PAS500在文物展柜净化调湿装置中的应用

裘宏波，裴文龙，程海栗

（重庆川仪自动化股份有限公司，重庆 401121）

0 引言

文物是传承历史的重要符号，是一种不可再生的文化资源，它不仅是进行传统文化教育的重要载体，而且具有重要的历史研究价值、科学研究价值和经济价值。温度、湿度、光辐射、空气污染物和微生物等外界的环境因素对文物的保存有很大的影响。科学、有效地监控文物所处的环境参数，提供适合文物存放的环境条件，可以有效地延缓文物老化腐蚀的速度，进而延长文物的寿命。

文物展柜是文物存放和展陈的重要器具，是博物馆展厅不可或缺的组成部分。展柜的主要功能是既能持续、恒定地为文物提供适宜的保存环境，又能使文物呈现更好的展示效果。智能文物展柜集自动化控制技术于文物展柜，其主体由玻璃面、金属骨架、特制柜门开启机构、密封机构和专用标准零部件等组成，并且可单独配置照明系统、恒温恒湿系统、抗震系统和安防系统等。

PAS500是重庆川仪自动化股份有限公司自主设计、研发和制造的一种过程自动化控制系统。该系统基于冗余集散型控制系统构架设计，模块化设计思想和开放性的设计理念，使该系统具备良好的开放性和扩展性，适用于石油、化工、冶金、轻工、能源和环保等行业的过程自动化控制。PAS500是一种基于工业级标准设计的控制系统，应用在文物展柜控制中具有更高的可靠性和稳定性。

温度、湿度以及空气压力和清洁度是文物存放的主要环境指标。存放不同文物的最佳环境条件也有所不同。本文在简要介绍重庆川仪自动化股份有限公司研制的智能展柜净化调湿装置原理的基础上，阐述用PAS500完成该装置监控功能的实现方法和过程。

1 监控装置总体方案

本文涉及的智能展柜净化调湿装置主要功能是空气净化、气压调节、湿度调节和温度调节等，其设计原理如图1所示。展柜是一个密闭的容器，通过进气口和出气口与净化调试装置连接，形成一个气体循环回路。在展柜合适的位置安装温度、湿度、气压和污染物测量仪表，以获取展柜相关环境参数。若检测到污染物超标，则导通并使能空气净化装置，对回路气体进行净化。若检测到气压低，则导通并打开抽气泵1并使能空气净化装置，向回路中注入空气。若检测到气压高，则导通并打开抽气泵2，同时使能废气处理装置，将回路中的部分气体抽出。若检测到湿度低，则导通水箱，对回路气体进行加湿处理。水箱中的水由自动补水装置提供，若水量不足，则启动自动补水装置向水箱中注水；若水量过剩，则将过剩的水排到自动补水装置供后续利用。若检测到湿度高，则导通并使能除湿装置，对回路气体进行除湿处理。若检测到温度低，则导通并使能加温装置，对回路气体进行加温处理。若检测到温度高，则导通并使能降温装置，对回路气体进行降温处理。

图1 净化调湿装置工作原理图Fig.1 Purifying humidifier diagram

表1 模块通道定义表Table 1 Module channel definition table

2 PAS500实现监控功能

2.1 PAS500系统构成

PAS500是一种基于集散型控制系统构架设计的过程控制系统，由输入输出层、控制层和监控层构成。输入输出层由各种IO模块组成，用于输入信号采集和控制信号输出。控制层的主要部件是控制器，其主要功能是获取各类输入信号，根据组态程序执行控制逻辑，以及控制输出模块的信号输出。PAS500控制器基于X86工控板平台设计，操作系统是Linux。运行于控制器上的控制软件符合IEC 61131标准。监控层由操作站和工程师站等部分构成。操作站的功能是获取和显示监视信息，并根据应用需求发送操作指令到控制器。工程师站具备前述操作站的功能，但其更主要的功能是对系统进行配置并实现控制程序和监控画面组态的设计、修改、维护以及调试等功能。

