劉 邦，趙乃輝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

基于高溫高壓容器的多通道溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 邦，趙乃輝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

LCD除泡機(jī)用于排除液晶盒玻璃與觸摸蓋板或者偏光片貼合后之間殘存的氣體，是LCD工業(yè)生產(chǎn)中至關(guān)重要的高溫高壓生產(chǎn)設(shè)備。針對(duì)目前LCD除泡機(jī)相對(duì)比較落后的單點(diǎn)溫度控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了高精度、多通道溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。該溫度控制系統(tǒng)包括溫度采集模塊、上位機(jī)(PC)模塊及PLC控制系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)多通道溫度高速采集、精確計(jì)算，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和加熱管工作時(shí)間,精確控制高溫高壓容器內(nèi)的溫度及改善其分布均勻性。

溫度控制；高溫壓力容器；單片機(jī)；LABVIEW；PLC

溫度因其特有的性質(zhì)，穩(wěn)定的溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中具有舉足輕重的作用。隨著電子技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，精確測(cè)量和控制技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。單片機(jī)具有數(shù)據(jù)計(jì)算能力強(qiáng)大、運(yùn)算速度快、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用到各個(gè)控制領(lǐng)域。結(jié)合單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)上位機(jī)進(jìn)行控制運(yùn)算、分析，成為控制領(lǐng)域的主流方式。

LCD除泡機(jī)是LCD(Liquid Crystall Display)(下文統(tǒng)稱除泡機(jī))生產(chǎn)線上的后處理設(shè)備，用于排除液晶盒玻璃與觸摸蓋板(Touch panel)或者偏光片貼合以后之間殘存的氣體。本設(shè)備屬于壓力容器范圍，按GB150-2011標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、制造，并按JB/T4370-2005標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，受壓力容器安全技術(shù)監(jiān)督規(guī)程監(jiān)察。電氣設(shè)計(jì)符合國(guó)家GBT4793.1-1995標(biāo)準(zhǔn)。主要工藝參數(shù)為溫度、壓力、工作時(shí)間等。其工作流程為：將LCD放入除泡機(jī)的腔體內(nèi)，充氣，加熱；滿足溫度、壓力條件以后開(kāi)始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)完成后，完成排氣，結(jié)束工作流程。

目前除泡機(jī)的控制系統(tǒng)主要是采用PLC作為工作控制單元，加熱管作為發(fā)熱單元，除泡機(jī)腔體內(nèi)裝有帶葉輪的電機(jī)，通過(guò)攪拌熱空氣確保溫度分布均勻性。溫度控制系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單的閉環(huán)系統(tǒng)，使用與控制單元相匹配的溫度控制模塊讀取熱電偶測(cè)量的當(dāng)前腔體單點(diǎn)溫度，通過(guò)與設(shè)定的工作溫度比較，PLC控制加熱管是否工作。由于除泡機(jī)為壓力容器，考慮到其密閉性，在腔體上留過(guò)多熱電偶檢測(cè)孔不現(xiàn)實(shí)，所以除泡機(jī)一般只使用一個(gè)熱電偶測(cè)量腔體內(nèi)部溫度。這種單點(diǎn)溫度控制只是根據(jù)單點(diǎn)溫度確定整個(gè)腔體內(nèi)的溫度情況，不能有效的反應(yīng)腔體內(nèi)實(shí)際的溫度分布情況，無(wú)法精確對(duì)其進(jìn)行控制。

圖1 除泡機(jī)溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

結(jié)合現(xiàn)階段除泡機(jī)溫度控制系統(tǒng)的不足，作者提出基于高溫高壓密閉容器的多通道溫度采集控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)由溫度采集模塊、上位機(jī)(PC)模塊和PLC控制系統(tǒng)組成。溫度采集模塊實(shí)現(xiàn)高溫高壓環(huán)境下測(cè)量、記錄腔體內(nèi)的多通道溫度值，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸形式傳輸?shù)矫荛]腔體外，這樣可顧及壓力容器的密閉性問(wèn)題，也實(shí)現(xiàn)了多通道檢測(cè)[1]。上位機(jī)(PC)模塊實(shí)現(xiàn)結(jié)合先進(jìn)控制算法計(jì)算、分析溫度采集模塊傳輸出來(lái)的數(shù)據(jù)，將結(jié)果傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng)中。PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出量的控制，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和加熱管工作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了高精度、快速反饋的多通道閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)。

