電子器件生產(chǎn)設(shè)備的聯(lián)動技術(shù)

廈門法拉電子股份有限公司 謝永亮

1 引言

電子器件生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)動的電控技術(shù)最基本的要求是讓設(shè)備之間能夠相互通訊，通過通訊獲得不同設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息，對這些狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析管理，協(xié)調(diào)各設(shè)備的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)整條線的自動化和智能化生產(chǎn)。簡單的狀態(tài)和數(shù)據(jù)分析可以在PLC中完成，比較復(fù)雜的則需要上位機(jī)分析處理，甚至人工來操作管理，在這個過程中以工控機(jī)為代表的上位機(jī)起著重要作用。工控機(jī)可以協(xié)調(diào)指揮各個機(jī)臺的運(yùn)行，傳遞各種參數(shù)，優(yōu)化運(yùn)行流程，可以生成各種報表，讓自動線的各種信息分級呈現(xiàn)給操作者和上級領(lǐng)導(dǎo)，每級生產(chǎn)人員也都可以在自己的權(quán)限下對設(shè)備進(jìn)行操控。

控制線路是電子器件生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)動安全可靠生產(chǎn)的重要保證,好的控制線路不但能夠保證人員的人身安全,還能保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。控制程序是聯(lián)動生產(chǎn)線自動化、智能化的核心要素，控制程序包括動作控制程序和工藝參數(shù)管理控制程序。動作控制程序是生產(chǎn)線穩(wěn)定可靠生產(chǎn)的重要條件，要保證聯(lián)動生產(chǎn)線自動化生產(chǎn)，設(shè)備的每個動作都必須得到精準(zhǔn)的控制；工藝參數(shù)管理是自動線的核心數(shù)據(jù)管理，不同的產(chǎn)品有不同的生產(chǎn)工藝，在生產(chǎn)設(shè)備上體現(xiàn)出不同的生產(chǎn)參數(shù)。一條自動線上面，同時可能會出現(xiàn)多種規(guī)格批次的產(chǎn)品，智能識別并按照不同規(guī)格的產(chǎn)品調(diào)整設(shè)備參數(shù)是自動線智能生產(chǎn)的重要前提。產(chǎn)品的工藝參數(shù)一般儲存在自動線的數(shù)據(jù)庫中,由PLC或者工控機(jī)統(tǒng)一管理，各個設(shè)備可以相互調(diào)用，各種設(shè)備的生產(chǎn)數(shù)據(jù)也能及時反饋給上位機(jī)，便于生產(chǎn)的監(jiān)控和管理。

2 電子器件生產(chǎn)設(shè)備的聯(lián)動組網(wǎng)方法

2.1 單PLC主機(jī)加擴(kuò)展模塊的方法

一些簡單的設(shè)備聯(lián)動只需要在設(shè)備上加裝新的機(jī)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)聯(lián)動功能，或者就可以并入聯(lián)動線中，這種聯(lián)動線可以采用單PLC主機(jī)加擴(kuò)展模塊的方法。這種方法操作簡單、成本低廉，只需要購買相應(yīng)的擴(kuò)展模塊加裝在PLC主機(jī)后面，將新機(jī)構(gòu)上面的線路引入擴(kuò)展模塊，然后編寫新機(jī)構(gòu)的程序，對原機(jī)程序做一定的修改便可以完成聯(lián)動功能。

圖1

我司曾經(jīng)開發(fā)的第一臺A型元器件自動線就是采用單PLC主機(jī)加擴(kuò)展模塊的方法設(shè)計。如圖1所示該自動線以頭部機(jī)構(gòu)PLC作為主機(jī)，將其它所有機(jī)構(gòu)的PLC作為新加機(jī)構(gòu)并入主機(jī)中。整機(jī)由一個PLC（PLC型號： FX3U-48MT，擴(kuò)展單元型號： FX2N-16EX、FX2N-16EYT）總控，各功能單元線路從線槽接入總電控柜。自動線的頭部和尾部設(shè)置觸摸屏，用于數(shù)據(jù)的輸入和更改，顯示執(zhí)行的工藝參數(shù)、故障報警信息、運(yùn)行信息等。

