干燥炉中热风循环温控系统的设计黄帅１，赵梁博２，朱林涛１(1.中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176；2.阿德莱德大学电子与电气工程学院，澳大利亚阿德莱德)摘要：热风循环温控系统主要应用于干燥炉中，为被干燥对象提供所需的高品质温控环境。
目前，大多数干燥炉的温度控制偏差在5℃以上，同时热气流不均匀造成不同区域的干燥效果不尽相同。
通过对以往干燥炉温控系统的总结与优化，提出了一种更为精确、全面的控制方案。
该热风循环温控系统主要包括温控系统与风机系统两大部分，通过优化的温控算法整合成PID温控调节模块以实现温度的快速准确响应；同时引入风机系统，优化机械结构设计来改善气流的均匀性。
通过温控系统与风机系统的有效整合，实现了分布均匀、温度可控的干燥环境。
经过实际测试使用，该系统达到了设计要求，为干燥炉中温控系统的设计提供了一种可靠地选择。
关键词：干燥炉；温度调节模块；热风循环中图分类号：TN605文献标识码：B文章编号：1004-4507(2013)07-0052-05 The Hot Air Circulation and Thermostat SystemUsed to Drying OvenHUANG Shuai1，ZHAO Liangbo2，ZHU Lintao1(1.The45th Research Institute of CETC，Beijing100176，China2.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 收稿日期：2013-04-12长期以来，干燥炉被广泛的应用于各领域。
这些干燥炉根据各自的功能特点分别被应用于食品、医疗、服装、电子等各行业。
本文所探讨的干燥炉主要是指应用在电子行业如太阳能电池片、陶瓷基片等产品的干燥设备。
该类干燥设备，按照外观，大致可以分为箱式干燥炉、网带干燥炉、回旋干燥炉（如图1所示）；按照热源，大致可分为电阻热风干燥炉、红外干燥炉、微波干燥炉等。
其中大多需要用到热风循环温控系统，以提高干燥效率、增强被加热目标与周围环境气体的接触均匀性。
1应用背景干燥炉，是用来为需要干燥的对象提供高温环境的设备。
有些干燥炉工作温度在400℃以下，此时的干燥炉常被称为烘干炉；而有些干燥炉的工作温度达到500℃以上，根据工艺区分，这种干燥炉通常被称为烧结炉。
在太阳能电池晶硅片以及各种陶瓷基片的生产工艺中都有烘干或烧结流程。
本文讨论的干燥设备以太阳能电池晶硅片生产工艺中使用的烘干或烧结炉为原型。
常规太阳能电池晶硅片生产工艺中有三道印刷工序，每次印刷后须经过一次烘干工序，使浆料中的水份蒸发掉，以便下一道工序的印刷。
在经过三次印刷之后，进入烧结炉。
烧结炉分为预烧结、烧结、降温冷却3个阶段。
预烧结阶段目的是使浆料中的高分子粘合剂分解、燃烧掉，此阶段温度慢慢上升；烧结阶段中烧结体内完成各种物理化学反应，形成电阻膜结构，使其真正具有电阻特性，该阶段温度达到峰值；降温冷却阶段，玻璃冷却硬化并凝固，使电阻膜结构固定地粘附于基片上。
在烘干或烧结过程中，需要热风循环系统来提高热效率以便满足整个生产线的生产效率，同时，热风循环能改善炉内气体均匀性且能够及时排出腔内蒸发出的杂质物质。
2系统组成干燥炉热风循环系统由温控系统和风机系统两大部分组成。
温控系统主要包括温度控制模块、红外灯管加热、热电偶反馈、过热保护等(见图2)。
风机系统主要包括变频器、引风机、吹风机等(见图3)。
图1箱式干燥炉、网带干燥炉、回旋干燥炉示意图加热区T 1T 2T 3T 4T 1T 2T 3T 4图2温控系统工作流程示意图温控模块加热管热电偶过热保护图3风机系统工作流程示意图热流风机引风机吹风机变频器A变频器B 变频器上位机模拟量输出requirements,provides a reliable choice for the design of temperature control system of drying furnace.Keywords:Dying oven ；Thermostat ；Variable-frequency drive ；Hot air circulation3工作原理3.1温控系统以太阳能晶硅电池片的干燥炉加热温区温度控制为实例，简单地结合控制理论，以浅显的方式将温度控制PID 算法做一个简单的描述。
