分流法濕度發(fā)生器PLC控制系統(tǒng)的研制

蔡晨，張學(xué)范，孫文慧，崔劍，辛宗偉，荀其寧，劉運(yùn)峰

（1.中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031； 2.南京理工大學(xué)，南京 210094）

分流法濕度發(fā)生器PLC控制系統(tǒng)的研制

蔡晨1，張學(xué)范1，孫文慧2，崔劍1，辛宗偉1，荀其寧1，劉運(yùn)峰1

（1.中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031； 2.南京理工大學(xué)，南京 210094）

采用可編程邏輯控制器（PLC）研制分流法濕度發(fā)生器的控制系統(tǒng)，提高了分流法濕度發(fā)生器在低濕度范圍發(fā)生濕氣的準(zhǔn)確度。利用精密露點(diǎn)儀獲得準(zhǔn)確的露點(diǎn)值，并反饋控制分流法濕度發(fā)生器的各項(xiàng)控制參數(shù)，通過二次調(diào)節(jié)，濕度發(fā)生器可以輸出濕度值更加準(zhǔn)確的氣體，發(fā)生濕氣的露點(diǎn)最大允許誤差為±0.5℃，重復(fù)性為0.15%（n=6），露點(diǎn)輸出范圍為-70～-10℃。該控制系統(tǒng)拓寬了分流法濕度發(fā)生器的應(yīng)用范圍，提高了濕度計(jì)量的工作效率。

編程邏輯控制器件；分流；濕度；發(fā)生器；控制

在武器裝備的科研、生產(chǎn)和使用過程中，濕度是一個(gè)重要的計(jì)測參數(shù)，火炸藥、軍用電子器件及武器裝備的儲(chǔ)存和生產(chǎn)制造過程中均需要對(duì)濕度進(jìn)行準(zhǔn)確測量。濕度過高會(huì)導(dǎo)致武器裝備受潮，影響其性能和使用壽命；而濕度過低又易引起靜電感應(yīng)，引發(fā)安全事故。此外，濕度也是電力、石化等行業(yè)生產(chǎn)過程中的重要監(jiān)控指標(biāo)。作為檢定校準(zhǔn)濕度測量儀器的氣源，濕度發(fā)生器在濕度計(jì)量中發(fā)揮著重要的作用。

常用的濕度發(fā)生器的工作原理主要有雙溫法、雙壓法、滲透法和分流法等。雙溫法和雙壓法常被用作標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器的制作原理，根據(jù)這兩種原理制作的濕度發(fā)生器準(zhǔn)確度非常高，但體積與重量較大，且量值變化緩慢。滲透法濕度發(fā)生器內(nèi)滲透管材料老化和管內(nèi)純水容量變化易導(dǎo)致滲透管的滲透率產(chǎn)生漂移，在改變濕度值時(shí)，滲透管濕度發(fā)生器所需的平衡時(shí)間較長。

分流法濕度發(fā)生器的主要優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)方便，量程寬，響應(yīng)時(shí)間短，但與雙溫法濕度發(fā)生器和雙壓法濕度發(fā)生器相比量值不夠精確［1-6］。筆者采用編程邏輯控制器件（PLC）技術(shù)［7］研制了分流法濕度發(fā)生器的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有準(zhǔn)確度高、使用方便的特點(diǎn)。通過引入反饋控制環(huán)節(jié)，將分流法濕度發(fā)生器與精密露點(diǎn)儀連接，所發(fā)生濕氣的露點(diǎn)由精密露點(diǎn)儀準(zhǔn)確測量并反饋給控制濕度發(fā)生器，進(jìn)行二次修正，使得設(shè)定濕度與發(fā)生濕度的差值縮小到設(shè)定誤差范圍內(nèi)，提高了分流法濕度發(fā)生器的準(zhǔn)確度。在設(shè)置完成濕度發(fā)生參數(shù)后控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)時(shí)采集露點(diǎn)測量數(shù)據(jù)并顯示在觸摸屏上，在達(dá)到目標(biāo)參數(shù)后持續(xù)發(fā)生相應(yīng)濕度的氣體，并根據(jù)環(huán)境變化實(shí)時(shí)調(diào)整輸出，保持氣流濕度的穩(wěn)定。此外，可以隨時(shí)切換濕氣參數(shù)，也可以手動(dòng)設(shè)置需要實(shí)現(xiàn)的各種參數(shù)。

