周浸腐蝕試驗箱智能控制系統(tǒng)

陳國年，周紅軍，李 曉，方康玲

（武漢科技大學冶金自動化與檢測技術(shù)教育部工程研究中心，湖北 武漢 430081）

周浸腐蝕試驗箱智能控制系統(tǒng)

陳國年，周紅軍，李 曉，方康玲

（武漢科技大學冶金自動化與檢測技術(shù)教育部工程研究中心，湖北 武漢 430081）

針對周浸腐蝕試驗箱工作環(huán)境復雜，溫度和濕度難于控制等問題。設(shè)計一種用于在實驗過程中自動調(diào)節(jié)溫濕度的周浸腐蝕試驗箱智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括溫度專家控制器和濕度模糊控制器。由于試驗箱封閉，溫度的變化會影響濕度，所以系統(tǒng)中還采用解耦控制策略。實際運行結(jié)果表明該系統(tǒng)工作可靠，且溫濕度控制精度高。

周浸腐蝕試驗箱；智能控制；PLC控制系統(tǒng)

0 引 言

大氣腐蝕是存在最普遍的鋼材腐蝕類型。大氣腐蝕與空氣的溫度、濕度、日照時間、降雨量、降塵量、干濕交替的頻率等諸多因素有關(guān)。自然環(huán)境下的暴露實驗是研究大氣腐蝕最常用的方法，它能真實反映所在地點的腐蝕狀況，以此計算出材料的耐腐蝕壽命，但實驗周期往往很長。在實驗室對鋼材進行浸漬干燥濕潤復合循環(huán)試驗[1]，是一種短期加速腐蝕的有效方法，可以模擬大氣腐蝕過程，近似推測戶外長期暴露試驗結(jié)果，進而預測鋼材的耐大氣腐蝕壽命。

周浸腐蝕試驗箱是鋼材加速腐蝕試驗的主體設(shè)備，可用于耐火、耐候鋼，高強度耐候橋梁鋼，耐腐蝕重軌鋼等鋼種的研發(fā)工作。箱體溫度和濕度是保證腐蝕實驗效果的重要參數(shù)。根據(jù)工藝特點，要求試驗箱的溫度在40～50℃內(nèi)可調(diào)控，控制精度達到±1℃；相對濕度在60%～80%內(nèi)可調(diào)控，控制準確度為±2%RH。由于箱體密閉良好，箱體內(nèi)溫度和濕度控制難度大，一旦出現(xiàn)超調(diào)，無論正負，均很難調(diào)節(jié)到期望值。顯然，這是一個工作環(huán)境惡劣、具有諸多不確定因素，而控制品質(zhì)要求高的被控對象。目前一般采用PID控制策略，無法滿足周浸循環(huán)腐蝕試驗箱溫濕度的控制要求[2]。

針對以上問題，本文設(shè)計了一種周浸腐蝕試驗箱溫濕度智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用PLC為控制裝置，形成工作可靠、通信能力強且自動化程度高的硬件平臺。

1 控制系統(tǒng)組成

1.1 工藝過程

周浸腐蝕試驗箱內(nèi)安裝有輪軸、紅外加熱燈、冷風機和脈沖型加濕器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 周浸腐蝕試驗箱結(jié)構(gòu)示意圖

鋼件試樣在輪軸上安裝好后，輪軸以低速轉(zhuǎn)動，安裝在試驗箱內(nèi)的紅外加熱燈和冷風機用于控制箱體溫度，脈沖型加濕器用于調(diào)節(jié)箱體內(nèi)濕度。鋼件依次在5%的氯化鈉溶液中浸泡，要求箱體內(nèi)溫度和濕度達到平衡穩(wěn)定，從而加速腐蝕，達到檢驗鋼件的目的。

箱體紅外加熱燈加熱空氣，用熱空氣控制箱體的溫度，利用制冷設(shè)備抑制過高溫度，實現(xiàn)溫度可調(diào)控。箱體內(nèi)安裝有霧化器給空氣加濕，霧化加濕器為脈沖加濕方式，故稱之為脈沖型加濕器。另外，在箱體內(nèi)安裝有電扇，促進箱體內(nèi)空氣自循環(huán)，保證箱體內(nèi)空氣的溫濕度均勻。

1.2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

為提高溫度控制性能和可靠性，本文構(gòu)建了一個基于PLC的控制系統(tǒng)，由工業(yè)PC和SIMITIC的S7-300PLC組成。S7-300系統(tǒng)包括電源模塊、CPU模塊、數(shù)字量I/O模塊、模擬量I/O模塊和以太網(wǎng)通信模塊，圖2為PLC系統(tǒng)的硬件配置。

模擬量輸入（I）模塊完成溫濕度實時信號采集，模擬量輸出（O）模塊完成對輪軸、紅外加熱燈、冷風機和脈沖型加濕器的調(diào)節(jié)。PLC所采集和輸出的信號通過以太網(wǎng)通信模塊傳送到上位機，通過操作員站的HMI系統(tǒng)檢測整個系統(tǒng)的工作狀況。圖3為操作員站上顯示的工藝流程。

圖2 系統(tǒng)硬件配置圖

2 溫濕度智能控制系統(tǒng)

