預(yù)設(shè)溫度值的時(shí)間較短,但是容易引起溫度來回振蕩,甚至導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。Kp、Ti、Td這三個(gè)值必須結(jié)合起來調(diào)整,才能達(dá)到比較好的效果。經(jīng)過反復(fù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,最終采取了2段PID控制參數(shù)設(shè)置,在低溫區(qū)采用較大的PID控制值,以便快速升溫,待溫度升至目標(biāo)區(qū)域 60℃以內(nèi)的時(shí)候,采用較小的PID控制值,進(jìn)行緩慢加熱,確保接觸物料的石墨槽體不會(huì)超出設(shè)定溫度。

2.2 硬件搭建

由于本裝置所需I/O口較少,所以控制板采用市面上流傳最廣的Arduino UNO,它具有14路數(shù)字輸入/輸出引腳,且擁有極為豐富的庫文件和周邊元件供其使用。加熱裝置調(diào)壓采用可控硅調(diào)壓模塊,可以直接由Arduino的5V輸出電壓進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)連續(xù)調(diào)壓。溫度傳感器采用K型熱電偶,溫度變送器采用MAX6675冷端溫度補(bǔ)償—熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器,可進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償,并將K型熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。串口觸摸屏采用帶TTL串口的工業(yè)觸摸屏,僅需2條電源和2條TX/RX線就可實(shí)現(xiàn)與Arduino的通訊,將溫度、定時(shí)信號(hào)等指令發(fā)送到控制單元。電路圖如圖3所示。

圖3 電路圖Fig.3 Circuit diagram

2.3 軟件編程

Arduino的編程軟件稱之為IDE,使用C/C++編寫程序,其程序編寫的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何正確地調(diào)用庫文件來讀取MAX6675發(fā)送過來的溫度值,以及通過串口與觸摸屏進(jìn)行通訊來讀取設(shè)定溫度并定時(shí)。最后通過PID控制函數(shù)庫在目標(biāo)值和讀取值之間反復(fù)比對計(jì)算,將輸出值轉(zhuǎn)換為0～5 V電壓來控制SSR調(diào)壓模塊。

此外,在試制驗(yàn)證過程中發(fā)現(xiàn)，由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)以及電磁信號(hào)干擾,采集到的溫度數(shù)據(jù)上下跳動(dòng)較大,因此增加了篩選程序,將讀取到的過大偏離值予以剔除,并且以0.2 s間隔連續(xù)采集三次溫度數(shù)據(jù)并求出平均值再輸出到觸摸屏上。最終程序界面如圖4所示，完整程序代碼見文末附件。

圖4 部分程序界面Fig.4 Partial program interface

2.4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

工業(yè)觸摸屏編程軟件采用廠家提供的USART HMI編輯軟件,該編輯軟件支持多種邏輯判斷語句,可以方便地進(jìn)行溫度和時(shí)間設(shè)定的編程。溫度控制部分在啟動(dòng)按鈕觸發(fā)后將設(shè)定溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到Arduino,并以字符“g”作為傳送結(jié)束終止符號(hào)；同時(shí)以每秒1次的頻率向控制板發(fā)送溫度讀取請求字符“z”,將回傳的double溫度浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為TXT文檔，在溫度顯示區(qū)域予以顯示。加熱時(shí)間控制采用觸摸屏自帶的1 s脈沖發(fā)生元件,累計(jì)采集次數(shù)達(dá)到設(shè)定時(shí)間數(shù)值后即認(rèn)為加熱時(shí)間結(jié)束,通過串口向Arduino發(fā)送加熱停止的TTL信號(hào)。此外還設(shè)置了加熱狀態(tài)顯示和故障提示,最終設(shè)計(jì)界面如圖5所示。

圖5 人機(jī)界面編寫Fig.5 Human-machine interface writing

2.5 效果檢驗(yàn)

將上述溫控系統(tǒng)裝機(jī)后進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),采用玻璃棒式溫度計(jì)與觸摸屏上的顯示溫度進(jìn)行對比,結(jié)果顯示兩者溫度讀數(shù)是一致的,說明溫度采集系統(tǒng)工作正常。在趕酸儀的典型工作溫度150～220℃區(qū)間范圍內(nèi),都能將加熱槽溫度成功控制在±1℃以內(nèi),且升溫過程中由于采取了多段PID控制參數(shù)設(shè)置,沒有出現(xiàn)加熱超過設(shè)定溫度的情況。

典型升溫曲線圖如圖6所示，橫坐標(biāo)代表加熱時(shí)間(min),縱坐標(biāo)代表石墨反應(yīng)槽實(shí)際溫度(℃)。粗實(shí)線為通用溫控儀的加熱曲線,在設(shè)定溫度為200℃的情況下,可以看出實(shí)際溫度達(dá)到了220℃,在停止加熱后待溫度降至190℃才又繼續(xù)升溫,升溫曲線不穩(wěn)定。而細(xì)實(shí)線為本次研發(fā)的高精度趕酸儀的加熱曲線,在前半段基本是全功率升溫,后半段加熱功率逐漸降低,在30 min時(shí)達(dá)到了設(shè)定溫度并保持穩(wěn)定,滿足了客戶要求。

圖6 典型升溫曲線圖Fig.6 Typical heating curve1.通用溫控儀的加熱曲線；2.本次研發(fā)溫控儀的加熱曲線；3.設(shè)定溫度值。

3 結(jié)論與展望

本次研發(fā)的精確溫控系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①制

作成本低,全套控制系統(tǒng)搭建成本不超過500元；②控制精度高,溫度實(shí)時(shí)顯示到人機(jī)界面,上下溫差跳動(dòng)均在1℃以內(nèi)；③升溫迅速且不超過臨界點(diǎn),完全達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期和客戶要求。雖然由于使用了Arduino工控板,在裝機(jī)時(shí)需要進(jìn)行部分焊接連線,因此不適宜大批量生產(chǎn),但Arduino是開源系統(tǒng),可以將所有控制元件集成到一塊PCB板上,輸入/輸出點(diǎn)可使用接線端子，從而直接訂做成品電路板,將大大減少裝機(jī)難度,提高裝配效率。