干燥爐中熱風(fēng)循環(huán)溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黃 帥，趙梁博，朱林濤

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176；2.阿德萊德大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院，澳大利亞阿德萊德）

干燥爐中熱風(fēng)循環(huán)溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黃 帥1，趙梁博2，朱林濤1

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176；2.阿德萊德大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院，澳大利亞阿德萊德）

熱風(fēng)循環(huán)溫控系統(tǒng)主要應(yīng)用于干燥爐中，為被干燥對(duì)象提供所需的高品質(zhì)溫控環(huán)境。目前，大多數(shù)干燥爐的溫度控制偏差在5℃以上，同時(shí)熱氣流不均勻造成不同區(qū)域的干燥效果不盡相同。通過(guò)對(duì)以往干燥爐溫控系統(tǒng)的總結(jié)與優(yōu)化，提出了一種更為精確、全面的控制方案。該熱風(fēng)循環(huán)溫控系統(tǒng)主要包括溫控系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)系統(tǒng)兩大部分，通過(guò)優(yōu)化的溫控算法整合成PID溫控調(diào)節(jié)模塊以實(shí)現(xiàn)溫度的快速準(zhǔn)確響應(yīng)；同時(shí)引入風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)改善氣流的均勻性。通過(guò)溫控系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的有效整合，實(shí)現(xiàn)了分布均勻、溫度可控的干燥環(huán)境。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試使用，該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為干燥爐中溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種可靠地選擇。

干燥爐；溫度調(diào)節(jié)模塊；熱風(fēng)循環(huán)

長(zhǎng)期以來(lái)，干燥爐被廣泛的應(yīng)用于各領(lǐng)域。這些干燥爐根據(jù)各自的功能特點(diǎn)分別被應(yīng)用于食品、醫(yī)療、服裝、電子等各行業(yè)。本文所探討的干燥爐主要是指應(yīng)用在電子行業(yè)如太陽(yáng)能電池片、陶瓷基片等產(chǎn)品的干燥設(shè)備。該類干燥設(shè)備，按照外觀，大致可以分為箱式干燥爐、網(wǎng)帶干燥爐、回旋干燥爐（如圖1所示）；按照熱源，大致可分為電阻熱風(fēng)干燥爐、紅外干燥爐、微波干燥爐等。其中大多需要用到熱風(fēng)循環(huán)溫控系統(tǒng)，以提高干燥效率、增強(qiáng)被加熱目標(biāo)與周圍環(huán)境氣體的接觸均勻性。

圖1 箱式干燥爐、網(wǎng)帶干燥爐、回旋干燥爐示意圖

1 應(yīng)用背景

干燥爐，是用來(lái)為需要干燥的對(duì)象提供高溫環(huán)境的設(shè)備。有些干燥爐工作溫度在400℃以下，此時(shí)的干燥爐常被稱為烘干爐；而有些干燥爐的工作溫度達(dá)到500℃以上，根據(jù)工藝區(qū)分，這種干燥爐通常被稱為燒結(jié)爐。在太陽(yáng)能電池晶硅片以及各種陶瓷基片的生產(chǎn)工藝中都有烘干或燒結(jié)流程。本文討論的干燥設(shè)備以太陽(yáng)能電池晶硅片生產(chǎn)工藝中使用的烘干或燒結(jié)爐為原型。

常規(guī)太陽(yáng)能電池晶硅片生產(chǎn)工藝中有三道印刷工序，每次印刷后須經(jīng)過(guò)一次烘干工序，使?jié){料中的水份蒸發(fā)掉，以便下一道工序的印刷。在經(jīng)過(guò)三次印刷之后，進(jìn)入燒結(jié)爐。燒結(jié)爐分為預(yù)燒結(jié)、燒結(jié)、降溫冷卻3個(gè)階段。預(yù)燒結(jié)階段目的是使?jié){料中的高分子粘合劑分解、燃燒掉，此階段溫度慢慢上升；燒結(jié)階段中燒結(jié)體內(nèi)完成各種物理化學(xué)反應(yīng)，形成電阻膜結(jié)構(gòu)，使其真正具有電阻特性，該階段溫度達(dá)到峰值；降溫冷卻階段，玻璃冷卻硬化并凝固，使電阻膜結(jié)構(gòu)固定地粘附于基片上。

