全自動除泡機(jī)多點(diǎn)控溫方案的設(shè)計

張欒欒

（中電科風(fēng)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(shè)備的要求也越來越高，全自動除泡機(jī)成為了目前液晶行業(yè)中一個非常重要的設(shè)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(jī)主要工藝參數(shù)有溫度、壓力、時間等，其中溫度是除泡機(jī)設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。但因溫度的特異性，在生產(chǎn)運(yùn)行中溫度的精準(zhǔn)度控制是設(shè)備穩(wěn)定、可靠的一項重要內(nèi)容。當(dāng)前設(shè)備多采用單點(diǎn)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(diǎn)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(shè)備中溫度參數(shù)也是關(guān)鍵工藝指標(biāo)，除泡機(jī)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(jìn)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(dāng)前溫度與設(shè)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(jìn)行比例控制會出現(xiàn)震蕩，加入積分控制在達(dá)到設(shè)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(jìn)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(shè)備溫度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 除泡設(shè)備溫度控制方式

2.1.1 單點(diǎn)監(jiān)控測溫

溫度控制是DZC 自動除泡機(jī)中的一個關(guān)鍵工藝指標(biāo)，以前的除泡機(jī)采用的溫度控制器（溫控儀）是通過采集一個點(diǎn)的溫度來控溫。圖2 為導(dǎo)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(dǎo)熱板中間，如圖3 所示，控溫點(diǎn)Sensor 用于控制工作臺的工作溫度，可設(shè)置工作臺超溫后報警，測溫點(diǎn)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(shè)備。

2.1.2 多點(diǎn)監(jiān)控測溫

圖2 導(dǎo)熱板結(jié)構(gòu)圖

圖3 單點(diǎn)測溫排布圖

隨著自動化設(shè)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(jī)，大尺寸設(shè)備由于與外界接觸面積大、環(huán)境復(fù)雜及受各種因素的干擾，單點(diǎn)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(jī)械與電氣設(shè)計試驗后，采用一控多點(diǎn)監(jiān)控的方式來控制加熱溫度。

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

圖4 多點(diǎn)測溫排布圖

2.2 除泡設(shè)備溫度控制原理

首先在人機(jī)界面的溫度控制單元輸入目標(biāo)溫度，通過溫控模塊與PLC 進(jìn)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(shè)定值后，監(jiān)控模塊通過多處測溫點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，運(yùn)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(biāo)值進(jìn)行比較，高于或者低于目標(biāo)值設(shè)定的偏差值，控溫模塊會通過PID 控制原理來自動進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，最后實現(xiàn)溫度穩(wěn)定于目標(biāo)溫度，具體原理如圖5 所示。

圖5 除泡設(shè)備溫度控制原理圖

2.3 多點(diǎn)溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)

2.3.1 硬件設(shè)計

DZC 系列自動除泡機(jī)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(jī)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(diǎn)硬件

之前小尺寸設(shè)備單點(diǎn)測溫選用溫控儀與三菱控溫模塊來實現(xiàn)。

2.3.1.2 多點(diǎn)硬件

現(xiàn)在較大尺寸與大尺寸設(shè)備多點(diǎn)測溫硬件由原來的一通道溫控儀改為多通道臺達(dá)DTM 系列的溫度控制儀。DTM系列包括主機(jī)、擴(kuò)展模塊和IO 擴(kuò)展模塊，它可進(jìn)行高達(dá)64 點(diǎn)溫度控制搭配RS-485 或Ethernet 串聯(lián)多組DTM群組，可實現(xiàn)多達(dá)上千點(diǎn)以上的溫度控制。DTMR08 為8 通道主機(jī)、DTMN08 為8 通道擴(kuò)展模塊、DTM-BDR 為4 通道4 通道繼電器輸出卡，主機(jī)上RS-485 接口直接與人機(jī)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(fù)雜且高端的溫控要求。見圖6。

圖6 多點(diǎn)監(jiān)控原理圖

DTMR08 一個模塊可以同時接入一個導(dǎo)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(dāng)四路監(jiān)控有一路溫度超出所設(shè)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(hù)回路的作用。RS-485直接與人機(jī)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(shè)置的目標(biāo)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(shè)置如下頁表1 所示。

在硬件部分設(shè)計好的基礎(chǔ)上，軟件設(shè)計需將采集回來的四個測溫點(diǎn)利用算數(shù)平均數(shù)取一個平均溫度與設(shè)定好的目標(biāo)溫度進(jìn)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(shè)置

人機(jī)界面溫度設(shè)置界面可以通過曲線圖來看到當(dāng)前實時溫度的變化趨勢。

單點(diǎn)測溫：單點(diǎn)測溫只能通過采集一個點(diǎn)的溫度來調(diào)節(jié)導(dǎo)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(diǎn)測溫溫度升溫曲線圖

多點(diǎn)測溫：多點(diǎn)測溫是通過采集多個點(diǎn)的溫度算出的平均值來調(diào)節(jié)導(dǎo)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(diǎn)測溫溫度升溫曲線圖

1）通過單點(diǎn)控溫的實際項目分析，單點(diǎn)控溫響應(yīng)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(diǎn)控溫突破了單點(diǎn)控溫的局限性，能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)當(dāng)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(diǎn)控溫響應(yīng)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(shè)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(biāo)，市場對大尺寸LCD 面板的需求也日益增長，與之相適應(yīng)的大尺寸除泡設(shè)備將會具有更加廣闊的市場前景。多點(diǎn)測溫控制系統(tǒng)的設(shè)計將會帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益的增長，為開拓更大的市場奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。