AI仪表在模拟环境恒温试验室的应用———AI仪表在模拟环境恒温试

关键词：模拟环境恒温试验室、AI-708P程序仪表
  一、概述
        近年来提高产品质量和食品安全水平，是各食品生产单位面临的共同任务。对产品质量和食品安全提高到更高的级别，各单位高度重视和负责的。特别是对涉及人身健康和安全的产品，建立严密的食品安全监管网络，生产加工、包装、储运、销售等各个环节，都要加强监管，逐步做到规范化、制度化。切实加强药品研制、生产、流通、使用等关键环节的管理，严防问题产品进出厂门
         为了加快产品质量标准体系建设，重点抓好食品卫生、食品质量、食品安全、食品检验检测技术标准，形成科学统一权威的食品安全标准体系，实现从工厂到餐桌全过程的标准化、规范化管理，和信息工作。建立统一、科学、权威、高效的质量和食品安全信息管理。工作责任到位，监管措施到位。尤其近几年开展了大量的罐头食品、保健品、茶叶的分析检测、众多的食品厂、建立了检验中心分析检测，绿色食品、提供食品安全方面的保证。对大批出厂的产品抽样在恒温室培养检测，模拟自然环境保存检测。
        恒温室相当于一个大的培养箱，里面的温度一般设定为37度左右，主要是工厂中车间实验室用的比较多，生产中需要随时监控的，里面可以放架子，可以同时培养很多罐装食品、培养皿碟子，在37度的常温下培养。
          罐头食品密封在容器中并经杀菌而在室温下能够较长时间保存的食品。经过感官指标测定，要求对罐头的外观、密封性、容器内外表面以及内容物的色泽、气味、滋味、组织形态等方面评定。其主要任务是验出样品与标准品之间的差异，以及差异的程度，并客观评价出样品的特性。
        根据人类的感觉特性，用眼（视觉）、舌（味觉）和口腔（综合感觉）按产品标准要求对食品进行感官测定。使肉、禽、水产类罐头、水果罐头、蔬菜罐头、果酱罐头、加热至熔化，观察其组织、形态和色泽是否符合标准。
       食品储存期加速测试的原理就是利用化学动力学来量化外来因素如温度、湿度、气压和光照等对变质反应的影响力。通过控制食品处于一个或多个外在因素高于正常水平的环境中，变质的速度将加快或加速，在短于正常时间内就可判定产品是否变质。因为影响变质的外在因素是可以量化的，而加速的程度也可以计算得到，因此可以推算到产品在正常储存条件下实际的储存期。
      由于许多包装食品通常可以储存超过一年，评价对储存期产生影响的外在因素，如产品本身配料的改变（采用新的抗氧化剂或增稠剂），加工过程的改变（采用不同消毒时间或温度），或包装材料的改变（采用新的聚合体薄膜），都会希望储存期尽可能持续到产品所要求的时间（商业储存期）。但许多公司都等不起这么长的时间来知道这些新产品/新加工过程/新包装材料能否提供足够的储存期，相继成立食品储存期加速测试模拟环境试验恒温室。
  二、模拟环境恒温试验室程序控制仪表选型
         模拟环境恒温试验室的恒温精度高，但是由于实验室的特殊性，模拟环境恒温试验室的内外扰量多且某些随机扰量的大小难于确定，而导致了其恒温精度很难达到预期效果。为了解决这个问题，通过建立对模拟环境恒温试验室，用AI模糊控制PID程序温度控制，及送风量PID控制，温湿度控制在较短的时间内经过多季节恒温测试。恒温室内外扰量对房间温度的影响。只有采用PID控制才能保证恒温室的恒温精度 。配合温湿度传感器、风速传感器、日照调节，来控制环境恒温试验室环境变化。系统采用AI系列调节器来控制模拟环境恒温试验室，系统控制稳定、采用通讯仪表功能，用计算机软件记录温湿度的参数，呈现实时曲线，将所有信号用计算机软件保存。
  1、环境温度程序控制
  AI-708PAK5L1L1S型程序温度控制；传感器铂电阻PT100
          仪表代号、功能：主机708P程序控温仪表、A外形尺寸96×96mm、K5单相移相控制、L1报警控制、S通讯功能；
