陳羽

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210023）

可自動調(diào)節(jié)曝光時間的曝光機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

陳羽

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210023）

為了解決紫外光燈隨使用時間的增加而曝光量不足的問題，研究設(shè)計了一套隨曝光量而改變曝光時間的PLC控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由西門子PLC（S7-200）、模擬量擴(kuò)展模塊（EM231）、紫外接收模塊、MT4000系列人機(jī)界面等硬件組成。介紹了自控式曝光機(jī)的電氣系統(tǒng)構(gòu)成及軟件控制的設(shè)計方法。

曝光；PLC；人機(jī)界面；模擬量擴(kuò)展模塊

通用型曝光機(jī)的光源皆為紫外燈，開啟光源，紫外燈發(fā)出UV波長的紫外線，照射到具有圖像的透明膠片上，膠片的下方是涂有感光材料的基板，這樣紫外光就透過膠片的透明部分，將圖像信息轉(zhuǎn)移到基板上。合理控制曝光時間決定了后道工序的成敗，若曝光時間過短，則曝光量不足，基板上的感光材料經(jīng)顯影后會溶漲變軟，甚至有脫落現(xiàn)象。當(dāng)曝光時間過長，則基板上的感光材料經(jīng)顯影后變得堅硬發(fā)脆、甚至?xí)蟹侄螝埩簟?/p>

曝光機(jī)隨著曝光燈的長時間的使用，光強(qiáng)產(chǎn)生衰退，使得曝光量不足，從而影響了產(chǎn)品的合格率。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，可采用自動檢測的方法，時刻采樣光源的光強(qiáng)，根據(jù)光強(qiáng)控制曝光的時間，提高燈管的利用率，達(dá)到智能控制的效果。

1 控制要求

（1）曝光機(jī)工作流程

曝光機(jī)的硬件部分有：支撐框架、按鈕主控面板、玻璃曬架、曬架電機(jī)、人機(jī)界面、燈箱、燈管冷卻風(fēng)扇、抽真空泵等。其工作流程如圖1所示。

圖1 曝光機(jī)工作流程圖

（2）曝光機(jī)的控制要求[1]

1）按下“自動”按鈕，曝光機(jī)對圖1所示的工作流程反復(fù)操作。對于突發(fā)事件可以自動檢測停止，或者通過按緊急制動按鈕停止。

2）采用順序功能設(shè)計，對各個操作實現(xiàn)安全步進(jìn)，如當(dāng)曬架沒進(jìn)入曝光室時，則不執(zhí)行曝光相應(yīng)的操作程序。

3）為防止燈管因開機(jī)溫度過低而無法點亮，要求燈管兩端電壓達(dá)到300 V時啟動冷卻風(fēng)扇。

4）曝光機(jī)停止運行后，風(fēng)扇仍保持工作狀態(tài)，經(jīng)過5 min自動斷電，以確保充分散熱。

5）自動檢測光源光強(qiáng)，根據(jù)光強(qiáng)控制曝光的時間。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

（1）硬件系統(tǒng)配置

系統(tǒng)硬件配置框圖如圖2所示，主要由PLC模塊、按鈕開關(guān)系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換模塊、繼電器輸出模塊等組成。根據(jù)設(shè)計的要求和輸入輸出信號的數(shù)量，選用了西門子S7-200系列CPU 224型可編程控制器。

圖2 硬件系統(tǒng)配置框圖

（2）電氣系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)曝光機(jī)的工作流程及控制要求，設(shè)計了PLC控制系統(tǒng)方案。PLC的電氣接線如圖3所示，左邊為行程開關(guān)、限位開關(guān)、命令按鈕，均為開關(guān)量連接；右邊的輸出信號與繼電器的控制線圈相連，控制輸出器件的運行與停止；曝光時間的控制是通過EM231模塊采樣光源的光強(qiáng)來實現(xiàn)，此A/D轉(zhuǎn)換模塊具有四路模擬量輸入和一路模擬量輸出[2]，轉(zhuǎn)換的中間鏈接是紫外接收傳感器，它具有光電轉(zhuǎn)換和信號放大作用。

