基于高温高压容器的多通道温度控制系统设计

刘 邦，赵乃辉

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

基于高温高压容器的多通道温度控制系统设计

刘 邦，赵乃辉

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

LCD除泡机用于排除液晶盒玻璃与触摸盖板或者偏光片贴合后之间残存的气体，是LCD工业生产中至关重要的高温高压生产设备。针对目前LCD除泡机相对比较落后的单点温度控制系统，设计了高精度、多通道温度闭环控制系统。该温度控制系统包括温度采集模块、上位机(PC)模块及PLC控制系统等，实现多通道温度高速采集、精确计算，通过调节风机转速和加热管工作时间,精确控制高温高压容器内的温度及改善其分布均匀性。

温度控制；高温压力容器；单片机；LABVIEW；PLC

温度因其特有的性质，稳定的温度控制在工业生产过程中具有举足轻重的作用。随着电子技术和软件技术的迅速发展，精确测量和控制技术得到了广泛应用。单片机具有数据计算能力强大、运算速度快、低功耗等优点，所以广泛应用到各个控制领域。结合单片机的优点设计上位机进行控制运算、分析，成为控制领域的主流方式。

LCD除泡机是LCD(Liquid Crystall Display)(下文统称除泡机)生产线上的后处理设备，用于排除液晶盒玻璃与触摸盖板(Touch panel)或者偏光片贴合以后之间残存的气体。本设备属于压力容器范围，按GB150-2011标准设计、制造，并按JB/T4370-2005标准检测，受压力容器安全技术监督规程监察。电气设计符合国家GBT4793.1-1995标准。主要工艺参数为温度、压力、工作时间等。其工作流程为：将LCD放入除泡机的腔体内，充气，加热；满足温度、压力条件以后开始计时，计时完成后，完成排气，结束工作流程。

目前除泡机的控制系统主要是采用PLC作为工作控制单元，加热管作为发热单元，除泡机腔体内装有带叶轮的电机，通过搅拌热空气确保温度分布均匀性。温度控制系统采用简单的闭环系统，使用与控制单元相匹配的温度控制模块读取热电偶测量的当前腔体单点温度，通过与设定的工作温度比较，PLC控制加热管是否工作。由于除泡机为压力容器，考虑到其密闭性，在腔体上留过多热电偶检测孔不现实，所以除泡机一般只使用一个热电偶测量腔体内部温度。这种单点温度控制只是根据单点温度确定整个腔体内的温度情况，不能有效的反应腔体内实际的温度分布情况，无法精确对其进行控制。

图1 除泡机温度控制系统结构图

1 温度控制系统结构及工作原理

结合现阶段除泡机温度控制系统的不足，作者提出基于高温高压密闭容器的多通道温度采集控制系统。控制系统由温度采集模块、上位机(PC)模块和PLC控制系统组成。温度采集模块实现高温高压环境下测量、记录腔体内的多通道温度值，并将采集到的数据通过无线传输形式传输到密闭腔体外，这样可顾及压力容器的密闭性问题，也实现了多通道检测[1]。上位机(PC)模块实现结合先进控制算法计算、分析温度采集模块传输出来的数据，将结果传输到PLC控制系统中。PLC控制系统实现对输出量的控制，通过调节电机转速和加热管工作时间，实现了高精度、快速反馈的多通道闭环温度控制系统。

图2 多通道闭环温度控制系统结构图

2 温度控制系统模块化组成

2.1 温度采集模块设计

该模块可在10 ℃～80 ℃高温，0 MPa～0.8 MPa高压环境下正常工作，主要功能是周期性采集多通道温度传感器中的数据，将其记录到内部记录模块中，并传输到上位机。实现两种方式与上位机(PC)通讯：1) 通过USB线连接上位机(PC)，上位机发送读取指令，温度采集模块一次性将记录的温度数据发出；2) 通过WIFI模块与上位机(PC)模块无线网卡连接，实时发送采集到的多通道温度数据[2]。