         加热器：采用鼓风循环加热器，在箱体中安装电热管，在箱体装隔热保温层，装配电机带动的风扇叶片 ，装支架， 组成鼓风循环加热器。功率16平方6KW平均分配3组。
          鼓风循环加热器，风道式电加热器主要用于风道中的空气加热，有一个箱体，箱体中有预热室，预热室中安装电热管，在预热室与箱体之间安有隔热保温层，其特征在于所谓的预热室是一个圆桶所构成，电热管安装在预热室的上部，在预热室的下部配有电机带动的风扇叶片。电加热管表面负荷取值保守，使用寿命长；风阻小，加热均匀，无高低温死角；另外加热管外面缠绕波纹式不锈钢钢带，增加了散热面积，大大提高了热交换效率；  图1

  
     
         控制：采用程序控制时间周期，按温度－时间－温度的格式来程序升温，轮流升降温度控制，模拟环境温度变化。在外部控制箱中装有温控装置。配用组装AI仪表温度控制柜对电加热器可控硅移相触发控制，采用移相控制延长了加热器的寿命，操作简单，稳定性高，精度高。仪表内部设有超温报警点，当检测温度不稳定引起局部超温现象，将输出报警信号，切断所有供热功率，保护加热元件的正常使用寿命，同时进一步使用户的加热设备能安全可靠的正常运行。
  2、环境风速程序控制
  AI-708PAX3L1L1S型程序风速控制；传感器：风速传感仪
        仪表代号、功能：主机708P程序控温仪表、A外形尺寸96×96mm、X3模拟量控制、L1报警控制、S通讯功能；
         变频循环风机：利用变频器的软起动/软停止功能，调速简洁实用，转速调整灵活，实现了软起动/软停止，调速平滑、稳定．降低了对低压系统的冲击，延长了设备使用寿命。
        控制：采用程序控制时间周期，按温度－时间－温度的格式来程序调速，轮流升降风量控制，模拟环境风速变化。在外部控制箱中装有调速装置。配用组装AI仪表程序风速控制。利用变频器的完备的保护功能实现对电动机的全面保护。变频器具有过电流、过电压、欠电压、电动机过载等保护功能。
  3、日照灯光调节
  AI-708PAK5L1L1S型程序温度控制；传感器：电压变送器
        仪表代号、功能：主机708P程序控温仪表、A外形尺寸96×96mm、K5单相移相控制、L1报警控制、S通讯功能；
         灯光照明：仪表测量测量灯具二端的电压，用移相触发控制可控硅调整灯具的发光亮的强度，调整平滑、稳定。
         控制：采用程序控制时间周期，按电压－时间－电压的格式来程序亮度，轮回升降亮度控制，模拟环境日昼变化。在外部控制箱中装有可控硅装置。配用组装AI仪表程序调光控制。采用单相移相触发控制，可靠性提高、抗干扰能力增强。
  4、湿度控制：
  AI-702MAJ0J0L5L5S仪表双路显示温度湿度。传感器2支三线制PT100
         仪表代号、功能：702M巡检仪、A外形尺寸96×96mm、J0三线制PT100输入、L5双路报警模块、S通讯功能；
         湿度测量：设计采用干湿球测量湿度，使用Pt100传感器作为温湿度测量探头使用寿命较长，能够适应恶劣环境中的温湿度测量；仪表的长期测量精度比使用一般湿敏元件的仪表更加稳定。 专用于高温高湿环境中的温湿度测量和控制。
         湿度控制：大自然环境试验室：由于模拟环境恒温试验室长年累月模拟自然界情况日晒雨淋在高湿情况中运行，显示温湿度，具有温度上下限报警，湿度上下限报警，4组独立报警输出，设定控制参数，报警输出控制喷水雾加湿。
          配合其他风速传感器、气压传感器，观察大自然环境试验室环境变化，观察农作物的生长情况，具有稳定的通讯功能，用计算机软件记录温湿度曲线，所有信号多能有计算机保存。
  5、调试方式：自动自整定
  程序控制仪表AI-708PFK5L1L1S增强型智能调节器。