圖2 多通道閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 溫度控制系統(tǒng)模塊化組成

2.1 溫度采集模塊設(shè)計(jì)

該模塊可在10 ℃～80 ℃高溫，0 MPa～0.8 MPa高壓環(huán)境下正常工作，主要功能是周期性采集多通道溫度傳感器中的數(shù)據(jù)，將其記錄到內(nèi)部記錄模塊中，并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。實(shí)現(xiàn)兩種方式與上位機(jī)(PC)通訊：1) 通過(guò)USB線連接上位機(jī)(PC)，上位機(jī)發(fā)送讀取指令，溫度采集模塊一次性將記錄的溫度數(shù)據(jù)發(fā)出；2) 通過(guò)WIFI模塊與上位機(jī)(PC)模塊無(wú)線網(wǎng)卡連接，實(shí)時(shí)發(fā)送采集到的多通道溫度數(shù)據(jù)[2]。

模塊結(jié)構(gòu)組成：

1) CPU模塊：采用STC15型單片機(jī)，其具有高速、高可靠性，超低功耗等優(yōu)點(diǎn)。包含豐富的外設(shè)資源，雙獨(dú)立串口，高速10位A/D轉(zhuǎn)換器等。

2) 記錄模塊：采用W25X16 FLASH芯片，CPU模塊通過(guò)SPI接口方式寫入與讀取數(shù)據(jù)。

3) WIFI模塊：采用USR-215 WI-FI模塊，CPU模塊通過(guò)串口方式與其連接，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入其緩存區(qū)內(nèi)，該模塊自動(dòng)發(fā)出。

4) 電源模塊：采用三節(jié)1.5 V堿性干電池，為記錄儀提供穩(wěn)定的3 V～4.5 V工作電壓。

圖3 多通道溫度采集模塊結(jié)構(gòu)圖

5) 溫度傳感器模塊：采用DS18B20溫度傳感器，具有體積小，低功耗，抗干擾能力強(qiáng)，精度高等優(yōu)點(diǎn)，其獨(dú)特的單線接口方式，與CPU連接時(shí)僅需要一條接線實(shí)現(xiàn)雙向通訊。

2.2 上位機(jī)模塊設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序采用NI公司的LabVIEW軟件編寫，LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言。傳統(tǒng)文本編程語(yǔ)言根據(jù)語(yǔ)句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式。LabVIEW最早主要用于測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域，隨著其不斷發(fā)展，LabVIEW的應(yīng)用范圍已經(jīng)覆蓋了工業(yè)自動(dòng)化、測(cè)試測(cè)量等眾多領(lǐng)域[3]。

由于程序功能需要同時(shí)處理多個(gè)事件:1) 實(shí)時(shí)接收溫度采集模塊發(fā)送的溫度值；2) 計(jì)算、分析收到的總的溫度數(shù)據(jù)；3) 將計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng)；4) 將收到的溫度數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果顯示到顯示屏上。單純使用事件結(jié)構(gòu)或者順序結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)界面數(shù)據(jù)不更新、有延遲等卡死現(xiàn)象。

所以上位機(jī)模塊建立程序構(gòu)架主要利用LabVIEW便利的多線程編程方式，分為功能選擇模塊、數(shù)據(jù)接發(fā)模塊、數(shù)據(jù)計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊等模塊化線程，模塊內(nèi)部和模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸利用消息隊(duì)列方式。各個(gè)模塊內(nèi)部采用消息隊(duì)列的狀態(tài)機(jī)方式自行運(yùn)行。事件處理器實(shí)現(xiàn)界面功能選擇，當(dāng)需要指定模塊做出相應(yīng)動(dòng)作時(shí)，事件處理器將命令指令寫入對(duì)應(yīng)的消息隊(duì)列中。