在烘干或燒結(jié)過(guò)程中，需要熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)來(lái)提高熱效率以便滿足整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，同時(shí)，熱風(fēng)循環(huán)能改善爐內(nèi)氣體均勻性且能夠及時(shí)排出腔內(nèi)蒸發(fā)出的雜質(zhì)物質(zhì)。

2 系統(tǒng)組成

干燥爐熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)由溫控系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)兩大部分組成。溫控系統(tǒng)主要包括溫度控制模塊、紅外燈管加熱、熱電偶反饋、過(guò)熱保護(hù)等（見圖2）。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)主要包括變頻器、引風(fēng)機(jī)、吹風(fēng)機(jī)等（見圖3）。

圖2 溫控系統(tǒng)工作流程示意圖

圖3 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)工作流程示意圖

3 工作原理

3.1 溫控系統(tǒng)

以太陽(yáng)能晶硅電池片的干燥爐加熱溫區(qū)溫度控制為實(shí)例，簡(jiǎn)單地結(jié)合控制理論，以淺顯的方式將溫度控制PID算法做一個(gè)簡(jiǎn)單的描述。溫控框圖見圖4。

圖4 溫度控制框圖

這是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，用于控制加熱溫區(qū)的溫度（PV）保持在恒定的溫度設(shè)定值（SV）。系統(tǒng)通過(guò)溫度采集單元反饋回來(lái)的實(shí)時(shí)溫度信號(hào)（PV）獲取偏差值（EV），偏差值經(jīng)過(guò) PID調(diào)節(jié)器運(yùn)算輸出，控制發(fā)熱管的發(fā)熱功率，以克服偏差，促使偏差趨近于零。例如，當(dāng)某一時(shí)刻排風(fēng)風(fēng)機(jī)流量增大帶走的熱量較多時(shí)，即導(dǎo)致溫度下降，此時(shí)通過(guò)反饋的調(diào)節(jié)作用使溫度迅速回升。其調(diào)節(jié)過(guò)程如圖5所示。

圖5 溫度調(diào)節(jié)流程示意圖

溫度控制的功率輸出采用脈寬調(diào)制的方法。固態(tài)繼電器SSR的輸出端為脈寬可調(diào)的電壓U-out。當(dāng)SSR的觸發(fā)端觸發(fā)時(shí)，電源電壓Uan通過(guò)SSR的輸出端加到發(fā)熱管的兩端；當(dāng)SSR的觸發(fā)端沒有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，SSR關(guān)斷。因此，發(fā)熱管兩端的平均電壓為 Ud=（t/T）Uan=KUan。其中 K=t/T，為一個(gè)周期T中，SSR觸發(fā)導(dǎo)通的比率，稱為負(fù)載電壓系數(shù)或是占空比，K的變化值在0～1之間。一般是周期T固定不變，調(diào)節(jié)t，當(dāng)t在0～T的范圍內(nèi)變化時(shí)，發(fā)熱管的電壓即在0～Uan之間變化，這種調(diào)節(jié)方法稱為定頻調(diào)寬法。

溫度控制是一個(gè)慣性較大的系統(tǒng)。當(dāng)給溫區(qū)加熱之后，并不能立即觀察到溫區(qū)溫度的明顯上升；同樣，當(dāng)關(guān)閉加熱之后，溫區(qū)的溫度仍然有一定程度的上升。另外，熱電偶對(duì)溫度的檢測(cè)與實(shí)際的溫區(qū)溫度相比，也存在一定的滯后效應(yīng)。

這給溫度的控制帶來(lái)了困難。因此，如果在溫度檢測(cè)值（PV）到達(dá)設(shè)定值時(shí)才關(guān)斷輸出，可能因溫度的滯后效應(yīng)而長(zhǎng)時(shí)間超出設(shè)定值，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能回到設(shè)定值；如果在溫度檢測(cè)值（PV）未到設(shè)定值時(shí)即關(guān)斷輸出，則可能因關(guān)斷較早而導(dǎo)致溫度難以達(dá)到設(shè)定值。為了合理地處理系統(tǒng)響應(yīng)速度與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的矛盾，我們把溫度控制分為PID調(diào)節(jié)前和PID調(diào)節(jié)兩個(gè)階段。

將編好的算法寫入溫度控制模塊，以實(shí)現(xiàn)溫度控制自動(dòng)調(diào)節(jié)。以3個(gè)溫區(qū)為例，整個(gè)溫控部分電路原理如圖6。

