無(wú)冷凝高精度溫度控制設(shè)備

趙蘇唯

（蘇州科技大學(xué)，江蘇 蘇州 215009）

0 引言

介紹了無(wú)冷凝高精度溫度控制設(shè)備保障系統(tǒng)的工作原理和控制策略，并對(duì)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問(wèn)題加以預(yù)防，從而保證產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。無(wú)冷凝高精度溫度控制設(shè)備保障系統(tǒng)外形圖如圖1 所示：

1 主要功能描述

本設(shè)備提供雙站射頻子系統(tǒng)溫度環(huán)境條件?？商峁?25～60 ℃環(huán)境，設(shè)備采用溫度傳感器測(cè)定控溫平臺(tái)的出口液體溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)電加熱和供液流量實(shí)現(xiàn)平臺(tái)溫度±0.5 ℃的高精度控制，設(shè)備具有干燥除濕裝置，防止出現(xiàn)凝露和結(jié)霜。

2 設(shè)計(jì)思路

本項(xiàng)目要求試驗(yàn)箱內(nèi)電子負(fù)載上的溫度一致且可控，試驗(yàn)箱內(nèi)環(huán)境及電子負(fù)載無(wú)冷凝產(chǎn)生。通過(guò)多年項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)積累，我們把該項(xiàng)目分為冷板、冷卻系統(tǒng)、測(cè)試箱（含環(huán)控和干燥系統(tǒng)）、氮?dú)庹龎合到y(tǒng)和電控系統(tǒng)。

3 工作原理

3.1 控溫原理

3.1.1 冷板傳熱

測(cè)溫箱內(nèi)設(shè)備冷板，冷板上安裝電子負(fù)載，因冷板與電子負(fù)載之間為實(shí)心鋁（較厚，本項(xiàng)目采用40 mm），為傳導(dǎo)換熱，鋁傳熱系統(tǒng)較高，所以整個(gè)冷板表面溫度一致性較好[1-2]。在設(shè)計(jì)冷板時(shí)，把冷板進(jìn)、出液溫差控制在0.35 ℃左右，增加冷卻液流量，進(jìn)一步減小冷板表面因冷卻液溫度不均勻帶來(lái)的溫差，通過(guò)上述手段，冷板表面溫度一致性達(dá)±0.5 ℃內(nèi)。

每個(gè)模塊試驗(yàn)時(shí)，各使用一塊冷板，并分別放置于各自測(cè)試箱內(nèi)。

3.1.2 冷卻系統(tǒng)恒溫供液

為保證供液溫度快速溫度和可調(diào)，冷卻系統(tǒng)的水泵吸入口分別設(shè)有電動(dòng)三通閥，通過(guò)設(shè)定溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)三通閥，使冷水箱和熱水箱進(jìn)行自動(dòng)混合，從而得到與設(shè)定溫度相同的冷卻液[3]。

測(cè)試箱1#與測(cè)試箱2#分別對(duì)應(yīng)一組恒溫供液。

3.1.3 測(cè)試箱的環(huán)控系統(tǒng)恒溫

電子負(fù)載放置于測(cè)試箱內(nèi)，其殼祼露在測(cè)試箱的空氣內(nèi)，為進(jìn)一步恒溫，測(cè)試箱內(nèi)自帶環(huán)控系統(tǒng)，對(duì)測(cè)試箱的空氣進(jìn)行控制，并與冷板表面溫度相近。

3.2 無(wú)冷凝控制原理

3.2.1 氮?dú)庹龎海乐雇饨缈諝膺M(jìn)入

因設(shè)備與外界互聯(lián)電纜等較多，孔隙較難密封，設(shè)備高、低變化范圍較大，內(nèi)、外空氣交換很容易發(fā)生，我們通過(guò)向測(cè)試箱內(nèi)通入氮?dú)猓ＷC試驗(yàn)箱的空氣壓力大于大氣壓力（壓差約為10～15 Pa），防止外界大氣進(jìn)入測(cè)試箱內(nèi)，形成局部冷凝。

3.2.2 吸濕板物理吸附，減少存量濕氣

測(cè)試箱的空氣循環(huán)吸風(fēng)口上設(shè)有吸濕板，通過(guò)吸濕板不斷吸入測(cè)試箱的空氣的濕氣，保證了測(cè)試箱內(nèi)的空氣干燥。

