全自動除泡機多點控溫方案的設計

張欒欒

（中電科風華信息裝備股份有限公司， 山西 太原 030024）

引言

隨著液晶產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，對液晶生產(chǎn)設備的要求也越來越高，全自動除泡機成為了目前液晶行業(yè)中一個非常重要的設備，它為LCD 產(chǎn)品提供高溫高壓的生產(chǎn)環(huán)境，用于消除液晶模組中偏光片或OCA 貼附后產(chǎn)生的氣泡。除泡機主要工藝參數(shù)有溫度、壓力、時間等，其中溫度是除泡機設備的關(guān)鍵技術(shù)指標。但因溫度的特異性，在生產(chǎn)運行中溫度的精準度控制是設備穩(wěn)定、可靠的一項重要內(nèi)容。當前設備多采用單點監(jiān)測控溫來確定托盤腔體內(nèi)的空氣溫度值。但是現(xiàn)在更多的客戶希望腔體內(nèi)的實時溫度更加均勻、穩(wěn)定，所以經(jīng)過多次試驗改良，現(xiàn)在多采用多點監(jiān)控的方式來確保產(chǎn)品的良品率。

1 溫度控制原理

溫度控制技術(shù)無論是在工業(yè)生產(chǎn)還是日常生活中都起著非常重要的作用。在除泡設備中溫度參數(shù)也是關(guān)鍵工藝指標，除泡機的溫度控制系統(tǒng)采用溫控模塊根據(jù)PID 溫度控制原理[1]來對加熱溫度進行控制、監(jiān)測和調(diào)節(jié)。

PID 英文全稱為Process Integation Differentiation即由比例控制（P）,積分控制（I）和微分控制（D）組成。圖1 為PID 控制原理圖。

1）比例控制（P）：比例控制是一種最簡單的控制方式，其控制器的輸出與出入誤差信號成比例關(guān)系，當前溫度與設定溫度相差越大則加熱功率也加大。

2）積分控制（I）：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。有些系統(tǒng)溫度與加熱功率有滯后現(xiàn)象，只進行比例控制會出現(xiàn)震蕩，加入積分控制在達到設定溫度前提前減小加熱功率。比例+積分控制器可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。

圖1 PID 控制原理圖

3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分成正比關(guān)系。可以根據(jù)變化趨勢和變化速度控制加熱功率，如在相同時間內(nèi)溫度下降幅度相差一半，則加熱功率也相差一半。

2 除泡設備溫度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 除泡設備溫度控制方式

2.1.1 單點監(jiān)控測溫

溫度控制是DZC 自動除泡機中的一個關(guān)鍵工藝指標，以前的除泡機采用的溫度控制器（溫控儀）是通過采集一個點的溫度來控溫。圖2 為導熱板內(nèi)部構(gòu)造圖，環(huán)形加熱絲均勻分布到加熱板上，2 根溫度Sensor（K 型熱電偶）固定在兩層導熱板中間，如圖3 所示，控溫點Sensor 用于控制工作臺的工作溫度，可設置工作臺超溫后報警，測溫點Sensor 用于監(jiān)控工作臺的工作溫度，工作臺超溫后停止加熱。這種一控一監(jiān)的方式雖然簡單但是有一定的局限性，它僅僅可以滿足托盤比較小的設備。

2.1.2 多點監(jiān)控測溫

圖2 導熱板結(jié)構(gòu)圖

圖3 單點測溫排布圖

隨著自動化設備的不斷發(fā)展和顧客需求，一控一監(jiān)這種控溫方式已經(jīng)不能滿足較大尺寸的除泡機，大尺寸設備由于與外界接觸面積大、環(huán)境復雜及受各種因素的干擾，單點監(jiān)控采集的溫度信號穩(wěn)定性和可靠性都會下降，經(jīng)過機械與電氣設計試驗后，采用一控多點監(jiān)控的方式來控制加熱溫度。

機械設計方面在導熱板結(jié)構(gòu)不變的情況下，在兩層導熱板之間增加了4 個測溫點并均勻地分布在導熱板四周，中間點為導熱板控溫點，見圖4。

圖4 多點測溫排布圖

2.2 除泡設備溫度控制原理

首先在人機界面的溫度控制單元輸入目標溫度，通過溫控模塊與PLC 進行數(shù)據(jù)交互執(zhí)行命令開始加熱，加熱的同時監(jiān)控模塊也開始工作，加熱到設定值后，監(jiān)控模塊通過多處測溫點采集的數(shù)據(jù)，運用算數(shù)平均式求一個平均值，通過溫控模塊反饋到PLC 中，并與目標值進行比較，高于或者低于目標值設定的偏差值，控溫模塊會通過PID 控制原理來自動進行溫度調(diào)節(jié)，最后實現(xiàn)溫度穩(wěn)定于目標溫度，具體原理如圖5 所示。

