張宏濤，王瑞娟

ZHANG Hong-tao，WANG Rui-juan

(鄭州大學(xué)，鄭州 450002)

0 引言

電子灌膠機(jī)是一種日用電子器具制造業(yè)的封膠灌裝系統(tǒng)，它廣泛用于各類高頻電子線路、信號(hào)模擬電子模塊、電力電子設(shè)備、照明電子設(shè)備等電子產(chǎn)品的局部或整體灌封。

目前國內(nèi)市場上的電子灌膠機(jī)大多缺乏系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)，采用的控制系統(tǒng)普遍為PLC+溫控儀的方式，使得整機(jī)的控制協(xié)調(diào)性較弱，并且出膠控制設(shè)計(jì)簡單，出膠量誤差較大，實(shí)時(shí)性差。本文針對(duì)以上問題設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種采用PLC控制器和DSP處理器相結(jié)合的電子灌膠機(jī)控制系統(tǒng)。

1 電子灌膠機(jī)的組成和工作原理

電子灌膠機(jī)主要由加熱系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、出膠系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)等組成。加熱系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)黑膠材料的加熱，并且在黑膠溫度達(dá)到設(shè)定值后進(jìn)行恒溫控制；攪拌系統(tǒng)是在黑膠達(dá)到液態(tài)后進(jìn)行攪拌控制，保證液態(tài)黑膠材料受熱均勻，充分進(jìn)行熱交換；出膠系統(tǒng)是根據(jù)設(shè)定的出膠量控制出膠裝置進(jìn)行精確出膠；保護(hù)系統(tǒng)是對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行提供全面監(jiān)控；顯示系統(tǒng)使操作人員通過人機(jī)界面對(duì)出膠量等一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，并且可以對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示。

電子灌膠機(jī)的基本工作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

2 電子灌膠機(jī)的控制系統(tǒng)

該電子灌膠機(jī)的控制系統(tǒng)采用了PLC控制器和DSP處理器相結(jié)合的方法構(gòu)成整個(gè)設(shè)備的控制平臺(tái)，其控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

PLC（可編程控制器）是一種專門為工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，它能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)靈活，體積小，重量輕，能耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)，被選作該設(shè)備控制系統(tǒng)的主控制器。

圖2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

PLC作為邏輯動(dòng)作和狀態(tài)控制核心，主要完成整個(gè)系統(tǒng)控制流程的監(jiān)控、與觸摸屏和DSP進(jìn)行通訊、驅(qū)動(dòng)攪拌器的工作，并依靠通用工業(yè)產(chǎn)品的可靠性完善整機(jī)的執(zhí)行安全性和穩(wěn)定性，具體包括了各個(gè)系統(tǒng)的故障保護(hù)、過載保護(hù)、緊急停機(jī)保護(hù)以及安全繼電器保護(hù)等。

DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，它可以實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法，并且具有高的運(yùn)算精度和低的功耗。

DSP處理器作為控制系統(tǒng)的下層控制器，充分利用了DSP的實(shí)時(shí)能力、單指令計(jì)算能力進(jìn)行控制算法的運(yùn)算和事件處理，主要完成加熱油和液態(tài)黑膠溫度數(shù)據(jù)的采集處理、加熱系統(tǒng)溫度的恒溫控制、出膠系統(tǒng)中出膠量控制算法運(yùn)算和出膠控制等功能。

3 PLC控制設(shè)計(jì)

PLC 控制器選用的是西門子公司的S 7-300PLC，它作為整個(gè)系統(tǒng)的主控制器主要完成系統(tǒng)流程的控制，其基本工作流程如圖3所示。

3.1 通訊設(shè)計(jì)

PLC的通訊設(shè)計(jì)主要是通過Profibus現(xiàn)場總線同觸摸屏和DSP處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。Profibus現(xiàn)場總線是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線技術(shù)，它提供了DP、PA和FMS三種通訊協(xié)議方式，其中Profibus-DP是被設(shè)計(jì)用于現(xiàn)場級(jí)的快速數(shù)據(jù)交換，具有高速低成本的特點(diǎn)。使用該現(xiàn)場總線技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控，可以很好地滿足實(shí)時(shí)控制的要求，還能使用一對(duì)雙絞線替代了傳統(tǒng)的大量的傳輸電纜，減少了電纜的使用，節(jié)省費(fèi)用，也能避免現(xiàn)場信號(hào)在長距離傳輸過程中的干擾。