單PLC主機(jī)加擴(kuò)展模塊的方法適合用于聯(lián)接一些比較簡單的設(shè)備，這種設(shè)備或者長度不長或者沒有模擬量和脈沖量的接點(diǎn)，否則這種方式將嚴(yán)重影響控制質(zhì)量甚至不能使用。因?yàn)榫€路距離太長模擬量和脈沖量容易受到干擾。這種控制方法也加大了接線量，不適合檢修和移動搬運(yùn)。

2.2 多個PLC主機(jī)相互通訊的方法

對于多臺設(shè)備，且設(shè)備各自擁有相應(yīng)的PLC主機(jī)和程序，這種設(shè)備之間的聯(lián)動可以采用PLC主機(jī)相互通訊的方法完成。主機(jī)間相互通訊有兩種方法，第一種方法采用簡單的I/O口采集信號進(jìn)行通訊。這種通訊方法的優(yōu)點(diǎn)是方法簡單，成本低廉。缺點(diǎn)是通訊量太少，無法采集較多的狀態(tài)信息和工藝參數(shù)，形成不了深度聯(lián)動控制。第二種方法是采用PLC間的通訊協(xié)議進(jìn)行通訊，每個品牌的PLC都提供了和其它PLC、智能儀表以及上位機(jī)通訊的接口和協(xié)議。只需對相應(yīng)的接口進(jìn)行連接，按照通訊協(xié)議進(jìn)行編寫程序就能做到相互通訊。

我司開發(fā)第二代A型元器件自動線，就是采用三菱PLC間的通訊協(xié)議進(jìn)行通訊的方法設(shè)計的。自動線各個機(jī)構(gòu)PLC之間采用RS485的通訊模塊進(jìn)行組網(wǎng)連接形成N∶N網(wǎng)絡(luò)。

N∶N網(wǎng)絡(luò)就是在最多8臺FX可編程控制器之間， 通過RS-485通信連接， 進(jìn)行軟元件相互鏈接的功能，如圖2。

1）根據(jù)要鏈接的點(diǎn)數(shù)，有3種模式可以選擇。(FX0N，F(xiàn)X1S可編程控制器除外)。

2）數(shù)據(jù)的鏈接是在最多8臺FX可編程控制器之間自動更新。

3）總延長距離最大可達(dá)500m。(僅限于全部由485ADP構(gòu)成的情況)。

圖2

關(guān)于N∶N網(wǎng)絡(luò)的詳細(xì)內(nèi)容請看三菱通訊手冊，這里不做介紹。通過N∶N網(wǎng)絡(luò)可以在每個設(shè)備的PLC中獲得其它設(shè)備的狀態(tài)和參數(shù)，有了這些信息就可以相互協(xié)調(diào)、深度聯(lián)動。在對設(shè)備聯(lián)動進(jìn)行電控設(shè)計時有兩種方法來使用N∶N網(wǎng)絡(luò)：當(dāng)聯(lián)動的設(shè)備是已有的設(shè)備且各自擁有程序時，每個設(shè)備可以將相應(yīng)的參數(shù)放入儲存器中轉(zhuǎn)站中，這樣每個設(shè)備既可以讀取其它設(shè)備的信息，又可以將自己的信息共享給別的設(shè)備；當(dāng)聯(lián)動的設(shè)備是新開發(fā)或者新加的設(shè)備時，可以將新加的PLC只是作為一個I/O擴(kuò)展模塊來用，運(yùn)行程序?qū)懺谄渌鳈C(jī)，將輸入點(diǎn)的信息放入中轉(zhuǎn)站，把中轉(zhuǎn)站的輸出信息發(fā)給輸出點(diǎn)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是把小型PLC變成大型PLC使用，不用做繁瑣接線和通訊，主機(jī)程序易于編寫，缺點(diǎn)是主站從站之間的通訊速率相對較慢，對控制速度有要求的設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)。