图2 湿度调节算法流程Fig.2 Control algorithm

2.2 输入输出层配置

在该应用中，输入输出层采用展柜专用模块PAS3281。该模块提供14路模拟量信号采集、8路开关量信号采集和24路开关量信号输出功能。该模块各通道功能定义如表1所示。

2.3 控制层处理

该装置的主要控制功能有温度调节、湿度调节、空气净化、压力调节（包括废气排放处理）以及水箱水位控制等。

温度和湿度是文物存放环境极其重要的参数，也是两个控制难度较高的参数。该装置湿度控制精度设计要求为4%。为达到更好的控制效果，将控制精度设计为可设置参数，参数变量名为：HumiConPrec。该装置湿度的量程为0至100%RH，湿度控制点设置为HumiSetPit，则湿度控制低限为

HumiLowPit=(HumiSetPit - (HumiConPrec × 100))%RH

湿度控制高限为

HumiHighPit=(HumiSetPit + (HumiConPrec × 100))%RH

测试结果显示，湿度调节的过程较慢并且较大滞后作用，因此在部分湿度范围内采用PID控制算法实现调节。湿度调节的算法是当湿度高于HumiHighPit，则启动除湿；湿度处于HumiSetPit和HumiHighPit之间，采用PWM方式控制除湿启动时间，PWM占空比由PID算法计算；湿度低于HumiLowPit，则导通水箱加湿；湿度处于HumiLowPit和HumiSetPit之间，采用PWM方式控制水箱加湿导通时间，PWM占空比由PID算法计算。湿度调节控制的具体实现流程如图2所示。温度调节控制方式与湿度调节相似，参数有所不同。

空气净化、压力调节（包括废气排放处理）以及水箱水位控制等相对温湿度调节要简单一些，这里就不再一一介绍。

此外，针对诸如湿度设定值和控制精度设定值等一些需要长久保存的参数和变量，控制器提供数据掉电保存功能。这样，用户在装置投运阶段将参数设置好，以后装置运行时系统会自动读取保存的参数并执行控制功能。另外，控制器提供WIA-PA无线通信协议接口，可以将展柜相关环境参数发送给中央集控器，方便用户对展厅内的多个展柜进行集中监控。

图3 展柜湿度历史趋势图Fig.3 Displays the humidity history charts

2.4 监控层实现

该装置的监控层由一台运行Windows XP操作系统的小型触摸屏计算机和PAS500的HMI软件组成。基于该应用需要，监控层提供监视和参数设置功能。

该装置的监视功能即实时显示展柜中温度、湿度、污染物和气压值，并记录和显示温度、湿度、污染物和气压值的历史趋势和高低报警信息。图3为湿度控制设定值为60%RH，控制精度为2%时，展柜内湿度部分历史趋势图。

该装置控制功能需要设置的参数有16个，分别为温度、湿度、污染物和气压的控制设定值、控制精度、低报警值和高报警值。授权用户可以在HMI软件提供的人机界面对上述各参数进行设定和修改。HMI软件会将设定或修改的参数值实时发送给控制器。这样，用户就可以根据不同文物的环境要求设置不同展柜的控制参数，以提供更好的文物展存环境。

PAS500的HMI软件提供多等级和多用户授权管理功能，即不同的用户具有规定的授权等级，不同的授权等级对监控系统有不同的操作权限。本应用的监视功能是一种常规功能，可以对所有用户开放，因此可以不设置访问权限。为了避免有意或者无意地非法参数设定动作执行，对数设定功能设置访问权限，登录该系统的用户只有具有权限，才可以对参数进行设定和修改。

3 总结

经过长时间地测试和验证，PAS500能对该装置进行有效地控制，达到密闭展柜环境净化和温湿度调节要求，且温度、湿度和气压控制精度可达≤2%。图3中红色曲线为测试过程中的一段湿度趋势图，图中测试曲线与设定值的最大差值为1.6%RH。PAS500是基于工业级要求设计的一种控制系统，其模块化的结构、灵活的系统配置以及方便的算法和画面组态，使其不仅具有很高的可靠性和稳定性，而且具有极好的开放性和扩展性，适用各类珍贵文物展存环境的监控。

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