無冷凝高精度溫度控制設備

趙蘇唯

（蘇州科技大學，江蘇 蘇州 215009）

0 引言

介紹了無冷凝高精度溫度控制設備保障系統的工作原理和控制策略，并對系統可能出現的問題加以預防，從而保證產品的性能和質量。無冷凝高精度溫度控制設備保障系統外形圖如圖1 所示：

1 主要功能描述

本設備提供雙站射頻子系統溫度環境條件。可提供-25～60 ℃環境，設備采用溫度傳感器測定控溫平臺的出口液體溫度，通過調節電加熱和供液流量實現平臺溫度±0.5 ℃的高精度控制，設備具有干燥除濕裝置，防止出現凝露和結霜。

2 設計思路

本項目要求試驗箱內電子負載上的溫度一致且可控，試驗箱內環境及電子負載無冷凝產生。通過多年項目經驗積累，我們把該項目分為冷板、冷卻系統、測試箱（含環控和干燥系統）、氮氣正壓系統和電控系統。

3 工作原理

3.1 控溫原理

3.1.1 冷板傳熱

測溫箱內設備冷板，冷板上安裝電子負載，因冷板與電子負載之間為實心鋁（較厚，本項目采用40 mm），為傳導換熱，鋁傳熱系統較高，所以整個冷板表面溫度一致性較好[1-2]。在設計冷板時，把冷板進、出液溫差控制在0.35 ℃左右，增加冷卻液流量，進一步減小冷板表面因冷卻液溫度不均勻帶來的溫差，通過上述手段，冷板表面溫度一致性達±0.5 ℃內。

每個模塊試驗時，各使用一塊冷板，并分別放置于各自測試箱內。

3.1.2 冷卻系統恒溫供液

為保證供液溫度快速溫度和可調，冷卻系統的水泵吸入口分別設有電動三通閥，通過設定溫度自動調節三通閥，使冷水箱和熱水箱進行自動混合，從而得到與設定溫度相同的冷卻液[3]。

測試箱1#與測試箱2#分別對應一組恒溫供液。

3.1.3 測試箱的環控系統恒溫

電子負載放置于測試箱內，其殼祼露在測試箱的空氣內，為進一步恒溫，測試箱內自帶環控系統，對測試箱的空氣進行控制，并與冷板表面溫度相近。

3.2 無冷凝控制原理

3.2.1 氮氣正壓，防止外界空氣進入

因設備與外界互聯電纜等較多，孔隙較難密封，設備高、低變化范圍較大，內、外空氣交換很容易發生，我們通過向測試箱內通入氮氣，保證試驗箱的空氣壓力大于大氣壓力（壓差約為10～15 Pa），防止外界大氣進入測試箱內，形成局部冷凝。

3.2.2 吸濕板物理吸附，減少存量濕氣

測試箱的空氣循環吸風口上設有吸濕板，通過吸濕板不斷吸入測試箱的空氣的濕氣，保證了測試箱內的空氣干燥。

3.3 溫度控制、無冷凝控制聯合工作

通過控溫原理和無冷凝控制原理說明，可保證電子負載進行溫度可控，無冷凝工作。系統原理如圖2所示。

圖2 系統原理圖

4 電氣控制設計

4.1 電控模塊總述

無冷凝高精度溫度控制設備共有1 套冷卻模塊、2 套測試箱（每套測試箱模塊均可兼顧單機一和單機二）模塊、1 套電控模塊組成，機組采用集中控制的模式，電控模塊是整個無冷凝高精度溫度控制設備的控制核心，負責對整個系統中各設備提供配電、控制和保護，并將整個系統的狀態信息實時上報給上位機。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，通過對現場溫度、流量、壓力等信號實時采集和對外部控制信號快速、準確地響應，在PLC 內部進行運算處理和邏輯控制，使得整個冷卻機組實時工作數據一目了然報警信息清晰明了，運行狀態實時把控，大大降低了使用、維護和檢修的難度。冷卻機組控制架構如圖3 所示。

4.2 控制邏輯

4.2.1 冷卻模塊控制邏輯

機組開機后，控制系統根據供液溫度判斷機組進入制冷還是制熱工作模式，當供液溫度低于0 ℃（可調）時，機組進入制熱工作模式，當供液溫度高于5 ℃（可調）時，機組進入制冷工作模式[4-5]。

