高低温设备超温安全保护系统研究

江淑惠

（厦门市产品质量监督检验院，福建 厦门361000）

1 研究背景

我院曾经在对产品进行环境试验时，出现一台步入式高低温试验箱，在试验温度为-25～60℃的循环程序试验中，环境试验设备出现“死机”现象，按触摸屏无反应，机器显示处于程序运行状态，显示的记录温度60℃，而试验箱内样品温度却达到190℃以上（该试验箱的试验温度范围为-50～100℃），也无法切换工作模式，只有关掉设备总电源。随后设备生产厂家赶到现场，重新启动开机后，对设备进行全面检测，发现设备工作正常，没有任何异常情况，无法解释“死机”的原因。但在这次试验设备“死机”中却导致了这批样品的损坏报废。因此，如何提高环境试验设备控制系统的可靠性，确保样品的安全是首要研究的课题。

2 研究的目的和意义

环境试验设备是一种用于评价产品环境适应性和质量的设备，主要用于考核产品在不同的温度、湿度、气压及其组合变化的环境条件中的性能，许多电子元器件在研发阶段、正式投入使用或批量生产前都需要进行气候适应性的试验，以检验其性能指标的稳定性。从手机、家电等各种民用产品到卫星、导弹等军工产品，这些产品的电子零部件和整机都需要进行环境适应性试验。因此，环境试验设备在科学试验及产品测试中发挥着极其重要且不可替代的作用，环境试验设备的正常运行是保证试验正常进行的一个基本条件。

由于环境试验设备一般持续工作时间长，多台不同试验条件设备同时工作，电网电源波动，工作时伴有噪声、振动等，环境较为恶劣，可能会出现设备控制系统“死机”，导致执行元件失控，在运行过程中突然加热不受控制或者制冷控制系统工作异常。当出现故障时如果不能及时发现，轻则可能会由于其温度不在指定的范围内而造成测试结果不正确，重则会造成被测产品由于过热或过冷而损坏，严重时可能引起火灾，危及人的生命财产安全。所以，在环境试验箱出现故障时，要及时切断总供电电源，从而保护样品及设备的安全。因此，对当环境试验中的高低温设备及试验样品出现超温时能自动切断总电源的安全保护系统进行研究是很有必要的。

3 环境试验设备的现状

3.1 环境试验设备的种类

环境试验设备的种类有低压（高空）试验箱、高温试验箱、低温试验箱、热冲击试验箱、湿热试验箱、盐雾试验箱。而现今比较多是集合了高温、低温、湿热为一体的试验箱。

3.2 环境试验设备的品牌

环境试验设备的品牌包括espec（上海）、ACS（意大利）、Votsch（德国）、Envirotronics（美国环测）、GWS（广州五所）等。

3.3 环境试验设备的基本构成

环境试验设备的基本构成如图1所示，环境试验设备通常由试验室、制冷机组、控制系统组成。还包括试验室内样品区、空气调节通道（加热器、蒸发器、加湿器、风机、干球和湿球温度传感器）。其工作原理为：将样品放入样品区，从操作面板给定试验条件（温度/湿度），控制系统发出指令启动风机工作，并根据试验的温湿度设定值，控制加热器、蒸发器、加湿器工作。风机在设备运行后一直工作，控制系统根据传感器测量反馈得到样品区的实际温度和湿度，采用一定的调节规律控制加热器、加湿器、制冷机等部件的工作，从而达到试验要求的温度和湿度。

图1 环境试验设备示意图

3.4 设备控制系统的基本功能

设备控制系统普遍采用具有PID运算功能的PLC再配上LCD触摸屏；通过LCD触摸屏完成操作界面的功能，由PLC完成模拟量测量、PID温度/湿度调节、逻辑控制。

环境试验设备控制系统如图2所示，设备控制系统要完成的基本功能是：试验曲线的输入和设备状态的指示，温度/湿度的测量和调节，各种被控对象如风机、加热器、加湿器、制冷系统管路的控制，设备安全保护状态的检测。

图2 环境试验设备控制系统

PLC逻辑框图如图3所示，PLC是可编程逻辑控制器，实质上是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。基本构成为电源、中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出接口电路、通信接口。

图3 PLC逻辑框图

目前高低温湿热试验箱的控制系统，所有检测信息（包括温度超温保护）均通过PLC可编程逻辑控制器进行集中处理后输出控制相应的执行机构。

3.5 存在的问题

PLC输出控制信号仅驱动外部机构的KM线圈，不直接控制负载回路电源。如果接触器失灵，触点异常导通，负载回路电源就一直通电。

超温安全保护是通过PLC输出控制。万一控制系统出现“死机”，无法通过正常的信号控制切断加热器的电源，使得加热器持续工作发热，这种情况可能会将箱内测试的样品全部烧坏并造成试验箱着火。

4 研究内容

高低温设备超温安全保护系统图（独立第二重超温保护系统）如图4所示。

图4 高低温设备超温安全保护系统图

通过在环境试验箱内加装一组温度传感器TP100（温度检测范围-100～200℃），当试验箱工作，温度超过设置值（设置值高于所做试验最高温度10℃和最低温度-10℃）时，数显温控仪EM905（RS-485 Modbus协议）将输出驱动电压，继电器（正泰JZX-2Z支持220 V电压和最大12A的工作电流）导通，分励断路器（宏发UEM5-100M塑壳断路器（带分励脱扣器）脱扣，试验设备总电源关闭。实现独立第二重超温保护，有效保护了试验箱系统。

此外，采用显控AST-100UHS-TE触摸屏，以Modbus协议为通信协议的数显温控仪“一屏多机”的连接方式，即一台触摸屏可以直接与之相连接的多台数显温控仪的寄存器地址进行操作。使触摸屏作为“主站”，数显温控仪都作为“从站”。一台触摸屏可连接16台环境试验设备，即实现集中监测。触摸屏内置网卡，通过Wi-Fi、手机APP实现远程检测。

5 结论

环境试验中高低温设备超温安全保护系统采用与设备控制系统物理隔离的方式，直接从电网供电，独立于温度传感器及温度控制系统。当试验箱内的温度过高时，超温保护器可以起到紧急停机作用，有效保护试验箱系统和试验样品安全，延长试验设备寿命，实现联网集中监控及手机APP远程监控技术，降低了人力成本，提高了工作效率。