2.3 多個PLC主機(jī)和工控機(jī)連接、工控機(jī)統(tǒng)一管理通訊的方法

對于自動化、智能化要求較高的設(shè)備聯(lián)動，可以采用多個PLC主機(jī)和工控機(jī)連接，工控機(jī)統(tǒng)一管理的通訊方法。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是在不影響PLC控制的前提下，可以對加入聯(lián)動的設(shè)備有較高的管控度，比如可以實(shí)時監(jiān)控一切想要監(jiān)控的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行大量的分析運(yùn)算，形成報表、各種分析圖像，并保存歸檔；同時還可以分級呈現(xiàn)到操作者、中層管理者，甚至可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程呈現(xiàn)給高層管理者，各級操作者也都可以在自己的權(quán)限下對設(shè)備進(jìn)行操控。這種通訊聯(lián)動的方法也是目前工業(yè)領(lǐng)域中德國提出的“工業(yè)4.0”，美國提出的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)” ，以及中國提出的“中國制造2025規(guī)劃”的基礎(chǔ)。

我司開發(fā)的B型元器件自動線就是采用8臺三菱PLC和1臺工控機(jī)連接、工控機(jī)統(tǒng)一管理的通訊方法進(jìn)行開發(fā)設(shè)計的，連線圖如圖3。

圖3

在工控機(jī)的RS232串口后面連接一個RS232轉(zhuǎn)RS485的通訊卡，或者直接在主板上安裝一張PCI接口的RS485通訊卡，然后每個PLC上的擴(kuò)展口上安裝一塊RS485的擴(kuò)展卡，將各個通訊端口串連起來即可，如圖4所示。

工控機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域占著非常重要的位置，在大型化工廠及各種重工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。隨著工廠對設(shè)備自動化、智能化需求的提高，工控機(jī)慢慢普及到各種小型工廠，因此熟練掌握工控機(jī)的應(yīng)用，是每個工控人必備的技能。設(shè)備聯(lián)動這一塊的技術(shù)對于工控機(jī)的要求，主要是要熟悉各種PCI擴(kuò)展板和組態(tài)軟件的使用。我司開發(fā)的B型元器件自動線應(yīng)用的是目前國內(nèi)較為流行的組態(tài)王軟件，這種軟件的特點(diǎn)功能強(qiáng)大，操作簡潔。

圖4

3 電子器件生產(chǎn)聯(lián)動設(shè)備的電控技術(shù)

3.1 聯(lián)動設(shè)備一次線路的設(shè)計

不論是新設(shè)計開發(fā)的聯(lián)動設(shè)備還是將現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動,都要設(shè)計一些電氣線路,機(jī)臺內(nèi)部的線路可以按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,這里主要介紹聯(lián)動設(shè)備的總進(jìn)線的設(shè)計及控制問題。一般小型聯(lián)動設(shè)備的電源可以集中成一條總進(jìn)線，然后由接觸器分到各設(shè)備進(jìn)行控制，我司開發(fā)的A型元器件自動線就是這種控制方式。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是線路設(shè)計簡單，控制程序比較容易編寫。對于功率比較大或者聯(lián)動較長的設(shè)備，由于功率大或者走線太長，不適合用這種方式。采用這種線路設(shè)計的設(shè)備一般可以采用2.1節(jié)和2.2節(jié)介紹的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)方法進(jìn)行連線。對這種總進(jìn)線的控制一般采用硬件控制和軟件控制的雙控方法控制。

對于大型聯(lián)動設(shè)備，一般聯(lián)動中的設(shè)備要么功率比較大，要么整條線比較長。對于這種設(shè)備的電源控制，最好采用分開獨(dú)立控制。設(shè)備間采用2.3介紹的聯(lián)網(wǎng)方式進(jìn)行通信，因此這種設(shè)備的電源控制在緊急情況下既可以單獨(dú)關(guān)斷，也可以使用上位機(jī)關(guān)斷，能夠很好的保證整個聯(lián)動設(shè)備的安全性。