2.1 控制思路

本系統(tǒng)的主要控制目標是溫度和濕度達到期望的精度，試樣表面溫度的測量值以及相對濕度傳感器的測量值分別為溫度和濕度的反饋量。根據(jù)工藝特點，常規(guī)的PID控制策略無法滿足周浸循環(huán)腐蝕試驗箱濕度的控制要求，模糊控制是解決這類問題的有效方法[3]。本系統(tǒng)設(shè)計了一個溫度專家控制器和一個濕度模糊控制器，由于溫度的變化對濕度有影響，所以系統(tǒng)中采用了解耦控制[4-5]。圖4為周浸腐蝕試驗箱智能系統(tǒng)控制流程圖。

2.2 溫度專家控制器

溫度是一個大滯后、大慣性的變量，試驗箱內(nèi)空氣溫度調(diào)節(jié)的關(guān)鍵是控制熱風、冷風和燈照對于溫度的影響。由于難以建立精確的數(shù)學模型，采用常規(guī)PID方法無法有效地控制試驗箱的溫度[6]，本文設(shè)計了一個簡易的溫度專家控制器，表1為溫度專家控制器知識庫[7-8]。圖5是采用2種控制方法的實時運行效果曲線，從圖中可以看出采用專家控制方法明顯優(yōu)于普通PID控制方法。

圖4 系統(tǒng)控制流程圖

表1 溫度專家控制器的簡易知識庫

2.3 濕度模糊控制器

圖6為濕度模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，由于試驗箱的工況中存在諸多不確定因素，本文所設(shè)計系統(tǒng)采用模糊控制器[9]。另外，該模糊控制器實現(xiàn)濕度調(diào)節(jié)，同時完成與溫度的解耦控制[10]。

圖5 兩種控制方法的實時運行效果

圖6 濕度模糊控制系統(tǒng)

令濕度設(shè)定值為H，箱體空氣實際濕度為H1。

濕度模糊控制器為二維結(jié)構(gòu)，采用帶修正因子的算法，表述如下：

式中：e——濕度偏差值，e=H-H1；

ec——濕度偏差的變化率，

α值的設(shè)定與溫度相關(guān)，以達到解耦的目的，即

1）濕度與冷風機工作狀態(tài)的解耦設(shè)定

周浸腐蝕試驗箱內(nèi)的冷風狀況會影響濕度，當冷風增加時，箱內(nèi)濕度會減少。因此，本系統(tǒng)的濕度模糊控制器中，采用兩種α值：

其中，當冷風機開時，α=α1；當冷風機關(guān)時，α=α2；且α＞α1，0＜α1，α2＜1。

2）濕度與溫度設(shè)定值的解耦設(shè)定

周浸腐蝕試驗箱內(nèi)的溫度狀況也會影響濕度，溫度增加時，箱內(nèi)濕度會降低。因此，本文在α值中引入一個增量，以達到解耦的目的。即：

其中Δα=f（T)；T為試驗箱內(nèi)溫度設(shè)定值。

式中n（Ti)（i=1，2，…，k，)為溫度設(shè)定值Ti所對應的Δα，由實驗確定。

3 實際應用效果

本系統(tǒng)已經(jīng)用于實際橋梁鋼腐蝕試驗中，運行近半年來，工作可靠，控制準確度高。

1）試驗箱溫度在40～50℃范圍內(nèi)可調(diào)，試樣表面溫度在65～75℃可控可調(diào)，控制準確度±1℃。

2）試驗箱相對濕度在60%～80%范圍內(nèi)可調(diào)，控制準確度≤2%RH。

3）主軸轉(zhuǎn)速在0.5～2r/h之間可控可調(diào)。

圖7（a）和圖7（b）分別為設(shè)定溫度45℃相對濕度70%以及設(shè)定溫度50℃相對濕度70%情況下的實時運行曲線。

4 結(jié)束語

周浸腐蝕試驗箱工作環(huán)境惡劣、存在諸多不確定因素的影響，故其溫濕度難于控制。

本文所設(shè)計的由溫度專家控制器和濕度模糊控制器組成的智能控制系統(tǒng)解決了這些難題。實際運行取得了良好的效果。

Intelligent control system of immersion cyclic corrosion test chamber

CHEN Guonian，ZHOU Hongjun，LI Xiao，F(xiàn)ANG Kangling
（Metallurgical Automation and Detection Technology Engineering Research Center of Ministry of Education，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China）

Immersion cyclic corrosion test chamber（ICCTC）is an apparatus.Because working environment of ICCTC is complex，it is difficult to control the temperature and humidity.An intelligent control system of ICCTC was designed to adjust temperature and humidity of the chamber during the test.An expert controller was designed to regulate temperature，and a fuzzy controller was designed to regulate the humidity in the chamber.Since the chamber was closed，the temperature change would affect the humidity，so the system also used a decoupling control strategy.The practical application results show that the system is reliable and the control accuracy is high.

immersion cycle corrosion test chamber；intelligent control；PLC control system

A

：1674-5124（2015）10-0073-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.10.016

2015-01-12；

：2015-03-09

陳國年（1962-)，男，湖北武漢市人，教授級高級工程師，研究方向為計算機控制。