3.3 溫度控制、無(wú)冷凝控制聯(lián)合工作

通過(guò)控溫原理和無(wú)冷凝控制原理說(shuō)明，可保證電子負(fù)載進(jìn)行溫度可控，無(wú)冷凝工作。系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理圖

4 電氣控制設(shè)計(jì)

4.1 電控模塊總述

無(wú)冷凝高精度溫度控制設(shè)備共有1 套冷卻模塊、2 套測(cè)試箱（每套測(cè)試箱模塊均可兼顧單機(jī)一和單機(jī)二）模塊、1 套電控模塊組成，機(jī)組采用集中控制的模式，電控模塊是整個(gè)無(wú)冷凝高精度溫度控制設(shè)備的控制核心，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中各設(shè)備提供配電、控制和保護(hù)，并將整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)信息實(shí)時(shí)上報(bào)給上位機(jī)。電控模塊采用西門子S7-1200 系列PLC 為控制核心，配合觸摸屏操作和顯示，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度、流量、壓力等信號(hào)實(shí)時(shí)采集和對(duì)外部控制信號(hào)快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)，在PLC 內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算處理和邏輯控制，使得整個(gè)冷卻機(jī)組實(shí)時(shí)工作數(shù)據(jù)一目了然報(bào)警信息清晰明了，運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)把控，大大降低了使用、維護(hù)和檢修的難度。冷卻機(jī)組控制架構(gòu)如圖3 所示。

4.2 控制邏輯

4.2.1 冷卻模塊控制邏輯

機(jī)組開機(jī)后，控制系統(tǒng)根據(jù)供液溫度判斷機(jī)組進(jìn)入制冷還是制熱工作模式，當(dāng)供液溫度低于0 ℃（可調(diào)）時(shí)，機(jī)組進(jìn)入制熱工作模式，當(dāng)供液溫度高于5 ℃（可調(diào)）時(shí)，機(jī)組進(jìn)入制冷工作模式[4-5]。

1）制熱工作模式。制熱工作模式下，冷卻模塊根據(jù)供液溫度的設(shè)定值，通過(guò)電壓調(diào)整器對(duì)電加熱進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)，當(dāng)供液溫度顯示值低于供液溫度設(shè)定值-0.3 ℃（可調(diào)）時(shí)，冷卻模塊PLC 對(duì)控制電加熱的電壓調(diào)整器的輸出值加大，此時(shí)電加熱的功率加大，供液溫度就會(huì)升高，當(dāng)供液溫度顯示值高于供液溫度設(shè)定值+0.3 ℃（可調(diào)）時(shí)，冷卻模塊PLC 對(duì)控制電加熱的電壓調(diào)整器的輸出值減小，此時(shí)電加熱的功率減小，供液溫度就會(huì)降低，如此循環(huán)，通過(guò)冷卻模塊電加熱的PID 調(diào)節(jié)，從而確保供液溫度在供液溫度設(shè)定值±0.5 ℃的范圍內(nèi)。

2）制冷工作模式。制冷工作模式下，首先根據(jù)供液溫度的設(shè)定值，控制壓縮機(jī)的啟停，然后再根據(jù)供液溫度的設(shè)定值，控制壓縮機(jī)能調(diào)，當(dāng)供液溫度≥供液溫度設(shè)定值+壓縮機(jī)啟動(dòng)回差（默認(rèn)2 ℃（可調(diào)））時(shí)，壓縮機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)供液溫度≤（供液溫度設(shè)定值-壓縮機(jī)停止回差（默認(rèn)2 ℃（可調(diào)））時(shí)，壓縮機(jī)停止，當(dāng)供液溫度≤（供液溫度設(shè)定值-能調(diào)啟動(dòng)回差（默認(rèn)0.1℃（可調(diào)））時(shí)，能調(diào)啟動(dòng)，當(dāng)內(nèi)循環(huán)供液溫度≥（供液溫度設(shè)定值+能調(diào)停止回差（默認(rèn)0.1 ℃（可調(diào)））時(shí)，能調(diào)停止，同時(shí)冷卻模塊設(shè)有1 個(gè)低溫水箱和2 個(gè)高溫水箱，分別通知兩個(gè)三通調(diào)節(jié)閥將冷、熱水進(jìn)行混合，對(duì)1#測(cè)試箱和2#測(cè)試箱的冷板供液，當(dāng)供液溫度≤供液溫度設(shè)定值，三通閥關(guān)，增加熱水，減少冷水；當(dāng)內(nèi)循環(huán)供液溫度≥供液溫度設(shè)定值，三通閥開，減少熱水，增加冷水，三通閥的開啟度通過(guò)PID控制，通過(guò)壓縮機(jī)能調(diào)和三通閥調(diào)節(jié)，可將供液溫度控制在供液溫度設(shè)定值±0.5 ℃的范圍內(nèi)。