1 分流法濕度發(fā)生器原理及結(jié)構(gòu)

分流法濕度發(fā)生器的原理是將一股干氣按照不同流量比例分為兩股氣體，其中一股經(jīng)飽和器增

聯(lián)系人：蔡晨；E-mail： caichenyihao@163.com

圖1 濕度發(fā)生器原理圖

氣源輸出的干氣分為三股，第一股干氣經(jīng)質(zhì)量流量控制器1調(diào)節(jié)流量后進(jìn)入飽和器，增濕后形成飽和濕氣，然后與通過質(zhì)量流量控制器2調(diào)節(jié)流量的第二股干氣進(jìn)行混合，實(shí)現(xiàn)第一級(jí)稀釋。兩股氣體在混合室1內(nèi)充分混合后，一部分通過調(diào)節(jié)閥放空，另一部分利用質(zhì)量流量控制器4控制流量，再與通過質(zhì)量流量控制器3調(diào)節(jié)流量的干氣進(jìn)行混合，實(shí)現(xiàn)第二級(jí)稀釋，得到所需要的濕氣［10-14］。

分流法濕度發(fā)生器發(fā)生不同濕度的氣體，同時(shí)輸送到標(biāo)準(zhǔn)濕度計(jì)（一般為精密露點(diǎn)儀）和被檢濕度儀器，由精密露點(diǎn)儀給出準(zhǔn)確的濕度測量值，通過比較被檢濕度儀器的示值，完成濕度校準(zhǔn)工作［15-16］。分流法濕度發(fā)生器在計(jì)量工作中通常使用方法如圖2所示。

圖2 分流法濕度發(fā)生器的應(yīng)用示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC通過RS-232C串口連接觸摸屏、溫度測量控制模塊，通過RS-485總線連接質(zhì)量流量控制器，通過RS-232C串口連接精密露點(diǎn)儀［10-12］。

PLC控制系統(tǒng)采用信捷XC系列PLC，XC系列具有種類豐富、功能強(qiáng)大的基本單元和擴(kuò)展單元，具備多通訊口，支持多種通訊協(xié)議。PLC可以采用C語言來編寫功能塊，節(jié)省內(nèi)部空間，提高工作效率。圖3為PLC控制系統(tǒng)框圖。

圖3 PLC控制系統(tǒng)框圖

觸摸屏作為人機(jī)交互界面，將操作者發(fā)出的指令通過串口傳送給PLC控制系統(tǒng)。PLC經(jīng)過運(yùn)算，對(duì)處于允許范圍內(nèi)的命令進(jìn)行響應(yīng)并發(fā)生動(dòng)作，控制氣體的流量、溫度等參數(shù)，并實(shí)時(shí)將采集信息返回顯示在觸摸屏上。質(zhì)量流量控制器用于控制氣流流量大小，PLC將數(shù)值經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)換后寫入質(zhì)量流量控制器中，調(diào)節(jié)氣體流量大小，并可實(shí)時(shí)獲取流量值，從而控制氣流濕度。精密露點(diǎn)儀是測量露點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，PLC通過RS-232串口獲取精密露點(diǎn)儀的測量結(jié)果，作為反饋數(shù)據(jù)，進(jìn)一步調(diào)節(jié)各氣路的流量，從而發(fā)生預(yù)先設(shè)定露點(diǎn)的濕氣。為了避免環(huán)境溫度變化對(duì)飽和器的影響，將加熱電阻絲包裹在飽和器外層，利用PLC調(diào)節(jié)加熱電阻絲兩端的電壓，通過鉑電阻溫度計(jì)實(shí)時(shí)測溫反饋，從而保持飽和器的溫度穩(wěn)定。電磁閥由PLC的輸出端控制開關(guān)，根據(jù)不同的濕度范圍控制開啟或截止氣體通路。

