一種浮法工藝鉑金通道加熱系統的無擾爬坡控制方法

黃嗣熠,程加偉

(蚌埠凱盛工程技術有限公司,蚌埠 233010)

生產平面顯示器用玻璃基板有三種主要制程技術，分別為“浮式法”(Float Technology )、“流孔下引法”(Slot Down Draw)及“溢流熔融法”(Overflow Fusion Technology)。“浮式法”因水平引伸的關系，具有可生產較寬玻璃產品且產能較大的優點，“溢流熔融法”有表面特性較能控制、不用研磨、制程較簡單等優點，但生產玻璃寬幅受限于1.5 m以下，產能因而較小。“浮式法”可以生產適用于各種平面顯示器使用的玻璃基板，而溢流熔融法目前則僅應用于生產TFT- LCD玻璃基板。無論何種制程工藝，都需要鉑金通道工序，為滿足市場對TFT-LCD玻璃基板需求量大的要求，研發一種穩定且適用于浮法工藝的鉑金通道加熱控制方法已迫在眉睫。

在調研了各大TFT- LCD玻璃廠商“溢流熔融法”鉑金通道的工藝技術上，結合在浮法玻璃熱端工藝上的一些經驗，研發了一種具有完全知識產權的浮法工藝鉑金通道加熱控制方法，以下將詳細地介紹該控制方法的實施過程。

1 控制方向、方法說明

1.1 系統主控

主控系統包括以下幾個部分:1)系統的總功率；2)系統的總能耗；3)鉑金管內的玻璃液位；4)鉑金管及法蘭位置的溫度顯示；5)各工段的布局。

該主控系統中，可監視記錄整個鉑金通道加熱系統輸出的瞬時總功率以及消耗的總能耗，同時監視記錄整個鉑金通道工序中各鉑金管以及法蘭的溫度。根據各監測點的數據，可計算出瞬時總功率和總能耗。

在浮法工藝中，鉑金通道每一節鉑金管加熱回路都具備監控設定溫度、實際加權溫度、輸出功率、加熱電壓、加熱電流以及總功率、1/2次側電流等工藝參數的功能。特別說明的是，所有參與溫度控制的溫度點采用加權的方式，權重比例可根據實際生產工藝需求自由設定，根據加權溫度，控制系統計算出輸出功率、鉑金管加熱電壓、鉑金管加熱電流。

1.2 PID操作方法

圖1為每節鉑金管加熱回路PID控制畫面，由此畫面可見，PID可由人工選擇手/自動、關閉開啟，PID前置斜坡選擇、斜坡模式選擇定步長/定步數，目標溫度、調節溫度、加權溫度、輸出開度、設定開度、輸出上限、輸出下限、P/I/D參數、調功器狀態以及功率、電壓、電流參數，說明如下：

控制方式：PID算法的手動/自動。

目標溫度：生產工藝需求的目標溫度。

調節溫度：當前溫度按照PID前置斜坡選擇的斜坡速度逐步加/減的過程控制溫度。

輸出開度：PID算法計算得出的輸出開度，%。

設定開度：控制方式為手動時，人工設定的輸出開度，%。

斜坡選擇：主要包含關閉、1 ℃/h、2 ℃/h，…，10 ℃/h斜坡速度。

加權溫度：由各溫度點按照加權算法計算出的當前加權溫度。

輸出上/下限：PID算法輸出的上限和下限。

調功器狀態：正常表示調功器無故障且在運行，異常表示調功器故障或不在運行。

P/I/D：PID算法的三個參數，可根據生產工藝要求進行調整。

PID使能：開啟或關閉PID算法。

斜坡模式：定步長表示單位小時內每一步的步長為固定的，總步數是可變的；定步數表示單位小時內總步數是固定的，步長是可變的。

電壓/電流/功率數據：實時監測的各電氣參數。

1.3 全自動爬坡升溫方法

圖2可見，控制系統控制開發了10個可自由選擇的曲線，由曲線1～曲線10。在鉑金通道開始升溫前，按照升溫工藝制定的升溫曲線將各曲線的起始升溫溫度、目標溫度、升溫時間錄入控制系統中，控制系統將根據錄入的曲線參數自動計算升溫斜坡速度并按照錄入的曲線參數進行全自動升溫，無需任何人工干預，同時同步計算已經加熱的時間和剩余加熱時間，同理，該全自動爬坡升溫功能同樣適用于全自動爬坡降溫。圖2中名詞解釋如下：