4.2.2 測(cè)試箱控制邏輯

機(jī)組開機(jī)后，測(cè)試箱控制系統(tǒng)根據(jù)箱內(nèi)溫度判斷機(jī)組進(jìn)入制冷還是制熱工作模式，當(dāng)箱內(nèi)溫度低于設(shè)定值-5 ℃（可調(diào)）時(shí)，機(jī)組進(jìn)入制熱工作模式，當(dāng)箱內(nèi)溫度高于設(shè)定值+5 ℃（可調(diào)）時(shí)，機(jī)組進(jìn)入制冷工作模式。

1）制熱工作模式。制熱工作模式下，測(cè)試箱控制系統(tǒng)根據(jù)箱內(nèi)溫度的設(shè)定值，通過(guò)電壓調(diào)整器對(duì)電加熱進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)，當(dāng)箱內(nèi)溫度顯示值低于箱內(nèi)溫度設(shè)定值-0.2 ℃（可調(diào)）時(shí)，測(cè)試箱PLC 對(duì)控制電加熱的電壓調(diào)整器的輸出值加大，此時(shí)電加熱的功率加大，箱內(nèi)溫度就會(huì)升高，當(dāng)箱內(nèi)溫度顯示值高于箱內(nèi)溫度設(shè)定值+0.2 ℃（可調(diào)）時(shí)，測(cè)試箱PLC 對(duì)控制電加熱的電壓調(diào)整器的輸出值減小，此時(shí)電加熱的功率減小，箱內(nèi)溫度就會(huì)降低，如此循環(huán)，通過(guò)測(cè)試箱電加熱的PID 調(diào)節(jié)，從而確保測(cè)試箱溫度在測(cè)試箱溫度設(shè)定值±0.5 ℃的范圍內(nèi)。

2）制冷工作模式。制冷工作模式下，首先根據(jù)測(cè)試箱溫度的設(shè)定值，控制壓縮機(jī)的啟停，然后再根據(jù)測(cè)試箱溫度的設(shè)定值，控制壓縮機(jī)能調(diào)，當(dāng)測(cè)試箱溫度≥（測(cè)試箱溫度設(shè)定值+壓縮機(jī)啟動(dòng)回差（默認(rèn)1 ℃（可調(diào)））時(shí)，壓縮機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)測(cè)試箱溫度≤（測(cè)試箱溫度設(shè)定值-壓縮機(jī)停止回差（默認(rèn)1 ℃（可調(diào)））時(shí)，壓縮機(jī)停止，當(dāng)測(cè)試箱溫度≤（測(cè)試箱溫度設(shè)定值-能調(diào)啟動(dòng)回差（默認(rèn)0.1 ℃（可調(diào)））時(shí)，能調(diào)啟動(dòng)，當(dāng)測(cè)試箱溫度≥（測(cè)試箱溫度設(shè)定值+能調(diào)停止回差（默認(rèn)0.1 ℃（可調(diào)））時(shí)，能調(diào)停止，通過(guò)壓縮機(jī)能調(diào)，可將供液溫度控制在供液溫度設(shè)定值±0.5 ℃的范圍內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文著重介紹了機(jī)組的組成、各分系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)、工作及使用流程、主要關(guān)鍵技術(shù)及解決情況，并對(duì)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)的滿足情況進(jìn)行了逐一分析，為了保障制冷設(shè)備正常運(yùn)行，并達(dá)到所要求的指標(biāo)，需要把控制溫度、壓力、流量、濕度等許多熱工參數(shù)的一些控制電器和調(diào)節(jié)元件、各種儀表、傳感器及附屬設(shè)備組合起來(lái)，形成一個(gè)控制系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)就是制冷與空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)。