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 總體流程

PLC程序的流程圖如圖4所示。PLC上電后進(jìn)入數(shù)據(jù)初始化階段，所有寄存器均賦值為零，常開觸點(diǎn)斷開，常閉觸點(diǎn)為閉合狀態(tài)。PLC隨后開始循環(huán)掃描，將質(zhì)量流量控制器與鉑電阻溫度計(jì)的數(shù)值返回，顯示在觸摸屏上。

一旦按下按鍵設(shè)定露點(diǎn)、流量、允許誤差和確認(rèn)鍵，PLC便開始進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。若可以發(fā)生設(shè)定值（各流量值均沒有超出質(zhì)量流量控制器范圍），則PLC將各個(gè)支路的流量數(shù)值發(fā)送到質(zhì)量流量控制器中，并開啟相應(yīng)控制閥，以發(fā)生設(shè)定露點(diǎn)的濕氣，并將設(shè)定值處的指示燈開啟，關(guān)閉先前發(fā)生露點(diǎn)的指示燈；若無法發(fā)生設(shè)定值，則仍保持當(dāng)前值持續(xù)發(fā)生，指示燈保持不變。流量、露點(diǎn)值、允許誤差均可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，互不關(guān)聯(lián)。

在允許誤差的設(shè)定方面，觸摸屏有0.1℃，0.2℃，0.3℃，0.5℃，1℃，2℃，N 7個(gè)選項(xiàng)。N表示不采用精密露點(diǎn)儀進(jìn)行反饋的工作方式，直接按照設(shè)定值發(fā)生相應(yīng)露點(diǎn)的濕氣，其它數(shù)字為露點(diǎn)值的最大允許誤差。在設(shè)置參數(shù)之后按下確認(rèn)鍵，PLC經(jīng)過運(yùn)算計(jì)算出各個(gè)質(zhì)量流量控制器的流量大小，并控制濕氣輸出，實(shí)時(shí)監(jiān)測精密露點(diǎn)儀的濕度測量值，調(diào)整干濕氣流分配比例，直到濕度設(shè)定值與濕度實(shí)際值在最大允許誤差范圍之內(nèi)。若想調(diào)節(jié)露點(diǎn)、流量或誤差，則直接按下按鍵調(diào)節(jié)即可。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 設(shè)計(jì)方法

3.2.1 引入經(jīng)驗(yàn)值

由于受干氣純度的限制和溫度擾動(dòng)影響，直接使用露點(diǎn)值計(jì)算干濕氣流配比會(huì)產(chǎn)生一定的偏差，在沒有反饋的情況下，系統(tǒng)最終發(fā)生濕氣的露點(diǎn)值與設(shè)定露點(diǎn)值往往不同。系統(tǒng)發(fā)生濕氣的調(diào)整時(shí)間非常短，但是反饋環(huán)節(jié)浪費(fèi)了大量時(shí)間。通過多次試驗(yàn)獲取經(jīng)驗(yàn)值，采取寫入經(jīng)驗(yàn)值的方式覆蓋掉理論值，直接發(fā)生多次測量得到的可靠值，既可縮短發(fā)生時(shí)間，又可減小誤差。

3.2.2 露點(diǎn)發(fā)生的切換

在設(shè)定發(fā)生露點(diǎn)與流量后，由PLC根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值和公式計(jì)算出各個(gè)質(zhì)量流量控制器的分配流量。如果計(jì)算值超出質(zhì)量流量控制器的量程，則無法滿足設(shè)置條件，故在設(shè)定露點(diǎn)時(shí)有限制：若計(jì)算發(fā)現(xiàn)某一路流量超出質(zhì)量流量控制器最大流量限制，則應(yīng)該撤銷該參數(shù)，轉(zhuǎn)而繼續(xù)發(fā)生前一次設(shè)置的參數(shù)，要求控制質(zhì)量流量控制器的流量分配命令不變。由于每次露點(diǎn)設(shè)定時(shí)指示燈隨之變化，為了防止標(biāo)志露點(diǎn)和流量的指示燈因?yàn)樗⑿聰?shù)據(jù)發(fā)生變化而無法回到原始位置，系統(tǒng)記錄至少兩次設(shè)定值，并循環(huán)覆蓋，以便恢復(fù)到原始設(shè)定數(shù)據(jù)時(shí)的指示燈且節(jié)省存儲(chǔ)空間。