圖3 PLC工作流程圖

3.2 攪拌控制

該電子灌膠機(jī)使用了一個(gè)小型電機(jī)和鋁合金減速機(jī)構(gòu)作為攪拌的動(dòng)力源，當(dāng)PLC讀取的加熱油溫度達(dá)到黑膠液化溫度時(shí)，便由PLC控制攪拌機(jī)構(gòu)開啟，并在PLC的每個(gè)掃描周期內(nèi)通過檢測裝置檢測攪拌機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，保證攪拌不會(huì)處于堵轉(zhuǎn)的狀態(tài)。另外，當(dāng)設(shè)備進(jìn)入休眠模式后，PLC將關(guān)閉攪拌機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，以延長攪拌機(jī)構(gòu)的壽命和節(jié)能降耗。

3.3 保護(hù)設(shè)計(jì)

由于電子灌膠機(jī)中的加熱油會(huì)在215℃的情況下發(fā)生熱膨脹，從而產(chǎn)生1～2公斤的壓力，所以設(shè)備采用了多重溫控的安全保護(hù)系統(tǒng)，該保護(hù)系統(tǒng)由PLC控制器直接控制。PLC通過讀取由DSP采集的加熱油和黑膠溫度以及檢測外膽壓力和壓力泵運(yùn)行狀態(tài)來判斷加熱油的溫度狀態(tài)，這四重檢測模式互相獨(dú)立，防止系統(tǒng)互相干擾。

當(dāng)檢測到超溫狀態(tài)，任何一種檢測模式均可以提前進(jìn)行緊急停機(jī)，并發(fā)出警報(bào)，同時(shí)由PLC控制打開緊急放氣閥對(duì)熱膨脹后熱傳導(dǎo)油進(jìn)行快速氣體卸壓。

4 DSP控制設(shè)計(jì)

DSP處理器選用的是TI的TMS320LF2809，系統(tǒng)時(shí)鐘為150MHz，作為控制系統(tǒng)下層的控制器，其基本工作流程如圖4所示。

圖4 DSP工作流程圖

4.1 加熱控制

固體黑膠只有在受熱后，才能變成粘稠的液體，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子產(chǎn)品的封裝。為了準(zhǔn)確控制黑膠膠體的溫度（設(shè)定值為155℃），使黑膠材料受熱迅速均勻，減小局部分解的概率，加熱系統(tǒng)采用了雙閉環(huán)控制加熱的方式，即通過對(duì)媒介加熱油進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)黑膠的精確溫控。加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

圖中標(biāo)號(hào)1為用于存儲(chǔ)黑膠的內(nèi)膽；標(biāo)號(hào)2為位于內(nèi)膽外部的外膽，在外膽與內(nèi)膽之間存儲(chǔ)有加熱油；標(biāo)號(hào)3為外膽中設(shè)置的電熱絲，用于加熱液態(tài)加熱油，由DSP處理器控制；標(biāo)號(hào)4為位于內(nèi)膽中的攪拌機(jī)構(gòu)，由PLC控制器控制；標(biāo)號(hào)5為出膠活塞缸，位于內(nèi)膽的內(nèi)部并且壓于黑膠的液面上；標(biāo)號(hào)6為活塞驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于驅(qū)動(dòng)出膠活塞缸中活塞的運(yùn)動(dòng)，由DSP處理器控制；標(biāo)號(hào)7為出料管，貫穿于內(nèi)膽和外膽；標(biāo)號(hào)8為DSP處理器；標(biāo)號(hào)9為設(shè)置于內(nèi)膽和外膽中的溫度傳感器，由DSP處理器采集加熱油和液態(tài)黑膠的溫度數(shù)據(jù)。

加熱控制由內(nèi)外兩個(gè)PID閉環(huán)組成，由于加熱油的熱慣量較小，反應(yīng)較快，作為內(nèi)環(huán)，其反饋信號(hào)為加熱油反饋溫度，設(shè)定值為加熱油設(shè)定溫度以及外環(huán)的輸出結(jié)果；黑膠的熱慣量較大，反應(yīng)較慢，作為外環(huán)，反饋信號(hào)為黑膠反饋溫度，設(shè)定值為黑膠設(shè)定溫度。這樣的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)液態(tài)黑膠溫度精確的恒溫控制，加熱控制框圖如圖6所示。

圖6 加熱控制框圖

根據(jù)加熱控制框圖所涉及的PID算法，在DSP處理器中轉(zhuǎn)換成離散數(shù)字量的計(jì)算，充分利用DSP快速的乘加運(yùn)算能力。在實(shí)際使用中加熱控制的精度在正負(fù)1℃范圍內(nèi)。