圖5 除泡設備溫度控制原理圖

2.3 多點溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)

2.3.1 硬件設計

DZC 系列自動除泡機根據(jù)客戶需求和自動化控制產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求，選擇三菱Q 系列的PLC 作為整個控制的核心，使用PROFACE 的GP-4601T 生成人機界面，采用三菱Q64TCTTN 模塊[2]和K 型熱電偶實現(xiàn)溫度的采集、反饋和調(diào)控。

2.3.1.1 單點硬件

之前小尺寸設備單點測溫選用溫控儀與三菱控溫模塊來實現(xiàn)。

2.3.1.2 多點硬件

現(xiàn)在較大尺寸與大尺寸設備多點測溫硬件由原來的一通道溫控儀改為多通道臺達DTM 系列的溫度控制儀。DTM系列包括主機、擴展模塊和IO 擴展模塊，它可進行高達64 點溫度控制搭配RS-485 或Ethernet 串聯(lián)多組DTM群組，可實現(xiàn)多達上千點以上的溫度控制。DTMR08 為8 通道主機、DTMN08 為8 通道擴展模塊、DTM-BDR 為4 通道4 通道繼電器輸出卡，主機上RS-485 接口直接與人機界面COM2通 訊，COM2 為MODBUS485 通 訊 接 口，PLC 上MODBUS485 通訊模塊將可以省去，既降低了成本，最關(guān)鍵是還可以滿足日益復雜且高端的溫控要求。見圖6。

圖6 多點監(jiān)控原理圖

DTMR08 一個模塊可以同時接入一個導熱板4個監(jiān)控位置的熱偶。用DTM-BDR 繼電器輸出卡來控制KA 繼電器線圈的通斷，KA 繼電器為控制加熱通斷，當四路監(jiān)控有一路溫度超出所設置的偏差范圍就會發(fā)生報警，KA 斷路，加熱系統(tǒng)發(fā)生斷路就不再有加熱輸出信號，起到保護回路的作用。RS-485直接與人機界面通訊，我們可以快捷方便地在觸摸屏上讀取實時溫度。

2.3.2 軟件實現(xiàn)

Q64TCTTN 溫控模塊反饋回來的采集溫度傳送至PLC 指定的軟元件中，同時觸摸屏中設置的目標溫度值通過溫控模塊將數(shù)據(jù)傳送到緩沖存儲器中，具體設置如下頁表1 所示。

在硬件部分設計好的基礎上，軟件設計需將采集回來的四個測溫點利用算數(shù)平均數(shù)取一個平均溫度與設定好的目標溫度進行比較，利用上文提到的PID 控溫原理來實現(xiàn)溫度的實時調(diào)控。

表1 溫控模塊參數(shù)設置

人機界面溫度設置界面可以通過曲線圖來看到當前實時溫度的變化趨勢。

單點測溫：單點測溫只能通過采集一個點的溫度來調(diào)節(jié)導熱板溫度，過程中會出現(xiàn)超調(diào)量高趨于穩(wěn)定時間長的情況，如圖7 所示。

圖7 單點測溫溫度升溫曲線圖

多點測溫：多點測溫是通過采集多個點的溫度算出的平均值來調(diào)節(jié)導熱板溫度，升溫過程中超調(diào)量小，趨于穩(wěn)定時間短，控溫精度更高，如圖8 所示。

3 結(jié)論

圖8 多點測溫溫度升溫曲線圖

1）通過單點控溫的實際項目分析，單點控溫響應時間長、超調(diào)量高[3]、溫度均勻性差，不能滿足客戶現(xiàn)場溫度控制要求。

2）多點控溫突破了單點控溫的局限性，能夠準確地反應當前測溫表面溫度變化趨勢，通過PID 算法優(yōu)化及實際測溫分析，多點控溫響應時間短、超調(diào)量變小、溫度均勻性更好、控制精度高、速度快，能夠較好地滿足客戶溫度控制要求高以及溫度要求高的產(chǎn)品。

3）隨著自動化除泡設備技術(shù)的不斷提升，溫度控制精度也成為了重要的工藝指標，市場對大尺寸LCD 面板的需求也日益增長，與之相適應的大尺寸除泡設備將會具有更加廣闊的市場前景。多點測溫控制系統(tǒng)的設計將會帶來顯著的經(jīng)濟效益的增長，為開拓更大的市場奠定了良好的技術(shù)基礎。