温控框图见图4。
这是一个典型的闭环控制系统，用于控制加热温区的温度（PV ）保持在恒定的温度设定值（SV ）。
系统通过温度采集单元反馈回来的实时温度信号（PV ）获取偏差值（EV ），偏差值经过PID 调节器运算输出，控制发热管的发热功率，以克服偏差，促使偏差趋近于零。
例如，当某一时刻排风风机流量增大带走的热量较多时，即导致温度下降，此时通过反馈的调节作用使温度迅速回升。
其调节过程如图5所示。
温度控制的功率输出采用脉宽调制的方法。
固态继电器SSR 的输出端为脉宽可调的电压U -out。
当SSR 的触发端触发时，电源电压U an 通过SSR 的输出端加到发热管的两端；当SSR 的触发端没有触发信号时，SSR 关断。
因此，发热管两端的平均电压为U d =（t /T ）U an =KU an 。
其中K =t /T ，为一个周期T 中，SSR 触发导通的比率，称为负载电压系数或是占空比，K 的变化值在0～1之间。
一般是周期T 固定不变，调节t ，当t 在0～T 的范围内变化时，发热管的电压即在0～U an 之间变化，这种调节方法称为定频调宽法。
温度控制是一个惯性较大的系统。
当给温区加热之后，并不能立即观察到温区温度的明显上升；同样，当关闭加热之后，温区的温度仍然有一定程度的上升。
另外，热电偶对温度的检测与实际的温区温度相比，也存在一定的滞后效应。
这给温度的控制带来了困难。
因此，如果在温度检测值（PV ）到达设定值时才关断输出，可能因温度的滞后效应而长时间超出设定值，需要较长时间才能回到设定值；如果在温度检测值（PV ）未到设定值时即关断输出，则可能因关断较早而导致温度难以达到设定值。
为了合理地处理系统响应速度与系统稳定性之间的矛盾，我们把温度控制分为PID 调节前和PID 调节两个阶段。
将编好的算法写入温度控制模块，以实现温度控制自动调节。
以3个温区为例，整个温控部分电路原理如图6。
3.2风机系统风机系统主要有变频器、热流风机、引风机、吹风机等几部分构成。
一个温区有两个变频器，热流风机、引风机、吹风机各一个。
变频器用来调节各风机转速。
热流风机用来扩散加热管所形成的热量。
引风机、吹风机共同作用形成风道，两个风机应对称安装，以便气流均匀顺畅。
通过上位机通信指令或者IO 模拟量输出模块输出模拟量电压来调整变频器的输出频率，进而改变各风机的转速。
图7为风机系统电路原理图。
图4温度控制框图温度设定值（SV ）温度偏差值（EV ）EV =SV －PVPID 调节器按周期调节脉冲宽度输出Pulse-Width Modulation 功率模块固态继电器SSR 调压输出发热管加热输出加热温区温度输出温度过程变量值（PV ）温度采集处理单元热电偶温度采集处理模块数据处理扰动量图5温度调节流程示意图温度过程变量值（PV ）温度偏差值（EV ）PID 调节脉冲输出宽度发热管输出功率温区温度4总结干燥炉除了在食品、医疗、服装等生活相关行业有重要的作用之外，在电子产品相关行业更是起到至关重要的作用。
尤其在太阳能晶硅电池片、各种陶瓷基片的生产工艺中必不可少。
热风循环温控系统能保证烘干炉提供精确的所需工艺温度环境，同时通过控制热气流流速和均匀性来提高烘干效率以及被烘干对象与环境气体接触的一致性，及时排出烘干炉内蒸发出的杂质物质，为被烘干对象提供一个优质的烘干环境。
经过在本部LTCC 陶瓷基片印刷线中干燥炉的实际应用，该图6温控系统电路原理图热电偶上位机通信温控模块In SSR OutIn SSR Out InSSR Out加热管加热管加热管24V线圈常闭点通用继电器GNDL1L2In常闭点过热保护模块热电偶In Out图7风机系统电路原理图模拟量输入点－模拟量输入点+变频器复位输入点正转使能输入点24VGND24V变频器故障报警输出点吹风机MM引风机变频器故障报警输出点24V热流风机MGND24VL3L2L1模拟量输入点－模拟量输入点+变频器复位输入点正转使能输入点L3L2L1U V WSP S1S4SC A1ACMA MC变频器L3L2L1U V W SP S1S4SC A1ACMA MC变频器件进行无损检测和质量控制提供了重要参考。