基于PIC单片机和PID算法的晶间腐蚀实验智能控制系统的设计＊

徐武德，马芳兰，马宏伟，张红霞，杨国辉，郑 礴

（甘肃省科学院 传感技术研究所甘肃省传感器与传感技术重点实验室，甘肃 兰州 730000）

基于PIC单片机和PID算法的晶间腐蚀实验智能控制系统的设计＊

徐武德，马芳兰，马宏伟，张红霞，杨国辉，郑 礴

（甘肃省科学院 传感技术研究所甘肃省传感器与传感技术重点实验室，甘肃 兰州 730000）

针对现有晶间腐蚀实验系统采用人工操作，劳动强度大，实验精度差，检测效率低的问题，设计了一种基于PIC单片机和PID算法的智能晶间腐蚀实验控制系统。该系统以PIC单片机为核心处理单元，PID算法为关键控制算法，结合TFT触摸屏，完成从晶间腐蚀实验从快速加热、溶液微沸状态判断、微沸状态保持、循环冷凝水控制、远程监控、自动报警、实验结束全过程的智能控制。该系统适用于国标GBT4334-2008中B法、C法、E法及美标G48A法等相关实验方法。实验结果表明，系统的智能化程度，使晶间腐蚀实验操作简单、便捷、高效、智能，大幅提高了实验效率及实验的安全性和准确性。

PIC单片机；晶间腐蚀；PID算法；智能控制

晶间腐蚀，是指在某些环境中，金属、合金和不锈钢等材料的晶界的溶解速度远大于晶粒本身的溶解速度时，会产生沿晶界进行的选择性局部腐蚀。这种腐蚀使晶粒间的结合力大大削弱，严重时可使机械强度完全丧失。因此评定材料的晶间腐蚀倾向是机械装备制造中极其重要的检测项目。目前国内的晶间腐蚀设备大多属于自行组装，成型的设备也是只能做某种单一的试验方法，无法实现晶间腐蚀实验的检测试样大批量、多种试验方法同时进行，检测效率低，很难满足生产实际的需求[1]。因此研制多功能智能化一体、能够实现大批量、多种试验方法同时进行的晶间腐蚀实验设备迫在眉睫。

针对现有晶间腐蚀实验设备人力、物力耗费大的问题，本文提出了一种基于PIC单片机和PID算法的智能晶间腐蚀实验控制系统的设计。该系统以PIC单片机为核心处理单元，PID算法为关键控制算法，结合TFT触摸屏，完成晶间腐蚀实验从快速加热、溶液微沸状态判断、微沸状态保持、循环冷凝水控制、远程监控、自动报警、实验结束全过程的自动控制。该系统适用于国标GBT4334-2008中B法、C法、E法及美标G48A法等相关实验方法，设有三个工位，各工位可以独立工作也可以多工位同时工作。整个实验过程全数字化控制，达到有效提高工作效率，节约测试成本的目的。

1 系统工作原理及结构

根据我国 《GBT4334-2008金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》标准的要求，基于PIC单片机和PID算法的晶间腐蚀实验智能控制系统通过控制溶液温度来控制溶液微沸状态。将温度作为溶液微沸状态的唯一参量，控制并保持溶液的微沸状态。为了将温度精确的控制在一定范围内，对加热装置采用PID调节控制方式。PID控制器[2]采集温度传感器信号，通过软件计算来控制加热装置的输出功率，使得实验溶液迅速达到并保持在微沸状态。通过控制加热装置的输出功率，进而控制加热容器中溶液的温度，最终实现实验系统中溶液的加热、微沸状态的保持。由于晶间腐蚀实验所使用的溶液大都是具有腐蚀性的酸性液体，必须在密闭容器中进行，为了防止溶液加热使容器内的因温度升高而压力增大，发生容器爆裂，为实验系统配备有冷凝装置。系统结构如图1所示：