4.2 出膠控制

出膠控制的工作原理是通過控制出膠活塞缸中活塞的運(yùn)動(dòng)行程改變黑膠容積來擠壓出定量的黑膠。出膠控制算法的運(yùn)算和柱塞泵的驅(qū)動(dòng)控制是由DSP處理器完成，保證了較高的出膠精度和重復(fù)性。

控制活塞行程的計(jì)算公式如式（1）所示：

公式中L表示活塞行程，S表示活塞面積，G表示設(shè)定的單位出膠重量，ρ表示一定溫度下的液體黑膠密度。

由于液體黑膠的密度ρ會(huì)隨溫度發(fā)生變化，所以假設(shè)液態(tài)黑膠的溫度系數(shù)為α，ρ0為常溫25℃時(shí)的液體黑膠密度，則不同溫度下控制活塞行程的計(jì)算公式如式（2）所示：

柱塞泵中活塞的運(yùn)動(dòng)速度曲線如圖7所示，圖中的橫軸表示活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)間t，縱軸表示柱塞泵的活塞運(yùn)動(dòng)的速度V。

圖7 活塞運(yùn)動(dòng)速度曲線圖

活塞運(yùn)動(dòng)速度曲線使用MATLAB軟件進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，其擬合公式如式（3）所示：

對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)速度式（3）進(jìn)行積分，可以得到活塞的運(yùn)行行程如式（4）所示：

對(duì)式(4)進(jìn)行轉(zhuǎn)換可以得出單位出膠重量G和活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)間t之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如式（5）所示：

如果能精確控制活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)間，就能準(zhǔn)確控制活塞運(yùn)動(dòng)行程，從而達(dá)到精確控制單位出膠重量的目的。由于式(5)是單位出膠重量G和時(shí)間t之間的單調(diào)函數(shù)，沒有十分復(fù)雜的計(jì)算，很容易用DSP處理器來實(shí)現(xiàn)。

由于DSP處理器是定點(diǎn)DSP，首先必須將浮點(diǎn)參數(shù)A0、A1、A2按照計(jì)算方法轉(zhuǎn)換成定點(diǎn)參數(shù)，當(dāng)DSP得到設(shè)定的出膠重量G，根據(jù)式（6）利用DSP的乘累加指令為單字節(jié)指令這一特點(diǎn)，快速計(jì)算出n，從而計(jì)算出活塞活動(dòng)時(shí)間，即：

以此參數(shù)定時(shí)控制柱塞泵。出膠控制的實(shí)際測量誤差在正負(fù)1克范圍內(nèi)，比其他同類型產(chǎn)品的正負(fù)5克出膠誤差小很多。

4.3 溫度數(shù)據(jù)采集

在整個(gè)設(shè)備工作過程中，DSP處理器會(huì)實(shí)時(shí)采集加熱油和液態(tài)黑膠的溫度，通過PID調(diào)節(jié)器恒溫控制黑膠的溫度，并將采集處理后的溫度數(shù)據(jù)傳送給PLC控制器，使PLC可以根據(jù)溫度信息判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。為了簡化電路減少干擾，溫度傳感器選用的是AD公司的數(shù)字溫度傳感器。

5 結(jié)論

該電子灌膠機(jī)的控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備功能需求采用了上下兩層的控制方式，充分利用了PLC控制器和DSP處理器的優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合了自控、測控和過程控制多種控制方式，大大提高了整機(jī)的控制協(xié)調(diào)性，使系統(tǒng)具有較高的出膠精度和實(shí)時(shí)性，并且提高了整機(jī)的智能化和自動(dòng)化程度。采用該控制系統(tǒng)的電子灌膠機(jī)產(chǎn)品已在很多電子產(chǎn)品制造廠使用，具有很高的用戶評(píng)價(jià)。

[1]張宏濤.一種黑膠機(jī)定量出膠方法[P].專利申請(qǐng)?zhí)?200810041425.1.

[2]張宏濤.一種黑膠機(jī)定量出膠系統(tǒng)[P].專利申請(qǐng)?zhí)?200810041424.7.

[3]陳海霞,等編著.西門子S7-300/400PLC編程技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[4]許邦建,唐濤,張坤赤,編著.DSP處理器算法概論[M].北京:國防工業(yè)出版社,2012.

[5]林靜然,編著.基于TI DSP的通用算法實(shí)現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[6]赫德爾斯頓(美)編著.智能傳感器設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[7]鄒伯敏,等.自動(dòng)控制理論（第3版）[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.