3.2.3 質(zhì)量流量控制器的流量控制

選用某公司的質(zhì)量流量控制器，采取RS-485總線的自由格式通訊方式。自由格式通訊是由每個(gè)應(yīng)用模塊自由定義通訊協(xié)議，這種方法簡單且有針對(duì)性。PLC發(fā)送一串?dāng)?shù)字碼到質(zhì)量流量控制器中，既可獲取相應(yīng)的流量值，又可以發(fā)送流量值對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼來控制通過質(zhì)量流量控制器的流量，從質(zhì)量流量控制器中獲取的數(shù)字碼需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算得到相應(yīng)的當(dāng)前流量值。

3.2.4 標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)的讀取

將控制系統(tǒng)讀取精密露點(diǎn)儀測得的露點(diǎn)值作為反饋值傳送給PLC。精密露點(diǎn)儀是應(yīng)用最廣泛的濕度標(biāo)準(zhǔn)測量儀器，可以在很寬的濕度范圍內(nèi)，精確而穩(wěn)定地測量氣體濕度。絕大多數(shù)精密露點(diǎn)儀都配有RS-232C串行接口，根據(jù)精密露點(diǎn)儀的通訊協(xié)議，PLC發(fā)送命令字符，精密露點(diǎn)儀就可以將當(dāng)前露點(diǎn)值返回PLC控制系統(tǒng)。

3.2.5 反饋控制方案

精密露點(diǎn)儀在露點(diǎn)值恒定之后會(huì)發(fā)出一個(gè)穩(wěn)定信號(hào)，程序在每輪循環(huán)中檢測此穩(wěn)定信號(hào)。當(dāng)穩(wěn)定信號(hào)出現(xiàn)時(shí)開始計(jì)時(shí)，在固定的時(shí)間周期內(nèi)計(jì)算露點(diǎn)值極差（最大值與最小值差值的絕對(duì)值），若極差較大，則認(rèn)為尚未達(dá)到穩(wěn)定。繼續(xù)進(jìn)入下一個(gè)記錄周期，直到極差小于設(shè)定值，則認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定，隨后計(jì)算需要調(diào)整的各質(zhì)量流量控制器流量分量。若沒有超過流量限制，則寫入各個(gè)質(zhì)量流量控制器中，等待下次平衡并重復(fù)上述步驟，直到偏差小于設(shè)定值。

3.2.6 觸摸屏界面

根據(jù)設(shè)計(jì)路線觸摸屏清楚地顯示各個(gè)質(zhì)量流量控制器的流量及各處參數(shù)，設(shè)置誤差、露點(diǎn)和流量均采用按鍵表示，可以直接發(fā)生相應(yīng)的濕氣。此外，每個(gè)質(zhì)量流量控制器和濕度控制均可以獨(dú)立手動(dòng)調(diào)節(jié)，方便用戶設(shè)定各種參數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

分流法濕度發(fā)生器安裝調(diào)試完畢后，與某冷鏡式露點(diǎn)儀進(jìn)行比對(duì)（該露點(diǎn)儀屬于一級(jí)濕度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具）。通過寫入經(jīng)驗(yàn)值對(duì)分流法濕度發(fā)生器進(jìn)行準(zhǔn)確度試驗(yàn)，并設(shè)置無反饋模式，調(diào)節(jié)流量閥到合適流量，記錄各露點(diǎn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 無反饋試驗(yàn)數(shù)據(jù)