        在使用过程中AI调节器 结合PID调节、自学习及模糊控制技术，由于自整定执行时采用位式调节，经2~3次振荡后，仪表内部微处理器根据位式控制产生的振荡，分析其周期、幅度及波型来自动计算出M 5、P、t等控制参数。
  6、程序设置：
         程序曲线的编排；程序调节器可用于按一定时间规律：温度－时间－温度－时间的格式来程序升温，自动改变给定值进行控制的场合。具有50段程序编程功能，可设置任意大小的给定值升、降斜率；具有跳转（目标段只限于前30段）、运行、暂停及停止等可编程/可操作命令，可在程序控制运行中修改程序；具有二路事件输出功能。可通过报警输出控制其他设备联锁动作，进一步提高设备自动化能力；具有停电处理模式、测量值启动功能及准备功能，使程序执行更有效率及更完善。
  三、控制分析
           影响模拟环境恒温试验室的精确控制因素很多，干扰量多如渗透风、设备散热、送风温度波动以及电热器供电电压的波动等，且某些干扰量如渗透风其最大值难于确定而没有采用相应的措施控制渗透风扰量，导致了房间温度的波动过大，使恒温室的恒温精度很难达到要求。在措施上要设立二道缓冲移门，达到进出隔离。
  由于传统的PID控制算法，其运算简单、调整不方便，采用传统的PID控制难于取得较好的控制效果。
          目前AI仪表自整定采用的是AI人工智能调节算法是采用模糊规则进行PID调节的一种新型算法，在误差大时，运用模糊算法调节，以消除PID饱和积分现象，当误差趋小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化。具有无超调、高精度、参数确定简单、对复杂对象也能获得较好的控制效果等特点。在使用过程中AI调节器 结合PID调节、自学习及模糊控制技术，实现了自整定/自适应功能及无欠调的精确调节，性能远优于传统PID调节器。
          对一个模拟环境恒温试验室系统建筑被控对象进行控制，恒温室建筑墙体、地板采用绝热材料，故室内外墙体和地板热量传递忽略不计。恒温室顶棚由盖板组成，存在缝隙，考虑有一定的渗透风，它是影响恒温室的房间温度最重要的因数。
  四、计算机监控
          应用宇电AIFCSV9.0组态软件经过二次开发和后台数据库组成，完成整个模拟环境恒温试验室系统的信息监控。采用了RS485总线技术，由于RS485总线技术具有良好的实时性、可靠性、抗干扰能力及检错能力，所以在一些条件比较苛刻的场合里广泛应用。通过串口实现整个系统运行监控，其画面包含：现场模拟图、设备运行状态指示、温度压力显示、各种参数设置、变频调节、实时温度曲线图、设定温度曲线图以及报警信息。
       在系统中由于AI系列仪表的出色性能，宇电又开发出基于AI仪表并具备现场总线特性的AIFCSV9.0计算机监控系统。AI仪表相当于现场总线系统中的各个控制单元，利用RS485作为现场通讯总线，采用宇电自行开发的AIBUS通讯协议，可在上位机上实现100%仪表功能操作如实时读取测量值、给定值、设置参数、自动/手动无扰动切换、调整手动输出值、启动/运行/停止程序，并具备开关量输入/输出操作能力。由于自己掌握100%知识产权，又是开放式结构，所以系统价格非常低廉，具有极高的性能/价格比。
       采用AIBUS协议的AI仪表在9600波特率下能在40ms内向上位机传送4个重要数据，比采用MODBUS协议的进口仪表速度高3-10倍以上，因此即使采用廉价的RS485通讯，AIFCS也具备如DCS或FF、PROFIDBUS等高价现场总线系统同等的使用效果，并可以组建大型系统，而不象通常进口仪表那样只能应用于小型系统。RS485不仅价格低，还具备布线简单、对通讯线要求低及通讯距离长等优点。
　    整个系统分为管理层、操作站和工业现场3个层级,也可只分操作站和工业现场两个层级。 管理层可提供工厂领导浏览现场实时工况画面，也可进行如使用权限、系统配置等高级设置；操作站供仪表班组和技术人员进行计算机实时监控；万一计算机系统发生故障时，仪表操作人员可依传统仪表使用方法直接操作仪表；工业现场提供各种控制信号，如模拟量输入/输出和开关量输入/输出至仪表。