3.2 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)系統(tǒng)主要有變頻器、熱流風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、吹風(fēng)機(jī)等幾部分構(gòu)成。一個(gè)溫區(qū)有兩個(gè)變頻器，熱流風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、吹風(fēng)機(jī)各一個(gè)。變頻器用來(lái)調(diào)節(jié)各風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。熱流風(fēng)機(jī)用來(lái)擴(kuò)散加熱管所形成的熱量。引風(fēng)機(jī)、吹風(fēng)機(jī)共同作用形成風(fēng)道，兩個(gè)風(fēng)機(jī)應(yīng)對(duì)稱安裝，以便氣流均勻順暢。通過(guò)上位機(jī)通信指令或者IO模擬量輸出模塊輸出模擬量電壓來(lái)調(diào)整變頻器的輸出頻率，進(jìn)而改變各風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖7為風(fēng)機(jī)系統(tǒng)電路原理圖。

圖6 溫控系統(tǒng)電路原理圖

圖7 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)電路原理圖

4 總 結(jié)

干燥爐除了在食品、醫(yī)療、服裝等生活相關(guān)行業(yè)有重要的作用之外，在電子產(chǎn)品相關(guān)行業(yè)更是起到至關(guān)重要的作用。尤其在太陽(yáng)能晶硅電池片、各種陶瓷基片的生產(chǎn)工藝中必不可少。熱風(fēng)循環(huán)溫控系統(tǒng)能保證烘干爐提供精確的所需工藝溫度環(huán)境，同時(shí)通過(guò)控制熱氣流流速和均勻性來(lái)提高烘干效率以及被烘干對(duì)象與環(huán)境氣體接觸的一致性，及時(shí)排出烘干爐內(nèi)蒸發(fā)出的雜質(zhì)物質(zhì)，為被烘干對(duì)象提供一個(gè)優(yōu)質(zhì)的烘干環(huán)境。經(jīng)過(guò)在本部LTCC陶瓷基片印刷線中干燥爐的實(shí)際應(yīng)用，該熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)完全滿足溫控工藝設(shè)計(jì)要求。

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[1]彭立，張建洲，王少華.自適應(yīng)溫度控制系統(tǒng)的研制[J].東北師大學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1994（1）：15-17.

[2]俞勝揚(yáng).環(huán)境濕熱實(shí)驗(yàn)箱加濕系統(tǒng)的改進(jìn)[J].電測(cè)與儀表，2004（02）：57-60.

[3]劉侃，張永泰，劉洛琨.ARM程序設(shè)計(jì)優(yōu)化策略與技術(shù)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004（4）：34-36.

[4]劉鎮(zhèn)，姜學(xué)智，李東海.PID控制參數(shù)整定方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，1997（5）：25-27.

[5]江孝國(guó)，王婉麗，祁雙喜.高精度PID溫度控制器[J].電子與自動(dòng)化，2000（5）：23-25.

[6]陳謀義.環(huán)境溫度變化對(duì)低溫試驗(yàn)箱性能的影響[J].環(huán)境技術(shù)，1998（1）：12-16.

[7]郎德榮.溫濕度閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備的開發(fā)與研制[J].沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1999（2）：30-35.

The Hot Air Circulation and Thermostat System Used to Drying Oven

HUANG Shuai1，ZHAO Liangbo2，ZHU Lintao1
（1.The 45th Research Institute of CETC，Beijing 100176，China 2.The university of Adelaide，Electronics and Wlectrical Engineering，Adelaide）

Abstract:Temperature control system of hot air circulation is mainly applied in the drying oven,drying temperature control object is to provide high-quality environment needed.At present,most of the drying furnace temperature control deviation in more than five degrees Celsius,while hot air flow caused by uneven drying effect of different regions are not the same.Through summarizing and optimization of the drying furnace temperature control system,puts forward a more accurate,comprehensive control scheme.The hot air circulating temperature control system mainly includes two parts of temperature control system with the fan system,fast and accurate response to temperature through the temperature control algorithm are integrated into the PID control module;the fan system,optimal design of mechanical structure to improve the uniformity of airflow.Through the effective integration of temperature control system with the fan system,realizes the uniform distribution of dry environment,temperature controlled.Through the use of actual test,the system has achieved the design requirements,provides a reliable choice for the design of temperature control system of drying furnace.

Keywords:Dying oven；Thermostat；Variable-frequency drive；Hot air circulation

TN605

B

1004-4507（2013）07-0052-05

2013-04-12