初始化：曲線參數錄入錯誤或升溫完成時，可一鍵初始化所有數據。

開始溫度：升溫或降溫的起始溫度。

目標溫度1：曲線1的目標溫度，其他目標溫度以此類推。當兩個目標溫度相同時，控制系統控制軟件則認為該曲線為保溫曲線。

升溫時間：各曲線升溫或降溫所需的時間。

斜坡：由控制系統控制軟件根據錄入的曲線參數自動計算出的升溫或降溫斜坡速度。

已加熱時間：已經完成加熱的時間，當點擊暫停按鈕時，已加熱時間停止計時。

剩余時間：剩余的加熱時間。

曲線數：根據實際升溫/降溫曲線個數設定，即需要幾個曲線就設定幾個曲線。

狀態：全自動爬坡升溫程序當前的執行狀態，關閉表示該程序未啟用，正在執行表示該程序正在進行算法計算，暫停表示該程序被人工暫停，完成表示該程序已按照升溫/降溫曲線完成全自動升溫/降溫，當全自動爬坡升溫程序執行完成后，若沒有關閉，控制系統控制軟件則默認進入保溫模式，維持完成時溫度不變。

步選擇：定步長表示單位小時內每一步的步長為固定的，總步數是可變的，定步數表示單位小時內總步數是固定的，步長是可變的，在執行全自動爬坡升溫程序時，該步的優先級比PID算法的步的優先級高，即此時PID算法的步無效。

開始：各曲線參數錄入完成后，點擊開始按鈕即開始執行全自動爬坡升溫程序，再次點擊即關閉執行全自動爬坡升溫程序。

暫停：根據實際工序工況，當工況不允許執行全自動爬坡升溫程序時，點擊暫停按鈕可暫停執行，當工況恢復正常時，再次點擊可繼續執行全自動爬坡升溫程序。

此處不再對程序進行詳細說明。

2 該方法的技術特點

浮法工藝鉑金通道加熱系統的無擾爬坡控制方法是國內首次在浮法工藝上成功應用的鉑金通道無擾爬坡控制方法，該控制方法采用雙CPU主從配置模式，開發了主從CPU數據共享程序，即兩套程序共享一套數據，實現主從CPU的無縫切換，在保證控制系統控制軟件的可靠性和穩定性的同時極大地降低了投資成本，無需選擇價格高昂的冗余CPU系統。

該控制方法獨有的全自動爬坡升溫程序，按照升溫工藝制定的升溫曲線將各曲線的起始升溫溫度、目標溫度、升溫時間錄入控制系統中，控制系統控制軟件將根據錄入的曲線參數自動計算升溫斜坡速度并按照錄入的曲線參數進行全自動升溫，無需任何人工干預，同時該全自動爬坡升溫功能同樣適用于全自動爬坡降溫。本方法中，獨特的PID前置斜坡應用，且斜坡可由人工自由調整選擇，避免了電流的大范圍調節和波動，有效地保護了鉑金管。

3 實施流程圖

圖3所示為本控制方案實施流程圖，根據流程圖可見，當系統啟動并初始化之后，首先將讀取系統關閉前對各控制點的記憶值并寫入。當啟動爬坡程序后，系統進行硬件及傳感器狀態檢測，確認后系統錄入溫控曲線數據(圖2所示)，進行PID調節。在控制程序中，可手動選擇是否需要溫度加權，并實時反饋至PID算法回路。爬坡升溫過程中，系統自動進行數據備份并共享至備用CPU，同時也將備份數據實時傳給存儲程序，數據用于下次程序啟動時寫入。

4 結 語

方案在軟件建模完成且多次仿真后第一次投運時，其工作重點是要協調各設備先運轉起來。然后逐一進行在線帶硬件測試，內容一般包括：溫度傳感器信號測試、功率控制器通訊及控制測試等；硬件測試完成后需要進行軟件測試，一般包括：PID算法測試、PID前置斜坡算法測試、全自動爬坡升溫程序測試、主從CPU數據共享算法測試等。

該方法目前開發結果暫時只支持單一溫度反饋信號的PID算法調節，還不能支持諸如電壓、電流、功率和溫度等多維度反饋信號的自由切換PID算法調節，因此，后期將開發多維度自由切換PID算法，以滿足更復雜的工藝要求。