圖4 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)圖

2.3 實(shí)現(xiàn)PLC數(shù)據(jù)連接

ActiveX是Microsoft提出的一組COM(Component Object Model，部件對(duì)象模型)，它與具體的編程語(yǔ)言無(wú)關(guān)。LabVIEW具有調(diào)用ActiveX，通過(guò)屬性和方法來(lái)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用程序的交互，使用的ActiveX控件就是在應(yīng)用嵌入的一個(gè)對(duì)象。

本文中采用的PLC為三菱公司的Q系列PLC。要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與PLC通訊必須按照三菱規(guī)定的通訊協(xié)議去編輯傳輸數(shù)據(jù)，目前最簡(jiǎn)單的辦法就是利用該公司提供的通訊控件MX-Component。LabVIEW調(diào)用ActiveX功能，引用MX-Component控件，將計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果寫入到PLC中，實(shí)時(shí)調(diào)整控制電機(jī)轉(zhuǎn)速及控制加熱管工作時(shí)間控制溫度及其均勻性。

圖5 實(shí)現(xiàn)調(diào)用MX-Component控件

3 控制結(jié)果分析

對(duì)所設(shè)計(jì)的各個(gè)功能模塊調(diào)試完成之后，將控制系統(tǒng)與除泡機(jī)組合成閉環(huán)控制系統(tǒng)。測(cè)量一個(gè)工作周期，上位機(jī)可得腔體內(nèi)的溫度分布曲線圖。從圖中可看出剛開(kāi)始腔體內(nèi)溫度分布不均勻，開(kāi)始加熱、加壓后，溫度開(kāi)始上升并均勻度提高。上升到設(shè)定溫度值時(shí)，電機(jī)速度減小，并根據(jù)當(dāng)前溫度分布情況調(diào)整，保證良好的溫度分布情況，實(shí)現(xiàn)了溫度的閉環(huán)控制和多通道檢測(cè)。

圖6 上位機(jī)溫度數(shù)據(jù)計(jì)算及曲線顯示界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于當(dāng)前LCD除泡機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，提出了STC15單片機(jī)和NI公司的LabVIEW軟件的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了高精度，高實(shí)時(shí)性壓力容器內(nèi)多通道閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，解決了高溫高壓密閉容器內(nèi)部，無(wú)法進(jìn)行多通道溫度檢測(cè)并閉環(huán)控制的問(wèn)題。在“智能制造”和“工業(yè)4.0”浪潮的推動(dòng)下，該溫度控制系統(tǒng)具有精度高，測(cè)量點(diǎn)多等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了對(duì)壓力容器內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)精確測(cè)量并控制的目的，也讓工業(yè)生產(chǎn)者能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到溫度均勻性，提高了生產(chǎn)效率。

[1] 馮文旭，劉傳璽.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[2] 郭天祥.51單片機(jī)C語(yǔ)言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3] 陳樹(shù)學(xué)，劉萱.Labview寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

The Design of Multi-channel Temperature Control System Based on High Temperature and High Pressure Container

Liu Bang, Zhao Naihui

(The2ndResearchofCETC,TaiyuanShanxi030024,China)

LCD clave machine is used to eliminate the residual gas which exists between the liquid crystal box glass with touch panel or polaroid after laminating, it is vital production equipment of high temperature and high pressure in the production of LCD industrial. In view of the single point temperature control system of the present LCD clave machine which is relatively backward, the paper designs a high-precision, multi-channel temperature closed loop control system. The temperature control system includes temperature acquisition module, the upper machine module (PC) and PLC control system etc to realize high-speed multi-channel temperature acquisition, accurate calculation, adjust the fan speed and heating pipe work time, and accurately control the temperature in the high temperature and high pressure vessel and improve its distribution uniformity.

temperature control; high temperature and pressure container; microcontroller; LABVIEW; PLC

2017-02-20

劉 邦(1989- )，男，山西呂梁人，助理工程師，碩士，主要從事液晶顯示專用設(shè)備的研發(fā)工作。

1674- 4578(2017)02- 0007- 04

TP273.5

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