图1 系统结构示意图

2 晶间腐蚀实验控制系统的设计

2.1 系统主要硬件设计

1)微控制器。微控制器是系统的核心处理单元，所有外围设备的控制、通信、数据采集处理、故障判断等功能。本系统选用美国Microchip Technology公司PIC16F877A单片机为处理单元。PIC16F877A属于Flash单片机，可以重复烧录，其内部有8K的FLASH程序存储器和512B的RAM数据存储器；不仅采用精简指令集RISC技术，而且还采用哈佛总线结构，两级流水线取指令方式，它具有实用、低价、指令集小、低功耗、高速度、体积小、功能强等特点[3]。

2)集中管理器。集中管理器是本系统人机交互的接口，它采用TFT液晶触摸设备完成实验中各个参数设定和实时数据显示。本系统采用北京迪文科技有限公司的 10.2英寸 1024×600图形点阵K600+内核65K色的DGUS屏。 集中管理器设计有开机界面、功能菜单、参数设定、运行控制、故障报警等控制显示界面。如图2所示，图2(a)功能菜单界面选择下一步要进行的操作；图2(b)参数设定界面完成每一工位的运行参数；图2(c)晶间腐蚀系统运行界面显示当前每一工位的参数以及工位的起停控制；图2(d)故障类型界面显示出现故障的部件或类型。

图2 集中管理器控制界面显示

3)PID控制器的设计。数字式PID控制算法可以分为位置式PID和增量式PID控制算法[5]。本系统采用的是数字增量式PID控制。数字PID控制系统中用数字控制器代替模拟控制器。控制过程如下：首先通过模拟量输入通道对控制参数进行采集，并将其转换为数字量，然后送入微控制器后按一定的算法进行处理，运算结果由模拟量输出通道转换为模拟量输出。并通过执行机构控制被控对象，以达到期望的控制效果。数字PID控制器原理框图如图3所示：

图3 数字PID控制器原理框图

4)温度采集。温度是溶液保持微沸的关键参数，温度采集的准确与否直接关系到系统功能的实现。因此根据晶间腐蚀的相关标准的要求，本系统采用Pt100作为温度采集的传感器，Pt100铂热电阻是一种精度高、线性度好、测量范围宽的温度传感器。

5)电磁阀控制。电磁阀是控制每一个工位冷凝水进入冷凝器的控制阀门。为了保证每一个工位可以独立工作，三个工位之间互不影响，为每一个工位配置了一个电磁阀，只有该工位工作时，冷凝水才会进入该工位的冷凝器。不工作的工位冷凝水是关闭的。同时，当某一个工位冷凝管路出现故障时，不影响其他工位的工作。

6)电磁阀故障检测。晶间腐蚀实验是在密闭的容器中加热进行，加热温度一般在100℃左右，会有一部分液体蒸发，使容器内的压强增大。加热容器顶部的冷凝器一方面是为了密封容器，另一方面也可以将因加热蒸发的液体再次液化，回流到溶液中，降低容器内的压强。电磁阀一方面是为了保证每一个工位的冷凝水可以独立工作，另一方面也是为该工位加热容器起冷凝作用，保障该工位的正常工作。一旦电磁阀出现故障，打不开，冷凝水进入不到冷凝器，加热容器中溶液的蒸发造成容器内压强增大，就会发生危险。因此本系统在冷凝管路上安装了压力传感器，当冷凝管路中的压力降低或没有压力时，压力传感器就会发出报警，同时系统做出响应。电磁阀故障检测电路如图4所示：

图4 电磁阀故障检测电路

7)循环冷凝水的设计。本文所设计的晶间腐蚀实验系统是在密闭的容器中加热进行，加热温度一般在100℃左右，加热过程中容器内的压强会增大，易引发容器爆裂现象。为了防止容器爆裂，采用循环冷凝水装置[8,9]。该装置利用不高于20℃的冷凝水冷却加热容器内蒸发的腐蚀溶液，通过变频器控制水泵，使总进水管内保持恒定压力，冷凝器中有恒定流速的冷凝水，冷凝水管路压力在冷凝器承受的安全范围内，同时保证冷凝效果。