其它條件不變，設(shè)置反饋模式誤差為±0.5℃，記錄各露點(diǎn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 有反饋試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)比表1和表2，寫入經(jīng)驗(yàn)值的方式可以使發(fā)生濕氣的露點(diǎn)在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到露點(diǎn)預(yù)先設(shè)定值，且穩(wěn)定時(shí)間基本取決于冷鏡式露點(diǎn)儀的測量時(shí)間，并維持穩(wěn)定輸出。反饋模式可將所發(fā)生的露點(diǎn)值修正到設(shè)定誤差范圍內(nèi)，經(jīng)過反饋的濕度發(fā)生器可將最大允許誤差控制在±0.5℃范圍內(nèi)。

設(shè)置分流法濕度發(fā)生器發(fā)生固定露點(diǎn)的濕氣（如-50℃），穩(wěn)定后記錄露點(diǎn)值，重復(fù)測量6次，計(jì)算測定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，作為分流法濕度發(fā)生器的精密度，結(jié)果見表3。

表3 分流法濕度發(fā)生器發(fā)生濕氣露點(diǎn)的重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語

采用PLC控制系統(tǒng)的分流法濕度發(fā)生器，界面友好，自動(dòng)化程度高，維護(hù)使用方便。該濕度發(fā)生器能夠連接各種配有串行接口的精密露點(diǎn)儀，通過閉環(huán)控制，快速、準(zhǔn)確地輸出不同濕度的氣體，顯著提高了濕度計(jì)量人員的工作效率。

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我國投入7.4億建中藥標(biāo)準(zhǔn)

由國家中醫(yī)藥管理局組織、全國上百家中藥企業(yè)參與、權(quán)威中藥相關(guān)科研院所支持的中藥標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目在京啟動(dòng)。國家發(fā)改委將對(duì)該項(xiàng)目投入經(jīng)費(fèi)7.37億元。根據(jù)項(xiàng)目規(guī)劃，我國60種大品種中成藥和100種臨床常用中藥飲片有望于2018年實(shí)現(xiàn)全程質(zhì)控。這一項(xiàng)目的啟動(dòng)，標(biāo)志著我國中藥系列標(biāo)準(zhǔn)開始全面提升、完善。

據(jù)國家中醫(yī)藥管理局相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，近年來，我國中醫(yī)藥需求旺盛，但相關(guān)中藥質(zhì)量不但沒有因此水漲船高，反而滑坡嚴(yán)重，亟需統(tǒng)一、科學(xué)、高質(zhì)量的國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范。

同時(shí)，現(xiàn)行中藥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)一般是參照西藥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)確定，這種通過個(gè)別有效成分判定質(zhì)量狀況的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)中藥質(zhì)控效果不佳，亟待建立符合中藥自身特點(diǎn)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系。尤其是在當(dāng)前國際市場對(duì)中藥需求持續(xù)升溫的大背景下，提升并完善中藥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，有利于國產(chǎn)中藥更好地參與國際競爭、獲得更大發(fā)展。

（中國分析計(jì)量網(wǎng)）

Development of PLC Control System for the Divided Flow Humidity Generator

Cai Chen1， Zhang Xuefan1， Sun Wenhui2， Cui Jian1， Xin Zongwei1， Xun Qining1， Liu Yunfeng1
（1. CNGC Institute 53， Jinan 250031， China； 2. Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China）

Programmable Logic Controller （PLC） was adopted to develop the control system of humidity generator，which provided different humidity of gas automatically， and improved the accuracy in low frost point region. Precision dew-point hygrometers fed back precise dew-point value to control the parameters of humidity generator control system，humidity generator output more accurately. The maximum allowable misalignment was ±0.5℃， and the repeatability was 0.15%（n=6）. The output range was from -70℃ to 10℃. This system widen the application range， and improve the measurement efficiency.

PLC； divided flow； humidity； generator； control

O657.91

A

1008-6145（2016）05-0112-04

10.3969/j.issn.1008-6145.2016.05.029

2016-06-27濕后與另一股干燥氣體混合，從而得到不同濕度的氣體。分流法濕度發(fā)生器的準(zhǔn)確度依賴于氣源干燥程度、流量、溫度等，由于影響因素較多，準(zhǔn)確度一般不高［8］。分流法濕度發(fā)生器主要由氣源、飽和器、混合室、溫度控制系統(tǒng)［9］及流量控制系統(tǒng)等組成，其原理如圖1所示。