基于PLC和DSP的電子灌膠機控制系統(tǒng)設計

張宏濤，王瑞娟

ZHANG Hong-tao，WANG Rui-juan

(鄭州大學，鄭州 450002)

0 引言

電子灌膠機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、信號模擬電子模塊、電力電子設備、照明電子設備等電子產品的局部或整體灌封。

目前國內市場上的電子灌膠機大多缺乏系統(tǒng)性的設計，采用的控制系統(tǒng)普遍為PLC+溫控儀的方式，使得整機的控制協(xié)調性較弱，并且出膠控制設計簡單，出膠量誤差較大，實時性差。本文針對以上問題設計實現(xiàn)了一種采用PLC控制器和DSP處理器相結合的電子灌膠機控制系統(tǒng)。

1 電子灌膠機的組成和工作原理

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

電子灌膠機的基本工作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

2 電子灌膠機的控制系統(tǒng)

該電子灌膠機的控制系統(tǒng)采用了PLC控制器和DSP處理器相結合的方法構成整個設備的控制平臺，其控制結構圖如圖2所示。

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

圖2 系統(tǒng)控制結構圖

PLC作為邏輯動作和狀態(tài)控制核心，主要完成整個系統(tǒng)控制流程的監(jiān)控、與觸摸屏和DSP進行通訊、驅動攪拌器的工作，并依靠通用工業(yè)產品的可靠性完善整機的執(zhí)行安全性和穩(wěn)定性，具體包括了各個系統(tǒng)的故障保護、過載保護、緊急停機保護以及安全繼電器保護等。

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

DSP處理器作為控制系統(tǒng)的下層控制器，充分利用了DSP的實時能力、單指令計算能力進行控制算法的運算和事件處理，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算和出膠控制等功能。

3 PLC控制設計

PLC 控制器選用的是西門子公司的S 7-300PLC，它作為整個系統(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 通訊設計

PLC的通訊設計主要是通過Profibus現(xiàn)場總線同觸摸屏和DSP處理器進行數(shù)據(jù)通訊。Profibus現(xiàn)場總線是世界上應用最廣泛的現(xiàn)場總線技術，它提供了DP、PA和FMS三種通訊協(xié)議方式，其中Profibus-DP是被設計用于現(xiàn)場級的快速數(shù)據(jù)交換，具有高速低成本的特點。使用該現(xiàn)場總線技術進行系統(tǒng)監(jiān)控，可以很好地滿足實時控制的要求，還能使用一對雙絞線替代了傳統(tǒng)的大量的傳輸電纜，減少了電纜的使用，節(jié)省費用，也能避免現(xiàn)場信號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

該電子灌膠機使用了一個小型電機和鋁合金減速機構作為攪拌的動力源，當PLC讀取的加熱油溫度達到黑膠液化溫度時，便由PLC控制攪拌機構開啟，并在PLC的每個掃描周期內通過檢測裝置檢測攪拌機構的運行狀態(tài)，保證攪拌不會處于堵轉的狀態(tài)。另外，當設備進入休眠模式后，PLC將關閉攪拌機構的運行，以延長攪拌機構的壽命和節(jié)能降耗。

3.3 保護設計

由于電子灌膠機中的加熱油會在215℃的情況下發(fā)生熱膨脹，從而產生1～2公斤的壓力，所以設備采用了多重溫控的安全保護系統(tǒng)，該保護系統(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立，防止系統(tǒng)互相干擾。

當檢測到超溫狀態(tài)，任何一種檢測模式均可以提前進行緊急停機，并發(fā)出警報，同時由PLC控制打開緊急放氣閥對熱膨脹后熱傳導油進行快速氣體卸壓。

4 DSP控制設計

DSP處理器選用的是TI的TMS320LF2809，系統(tǒng)時鐘為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，實現(xiàn)對電子產品的封裝。為了準確控制黑膠膠體的溫度（設定值為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，即通過對媒介加熱油進行加熱，實現(xiàn)黑膠的精確溫控。加熱系統(tǒng)的設計結構圖如圖5所示。

圖5 加熱系統(tǒng)設計結構圖

圖中標號1為用于存儲黑膠的內膽；標號2為位于內膽外部的外膽，在外膽與內膽之間存儲有加熱油；標號3為外膽中設置的電熱絲，用于加熱液態(tài)加熱油，由DSP處理器控制；標號4為位于內膽中的攪拌機構，由PLC控制器控制；標號5為出膠活塞缸，位于內膽的內部并且壓于黑膠的液面上；標號6為活塞驅動機構，用于驅動出膠活塞缸中活塞的運動，由DSP處理器控制；標號7為出料管，貫穿于內膽和外膽；標號8為DSP處理器；標號9為設置于內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)。

加熱控制由內外兩個PID閉環(huán)組成，由于加熱油的熱慣量較小，反應較快，作為內環(huán)，其反饋信號為加熱油反饋溫度，設定值為加熱油設定溫度以及外環(huán)的輸出結果；黑膠的熱慣量較大，反應較慢，作為外環(huán)，反饋信號為黑膠反饋溫度，設定值為黑膠設定溫度。這樣的設計可以實現(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處理器中轉換成離散數(shù)字量的計算，充分利用DSP快速的乘加運算能力。在實際使用中加熱控制的精度在正負1℃范圍內。

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動行程改變黑膠容積來擠壓出定量的黑膠。出膠控制算法的運算和柱塞泵的驅動控制是由DSP處理器完成，保證了較高的出膠精度和重復性。

控制活塞行程的計算公式如式（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會隨溫度發(fā)生變化，所以假設液態(tài)黑膠的溫度系數(shù)為α，ρ0為常溫25℃時的液體黑膠密度，則不同溫度下控制活塞行程的計算公式如式（2）所示：

柱塞泵中活塞的運動速度曲線如圖7所示，圖中的橫軸表示活塞運動時間t，縱軸表示柱塞泵的活塞運動的速度V。

圖7 活塞運動速度曲線圖

活塞運動速度曲線使用MATLAB軟件進行多項式擬合，其擬合公式如式（3）所示：

對活塞運動速度式（3）進行積分，可以得到活塞的運行行程如式（4）所示：

對式(4)進行轉換可以得出單位出膠重量G和活塞運動時間t之間的對應關系如式（5）所示：

如果能精確控制活塞運動時間，就能準確控制活塞運動行程，從而達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和時間t之間的單調函數(shù)，沒有十分復雜的計算，很容易用DSP處理器來實現(xiàn)。

由于DSP處理器是定點DSP，首先必須將浮點參數(shù)A0、A1、A2按照計算方法轉換成定點參數(shù)，當DSP得到設定的出膠重量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，快速計算出n，從而計算出活塞活動時間，即：

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

4.3 溫度數(shù)據(jù)采集

在整個設備工作過程中，DSP處理器會實時采集加熱油和液態(tài)黑膠的溫度，通過PID調節(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)溫度信息判斷設備運行狀態(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 結論

該電子灌膠機的控制系統(tǒng)根據(jù)設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，并結合了自控、測控和過程控制多種控制方式，大大提高了整機的控制協(xié)調性，使系統(tǒng)具有較高的出膠精度和實時性，并且提高了整機的智能化和自動化程度。采用該控制系統(tǒng)的電子灌膠機產品已在很多電子產品制造廠使用，具有很高的用戶評價。

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