1）制熱工作模式。制熱工作模式下，冷卻模塊根據供液溫度的設定值，通過電壓調整器對電加熱進行PID 調節，當供液溫度顯示值低于供液溫度設定值-0.3 ℃（可調）時，冷卻模塊PLC 對控制電加熱的電壓調整器的輸出值加大，此時電加熱的功率加大，供液溫度就會升高，當供液溫度顯示值高于供液溫度設定值+0.3 ℃（可調）時，冷卻模塊PLC 對控制電加熱的電壓調整器的輸出值減小，此時電加熱的功率減小，供液溫度就會降低，如此循環，通過冷卻模塊電加熱的PID 調節，從而確保供液溫度在供液溫度設定值±0.5 ℃的范圍內。

2）制冷工作模式。制冷工作模式下，首先根據供液溫度的設定值，控制壓縮機的啟停，然后再根據供液溫度的設定值，控制壓縮機能調，當供液溫度≥供液溫度設定值+壓縮機啟動回差（默認2 ℃（可調））時，壓縮機啟動，當供液溫度≤（供液溫度設定值-壓縮機停止回差（默認2 ℃（可調））時，壓縮機停止，當供液溫度≤（供液溫度設定值-能調啟動回差（默認0.1℃（可調））時，能調啟動，當內循環供液溫度≥（供液溫度設定值+能調停止回差（默認0.1 ℃（可調））時，能調停止，同時冷卻模塊設有1 個低溫水箱和2 個高溫水箱，分別通知兩個三通調節閥將冷、熱水進行混合，對1#測試箱和2#測試箱的冷板供液，當供液溫度≤供液溫度設定值，三通閥關，增加熱水，減少冷水；當內循環供液溫度≥供液溫度設定值，三通閥開，減少熱水，增加冷水，三通閥的開啟度通過PID控制，通過壓縮機能調和三通閥調節，可將供液溫度控制在供液溫度設定值±0.5 ℃的范圍內。

4.2.2 測試箱控制邏輯

機組開機后，測試箱控制系統根據箱內溫度判斷機組進入制冷還是制熱工作模式，當箱內溫度低于設定值-5 ℃（可調）時，機組進入制熱工作模式，當箱內溫度高于設定值+5 ℃（可調）時，機組進入制冷工作模式。

1）制熱工作模式。制熱工作模式下，測試箱控制系統根據箱內溫度的設定值，通過電壓調整器對電加熱進行PID 調節，當箱內溫度顯示值低于箱內溫度設定值-0.2 ℃（可調）時，測試箱PLC 對控制電加熱的電壓調整器的輸出值加大，此時電加熱的功率加大，箱內溫度就會升高，當箱內溫度顯示值高于箱內溫度設定值+0.2 ℃（可調）時，測試箱PLC 對控制電加熱的電壓調整器的輸出值減小，此時電加熱的功率減小，箱內溫度就會降低，如此循環，通過測試箱電加熱的PID 調節，從而確保測試箱溫度在測試箱溫度設定值±0.5 ℃的范圍內。

2）制冷工作模式。制冷工作模式下，首先根據測試箱溫度的設定值，控制壓縮機的啟停，然后再根據測試箱溫度的設定值，控制壓縮機能調，當測試箱溫度≥（測試箱溫度設定值+壓縮機啟動回差（默認1 ℃（可調））時，壓縮機啟動，當測試箱溫度≤（測試箱溫度設定值-壓縮機停止回差（默認1 ℃（可調））時，壓縮機停止，當測試箱溫度≤（測試箱溫度設定值-能調啟動回差（默認0.1 ℃（可調））時，能調啟動，當測試箱溫度≥（測試箱溫度設定值+能調停止回差（默認0.1 ℃（可調））時，能調停止，通過壓縮機能調，可將供液溫度控制在供液溫度設定值±0.5 ℃的范圍內。

5 結語

本文著重介紹了機組的組成、各分系統模塊的設計、工作及使用流程、主要關鍵技術及解決情況，并對設備技術指標的滿足情況進行了逐一分析，為了保障制冷設備正常運行，并達到所要求的指標，需要把控制溫度、壓力、流量、濕度等許多熱工參數的一些控制電器和調節元件、各種儀表、傳感器及附屬設備組合起來，形成一個控制系統，這個系統就是制冷與空調自動控制系統。