本系统循环利用冷凝水对加热容器内蒸发的腐蚀溶液进行冷却降温，保证加热容器内的压力一直处于安全水平。与原有的冷凝系统相比，该系统冷凝水用量从3t/次降至0.01t/次，节约用水量高达99.7%，节约成本效果显著。本系统循环冷凝水工作原理框图如图5所示：

图5 循环冷凝水工作原理框图

2.2 系统软件设计

基于PIC单片机和PID算法的晶间腐蚀实验智能控制系统软件是运行在PIC16F877A微控制器的智能实验控制器软件。由C语言编写而成，主要实现温度信号的采集和处理、TFT液晶触摸屏的通信、PID控制器的输出控制以及故障检测等功能。

系统软件采用模块化设计方法，主要包括系统初始化子程序、PID控制器初始化子程序、电磁阀健康自检子程序、指定工位启动子程序、指定工位加热升温子程序、指定工位恒温子程序、指定工位停机子程序。图6是其中一个工位工作的程序控制流程图。其中，变量ll表示工位所处的状态，RD是电

磁阀健康状况标识，F-temp是指工位的设定温度。

3 系统现场测试

本系统在兰州兰石检测技术有限公司进行了晶间腐蚀实验的现场测试。现场测试图如图7所示，图7(a)为晶间腐蚀系统实时运行图，此时2号工位工作，1，3号工位暂停，表明各工位之间工作互不影响；图7(b)是三个工位同时进行腐蚀试验的图。经测试，晶间腐蚀系统可以同时对3个工位进行试验，其温度测量范围为：0～150℃，试验时间最长可达9999分钟，满足国标GBT4334-2008中B法、C法、E法及美标G48A法等相关实验方法的要求。测试结果表明，系统能有效地将腐蚀溶液控制在试验要求的微沸状态下，控温精度高，操作方便，具有很高的稳定性和可靠性。

图6 单工位工作控制程序

图7(a) 晶间腐蚀系统实时运行

图7(b) 三工位腐蚀试验图

4 结语

基于PIC单片机和PID算法的晶间腐蚀实验智能控制系统采用智能控制技术，控温精确，自动化程度高，整个实验过程无需人工干预，实现了实验过程中参数的数字化控制，使实验操作简单、便捷，系统运行高效、智能，提高了实验的安全性和准确性。

本系统是一款应用于检测金属晶间腐蚀敏感性的实验系统，适合工矿设备制造企业对设备原材料的质量检验，同时适合科研单位和高校对金属材料晶间腐蚀敏感性的研究使用，也可用于质量监督机构对产品质量的检验监督使用，具有广阔的市场前景。

[1]张丽霞，单达文.一种晶间腐蚀实验装置[P].中国专利，CN102590071A.2012,07.

[2]赵敏.智能自适应PID控制器设计及仿真研究[D].哈尔滨工业大学,2012.

[3]http://www.microchip.com.

[4]http://www.dwin.com.cn/products/DGUS-LCD-screen.html.

[5]原继萍,刘海亮.数字式PID控制算法研究[J].航天控制, 2010,28(5):9-12.

[6]严长城,应贵平.基于PT100铂热电阻的高精度测温系统的设计[J].机电工程技术,2015,44(03):71-74.

[7]于铄航,李建新,贺琳.基于Pt100铂热电阻的测温电路设计[J].工矿自动化,2014,40(6):113-115.

[8]薛继辉.密闭式冷凝水回收系统设计与研发[D].南京理工大学,2010.

[9]Hsueh,M.-H.The Cooling Device of Drum Brake System by Using Thermoplastic Cooling Module[C].Computer, Consumer and Control(IS3C),2012 International Symposium on.June,2012:833-836.

TP273+.5

甘肃省科学院青年科技创新基金项目（2014-CG-28）。