劉 邦，趙乃輝

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

基于高溫高壓容器的多通道溫度控制系統(tǒng)設計

劉 邦，趙乃輝

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

LCD除泡機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)生產中至關重要的高溫高壓生產設備。針對目前LCD除泡機相對比較落后的單點溫度控制系統(tǒng)，設計了高精度、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(PC)模塊及PLC控制系統(tǒng)等，實現多通道溫度高速采集、精確計算，通過調節(jié)風機轉速和加熱管工作時間,精確控制高溫高壓容器內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；LABVIEW；PLC

溫度因其特有的性質，穩(wěn)定的溫度控制在工業(yè)生產過程中具有舉足輕重的作用。隨著電子技術和軟件技術的迅速發(fā)展，精確測量和控制技術得到了廣泛應用。單片機具有數據計算能力強大、運算速度快、低功耗等優(yōu)點，所以廣泛應用到各個控制領域。結合單片機的優(yōu)點設計上位機進行控制運算、分析，成為控制領域的主流方式。

LCD除泡機是LCD(Liquid Crystall Display)(下文統(tǒng)稱除泡機)生產線上的后處理設備，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。本設備屬于壓力容器范圍，按GB150-2011標準設計、制造，并按JB/T4370-2005標準檢測，受壓力容器安全技術監(jiān)督規(guī)程監(jiān)察。電氣設計符合國家GBT4793.1-1995標準。主要工藝參數為溫度、壓力、工作時間等。其工作流程為：將LCD放入除泡機的腔體內，充氣，加熱；滿足溫度、壓力條件以后開始計時，計時完成后，完成排氣，結束工作流程。

目前除泡機的控制系統(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，除泡機腔體內裝有帶葉輪的電機，通過攪拌熱空氣確保溫度分布均勻性。溫度控制系統(tǒng)采用簡單的閉環(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量的當前腔體單點溫度，通過與設定的工作溫度比較，PLC控制加熱管是否工作。由于除泡機為壓力容器，考慮到其密閉性，在腔體上留過多熱電偶檢測孔不現實，所以除泡機一般只使用一個熱電偶測量腔體內部溫度。這種單點溫度控制只是根據單點溫度確定整個腔體內的溫度情況，不能有效的反應腔體內實際的溫度分布情況，無法精確對其進行控制。

圖1 除泡機溫度控制系統(tǒng)結構圖

1 溫度控制系統(tǒng)結構及工作原理

結合現階段除泡機溫度控制系統(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)?？刂葡到y(tǒng)由溫度采集模塊、上位機(PC)模塊和PLC控制系統(tǒng)組成。溫度采集模塊實現高溫高壓環(huán)境下測量、記錄腔體內的多通道溫度值，并將采集到的數據通過無線傳輸形式傳輸到密閉腔體外，這樣可顧及壓力容器的密閉性問題，也實現了多通道檢測[1]。上位機(PC)模塊實現結合先進控制算法計算、分析溫度采集模塊傳輸出來的數據，將結果傳輸到PLC控制系統(tǒng)中。PLC控制系統(tǒng)實現對輸出量的控制，通過調節(jié)電機轉速和加熱管工作時間，實現了高精度、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)結構圖

2 溫度控制系統(tǒng)模塊化組成

2.1 溫度采集模塊設計

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據，將其記錄到內部記錄模塊中，并傳輸到上位機。實現兩種方式與上位機(PC)通訊：1) 通過USB線連接上位機(PC)，上位機發(fā)送讀取指令，溫度采集模塊一次性將記錄的溫度數據發(fā)出；2) 通過WIFI模塊與上位機(PC)模塊無線網卡連接，實時發(fā)送采集到的多通道溫度數據[2]。

模塊結構組成：

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

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

3) WIFI模塊：采用USR-215 WI-FI模塊，CPU模塊通過串口方式與其連接，將需要發(fā)送的數據寫入其緩存區(qū)內，該模塊自動發(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構圖

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，精度高等優(yōu)點，其獨特的單線接口方式，與CPU連接時僅需要一條接線實現雙向通訊。

2.2 上位機模塊設計

上位機程序采用NI公司的LabVIEW軟件編寫，LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW則采用數據流編程方式。LabVIEW最早主要用于測試測量領域，隨著其不斷發(fā)展，LabVIEW的應用范圍已經覆蓋了工業(yè)自動化、測試測量等眾多領域[3]。

由于程序功能需要同時處理多個事件:1) 實時接收溫度采集模塊發(fā)送的溫度值；2) 計算、分析收到的總的溫度數據；3) 將計算結果實時傳輸到PLC控制系統(tǒng)；4) 將收到的溫度數據和計算結果顯示到顯示屏上。單純使用事件結構或者順序結構會出現界面數據不更新、有延遲等卡死現象。

所以上位機模塊建立程序構架主要利用LabVIEW便利的多線程編程方式，分為功能選擇模塊、數據接發(fā)模塊、數據計算模塊、數據顯示模塊等模塊化線程，模塊內部和模塊之間的數據傳輸利用消息隊列方式。各個模塊內部采用消息隊列的狀態(tài)機方式自行運行。事件處理器實現界面功能選擇，當需要指定模塊做出相應動作時，事件處理器將命令指令寫入對應的消息隊列中。

圖4 上位機軟件結構圖

2.3 實現PLC數據連接

ActiveX是Microsoft提出的一組COM(Component Object Model，部件對象模型)，它與具體的編程語言無關。LabVIEW具有調用ActiveX，通過屬性和方法來實現和應用程序的交互，使用的ActiveX控件就是在應用嵌入的一個對象。

本文中采用的PLC為三菱公司的Q系列PLC。要通過網絡與PLC通訊必須按照三菱規(guī)定的通訊協議去編輯傳輸數據，目前最簡單的辦法就是利用該公司提供的通訊控件MX-Component。LabVIEW調用ActiveX功能，引用MX-Component控件，將計算數據結果寫入到PLC中，實時調整控制電機轉速及控制加熱管工作時間控制溫度及其均勻性。

圖5 實現調用MX-Component控件

3 控制結果分析

對所設計的各個功能模塊調試完成之后，將控制系統(tǒng)與除泡機組合成閉環(huán)控制系統(tǒng)。測量一個工作周期，上位機可得腔體內的溫度分布曲線圖。從圖中可看出剛開始腔體內溫度分布不均勻，開始加熱、加壓后，溫度開始上升并均勻度提高。上升到設定溫度值時，電機速度減小，并根據當前溫度分布情況調整，保證良好的溫度分布情況，實現了溫度的閉環(huán)控制和多通道檢測。

圖6 上位機溫度數據計算及曲線顯示界面

4 結束語

本文基于當前LCD除泡機的溫度控制系統(tǒng)的缺點，提出了STC15單片機和NI公司的LabVIEW軟件的設計方案，實現了高精度，高實時性壓力容器內多通道閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計，解決了高溫高壓密閉容器內部，無法進行多通道溫度檢測并閉環(huán)控制的問題。在“智能制造”和“工業(yè)4.0”浪潮的推動下，該溫度控制系統(tǒng)具有精度高，測量點多等優(yōu)點，達到了對壓力容器內溫度的實時精確測量并控制的目的，也讓工業(yè)生產者能實時監(jiān)測到溫度均勻性，提高了生產效率。

[1] 馮文旭，劉傳璽.單片機應用技術[M].北京：中國礦業(yè)大學出版社，2003.

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

[3] 陳樹學，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備的研發(fā)工作。

1674- 4578(2017)02- 0007- 04

TP273.5

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