圖3 電氣系統(tǒng)接線圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)的主程序采用順序控制方式，它使電機(jī)、快門、真空泵等執(zhí)行器件按設(shè)定的條件有序地運行。輸出隨著輸入開關(guān)量的邏輯控制相對較為簡單，這里不作贅述；曬架抽真空時間、風(fēng)扇運行延時等各類時間控制由PLC內(nèi)部定時器進(jìn)行設(shè)定；曝光機(jī)的反復(fù)執(zhí)行及對突發(fā)事件的檢測會用到PLC內(nèi)部的計數(shù)器，這些并不是本文的重點內(nèi)容。這里重點要解決的是光強(qiáng)模擬量的處理及控制。

（1）硬件接線

PLC擴(kuò)展模擬量模塊的轉(zhuǎn)換間無有隔離，使得模塊本身的抗干擾能力相對較弱。但若將輸入的參考端接到適當(dāng)位置，則可以減小干擾[3]，其硬件接線如圖4所示。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換模塊接線

（2）軟件編程

S7-200的指令的處理速度較快，A/D轉(zhuǎn)換的時間也很短，為微妙量級，且模擬量數(shù)值的靈敏度較高[3]，但在本控制系統(tǒng)中，由于曝光時間相對較長，為秒量級，因此對轉(zhuǎn)換時間的要求并不高，可以采用多次采樣取平均值的方法，來處理輸入的數(shù)字量。UV光源的光強(qiáng)通過紫外接收傳感器經(jīng)信號放大調(diào)至后送到控制系統(tǒng)中，CPU通過模擬量擴(kuò)展模塊EM231從AIW0寄存器中讀取輸入值，求出多次采樣的平均值，當(dāng)平均值累加到設(shè)定值時，輸出信號去關(guān)閉光源快門。

4 實驗分析

在生產(chǎn)現(xiàn)場的實驗調(diào)試時，通常采用云斯頓光密度理論來確定最佳曝光時間，此外還需要根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗進(jìn)行觀察。實驗過程中，使用的是一臺ORC曝光機(jī)，其正常曝光時間為14 s，允許誤差量為100 ms.但UV光源的光強(qiáng)是隨著燈的老化而下降的，根據(jù)光能量的計算公式E=JT（E-曝光總能量，J-光的強(qiáng)度，T-曝光時間），在PLC編程時，將定時器的時間設(shè)定為100 ms，每隔100 ms采集一次光源的光強(qiáng)，光能量累加的總值以數(shù)值的形式存儲在數(shù)字寄存器中，通過比較數(shù)值等PLC指令，使其與正常曝光時的總值進(jìn)行比較，從而實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)曝光時間的控制。

實驗證明：該軟硬件系統(tǒng)較全面地實現(xiàn)了自動曝光機(jī)的使用功能，通過現(xiàn)場修改PLC控制程序，可使曝光機(jī)的工作性能不斷優(yōu)化。經(jīng)調(diào)試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，測試結(jié)果達(dá)到了設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)完成了自控式曝光機(jī)的軟硬件設(shè)計，介紹了曝光機(jī)控制系統(tǒng)的工作過程和光強(qiáng)采集處理的設(shè)計方法。采用順序控制的編程思路，大大提高了設(shè)備運行的可靠性；創(chuàng)新性地將多次采樣的平均值進(jìn)行累加，使曝光時間得以自動調(diào)節(jié)。讓人機(jī)界面與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，使得用戶能夠及時了解到曝光機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)并加以有效控制。

[1]楊志鋒.PCB曝光機(jī)自動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)電工程技術(shù)，2009，38（11）：43-45.

[2]吳震.基于S7_200PLC的爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2010，6（20）：5630-5631.

[3]宋曉匯.S7_200PLC模擬量的使用[J].基礎(chǔ)自動化，2000，7（6）：62-64.

Design of Control System for Automatic Time Exposure

CHEN Yu
（Nanjing College of Information Technology，Nanjing Jiangsu 210023，China）

In order to solve the problem that the exposure of ultraviolet lamp increases with the increase of time，a PLC control system is designed.The system is combined with SIEMENS PLC（S7-200），analog expansion module（EM231），UV sensor module，man-machine interface MT4000.This paper briefly introduces the design of the hardware and the software design method.

exposure；PLC；man-machine interface；analog expansion module

TP273

A

1672-545X（2017）06-0147-03

2017-03-03

陳羽（1979-），男，南京人，講師，研究方向：電子技術(shù)。