  1、信息显示画面
          在流程图上可根据现场的要求添加工业现场的量程图片。仪表显示画面主要显示在模拟环境恒温试验室当前运行状态信息值，如当前温度、压力、等参数在流程图、实时趋势图或仪表画面上：点击【仪表显示框】出现操作平台：可看到该AI仪表定义控制设备的名称，位号、仪表型号，地址，量程上限，量限下限，测量单位，此时AI仪表的所有显示参数与控制按纽都体现在该平台上。
  2、实时报警处理画面
         对系统实时采集的数据进行判断，当符合报警条件后，屏幕将弹出闪烁的醒目报警信号，具有画面报警和声音报警功能。实时检测被测模拟环境恒温试验室参数以及系统电源等故障异常报警。可以对程序运行中发生的事件进行记录。具体在监控程序中可以设置所记录事件的类型，起止时间，对应的动作等。
  3、量程设置、程序设置画面
          具有一定权限的用户可以用密码登录后，对所测量的参数进行量程的设定，这样可以对因各种不可预知的外界因素产生的测量误差进行细微校正，保证所测量数据的有效性和真实性。此软件适合各种工业现场应用。对有升降温控制，使用AI-708P仪表所有的参数可设定，可编排程序，查看编排程序的走向，保存多条程序曲线，实现上传、下传，在线修改程序设置曲线，设置多条控温程序保存在软件系统内。修改【上限绝对值报警值HAL】在对话框里填写参数，点击“确定”参数就下传到现场AI仪表模拟环境恒温试验室调节器；
  4、报表打印画面
         选择报表名称、设置查询时间范围的打印时间段，选择查询间隔等，生成报表，随时打印，还可选择数据导出功能按Excel类型报表导出。各类报表可导出到软件外以Microsoft Excel文档或浏览器的形式保存。报表查询：输入起始与结束时间段查询历史数据；采样有1；3；5；15；30；60分钟可选择报表。
  5、实时数据曲线画面
         监视模拟环境恒温试验室有关参数的变化趋势曲线，从而可以了解模拟环境恒温试验室在一段时间的运行状况。工业现场温度控制器采集测量值，编辑实时曲线，可同时显示8条实时曲线，用颜色来区别。曲线显示可选百分比与实时曲线2种图。也可屏蔽其他曲线，显示单条曲线。呈现的实时数据，并存入系统内数据库，以便日后数据查询等使用。
  6、历史趋势画面
         功能与实时数据曲线类似，只是它显示的是过去一段时间设备的运行参数值。选中历史曲线组别，设置查询时间范围，显示的是单条或显示全部曲线，点击查询。在历史曲线上可写入备忘录，可写入59个字。直接打印在历史曲线上。可有选择1条或多条来打印历史曲线。
  7、运行记录画面
         记录软件运行中操作对应的动作记录备案。如：登陆系统、退出系统、打印曲线名称、修改参数等。选择时间段可查询某段时间的记录运行情况。
  8、用户管理画面
          可以允许不同权限的用户登陆，登陆后，可进行相关的操作。同时还可以允许用户注销自己的身份，这样既可实现灵活，方便的应用，又能保证系统的安全性。
  9、巡检报告画面
          用户根据模拟环境恒温试验室的运行情况，随时巡检模拟环境恒温试验室并记录运行情况，生成报告。可用于下达工作计划、留言备忘、可随时添加。
  五、结论
          经过实际生产使用证明，AI显示控制系统在模拟环境恒温试验室得到精确控制，整个控制系统具有很大的扩展性和可维护性，在工作环境改变时，可灵活增添或减少设备。不用考虑其他事项，造价低这对于系统的不断完善和升级换代奠定了很好的基础。使它的实时性、灵活性、组网方便性以及可维护性获得很好的保证。在一定程度上简化程序设计的工作量。是对模拟环境恒温试验室的一次革命性创新，将在模拟环境恒温试验室领域具有广泛的应用前景。