模块结构组成：

1) CPU模块：采用STC15型单片机，其具有高速、高可靠性，超低功耗等优点。包含丰富的外设资源，双独立串口，高速10位A/D转换器等。

2) 记录模块：采用W25X16 FLASH芯片，CPU模块通过SPI接口方式写入与读取数据。

3) WIFI模块：采用USR-215 WI-FI模块，CPU模块通过串口方式与其连接，将需要发送的数据写入其缓存区内，该模块自动发出。

4) 电源模块：采用三节1.5 V碱性干电池，为记录仪提供稳定的3 V～4.5 V工作电压。

图3 多通道温度采集模块结构图

5) 温度传感器模块：采用DS18B20温度传感器，具有体积小，低功耗，抗干扰能力强，精度高等优点，其独特的单线接口方式，与CPU连接时仅需要一条接线实现双向通讯。

2.2 上位机模块设计

上位机程序采用NI公司的LabVIEW软件编写，LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式。LabVIEW最早主要用于测试测量领域，随着其不断发展，LabVIEW的应用范围已经覆盖了工业自动化、测试测量等众多领域[3]。

由于程序功能需要同时处理多个事件:1) 实时接收温度采集模块发送的温度值；2) 计算、分析收到的总的温度数据；3) 将计算结果实时传输到PLC控制系统；4) 将收到的温度数据和计算结果显示到显示屏上。单纯使用事件结构或者顺序结构会出现界面数据不更新、有延迟等卡死现象。

所以上位机模块建立程序构架主要利用LabVIEW便利的多线程编程方式，分为功能选择模块、数据接发模块、数据计算模块、数据显示模块等模块化线程，模块内部和模块之间的数据传输利用消息队列方式。各个模块内部采用消息队列的状态机方式自行运行。事件处理器实现界面功能选择，当需要指定模块做出相应动作时，事件处理器将命令指令写入对应的消息队列中。

图4 上位机软件结构图

2.3 实现PLC数据连接

ActiveX是Microsoft提出的一组COM(Component Object Model，部件对象模型)，它与具体的编程语言无关。LabVIEW具有调用ActiveX，通过属性和方法来实现和应用程序的交互，使用的ActiveX控件就是在应用嵌入的一个对象。

本文中采用的PLC为三菱公司的Q系列PLC。要通过网络与PLC通讯必须按照三菱规定的通讯协议去编辑传输数据，目前最简单的办法就是利用该公司提供的通讯控件MX-Component。LabVIEW调用ActiveX功能，引用MX-Component控件，将计算数据结果写入到PLC中，实时调整控制电机转速及控制加热管工作时间控制温度及其均匀性。

图5 实现调用MX-Component控件

3 控制结果分析

对所设计的各个功能模块调试完成之后，将控制系统与除泡机组合成闭环控制系统。测量一个工作周期，上位机可得腔体内的温度分布曲线图。从图中可看出刚开始腔体内温度分布不均匀，开始加热、加压后，温度开始上升并均匀度提高。上升到设定温度值时，电机速度减小，并根据当前温度分布情况调整，保证良好的温度分布情况，实现了温度的闭环控制和多通道检测。

图6 上位机温度数据计算及曲线显示界面

4 结束语

本文基于当前LCD除泡机的温度控制系统的缺点，提出了STC15单片机和NI公司的LabVIEW软件的设计方案，实现了高精度，高实时性压力容器内多通道闭环温度控制系统的硬件设计和软件设计，解决了高温高压密闭容器内部，无法进行多通道温度检测并闭环控制的问题。在“智能制造”和“工业4.0”浪潮的推动下，该温度控制系统具有精度高，测量点多等优点，达到了对压力容器内温度的实时精确测量并控制的目的，也让工业生产者能实时监测到温度均匀性，提高了生产效率。

[1] 冯文旭，刘传玺.单片机应用技术[M].北京：中国矿业大学出版社，2003.

[2] 郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2008.

[3] 陈树学，刘萱.Labview宝典[M].北京：电子工业出版社，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

刘 邦(1989- )，男，山西吕梁人，助理工程师，硕士，主要从事液晶显示专用设备的研发工作。

1674- 4578(2017)02- 0007- 04

TP273.5

A