3.2 聯(lián)動設(shè)備的程序設(shè)計

3.2.1 單PLC主機(jī)加擴(kuò)展模塊聯(lián)動設(shè)備的程序設(shè)計

這種聯(lián)動設(shè)備的程序編寫主要是在原有程序上進(jìn)行修改,不涉及到通訊等問題，也不涉及到工藝參數(shù)管理。它的主要難點(diǎn)是有時要改變原有機(jī)臺的動作時序和程序流程，一般編寫合理的程序都有一個清晰的框架，修改這種程序最好不要更改它的框架，只需要在原程序后面添加所需程序，對需要的狀態(tài)信息只做引用，越少更改原程序越合理。在更改的地方最好是不刪除只添加，最大限度的保證原程序的原貌，這樣做有益以后的更改和找錯。進(jìn)行程序設(shè)計時，先要對原程序的動作時序和結(jié)構(gòu)框架有一個清晰的認(rèn)識，最好畫出動作時序圖和程序流程圖，先對動作時序圖和程序流程圖做添加修改，然后編寫程序，調(diào)試程序時，先更改作時序圖和程序流程圖然后更改程序。程序編寫時每步都要寫注解，編寫完成后要寫詳細(xì)的設(shè)計筆記。這樣有益于下次的更改、少做重復(fù)的試錯，能夠花較少時間想起以前的設(shè)計思路，找出其中的問題。

3.2.2 多個PLC主機(jī)相互通訊聯(lián)動設(shè)備的程序設(shè)計

圖5

對于多個PLC主機(jī)的程序設(shè)計，不但要考慮每個主機(jī)的程序編寫，還要考慮到它們之間相互通信和參數(shù)管理方面的問題。每個PLC主機(jī)控制的設(shè)備，其控制程序相對比較獨(dú)立，多個設(shè)備聯(lián)動時，動作需要相互協(xié)調(diào)配合的地方主要在設(shè)備的入口處和出口處。工藝參數(shù)相互交互的地方一般在此處也較為常見。設(shè)備入口和出口處的程序最好做成標(biāo)準(zhǔn)接口。標(biāo)準(zhǔn)接口使得程序結(jié)構(gòu)清晰，有利于程序的再利用和調(diào)試找錯。以我司B型元器件自動線中烘箱間的出入口程序?yàn)槔Ｈ鐖D5所示，每個烘箱的出口和入口都有一個標(biāo)準(zhǔn)的接口，每個接口都有5個信號和一個工藝參數(shù)信息。當(dāng)烘箱出口處需要出盤時發(fā)出出盤請求信號，接收到出盤允許信號時執(zhí)行出盤動作，動作完成時，將參數(shù)信息發(fā)送到中轉(zhuǎn)站，并發(fā)出出盤完成信號，當(dāng)接收到出盤異常時報警，接收到出盤正常信號時，整個出盤動作完成。在下一個烘箱入口處，當(dāng)接收到進(jìn)盤請求信號時，判斷條件是否成熟，當(dāng)條件成熟時發(fā)出允許進(jìn)盤信號，接收到進(jìn)盤完成信號時，判斷進(jìn)盤是否正常，如果異常發(fā)出異常信號，如果正常發(fā)出正常信號并讀取工藝參數(shù)。

多個PLC主機(jī)相互通信，一般通信量有限，而且通信量越大占用的掃描時間就越長，因此如果能在主機(jī)中完成的控制任務(wù)就不要選擇用從機(jī)完成而加大通信量通信量。若是避免不了通信的話，也可以采用少量多分批次通信的方法，對于需要高速處理的程序不能采用通信的方法完成。對于工藝參數(shù)的管理，可以分段存儲在不同的PLC主機(jī)中，利用多個觸摸屏分別和PLC通信，或者單個觸摸屏運(yùn)用RS485通信協(xié)議和多個PLC通信的方式進(jìn)行工藝參數(shù)管理。

3.2.3 多個PLC主機(jī)和工控機(jī)連接、工控機(jī)統(tǒng)一管理通訊的程序設(shè)計

這種控制方式的程序設(shè)計同樣要考慮每個主機(jī)的程序編寫，以及它們之間相互通信和參數(shù)管理方面的問題。其程序設(shè)計和3.2.2節(jié)基本相同。和3.2.2節(jié)不同的是PLC主機(jī)通信的對象由PLC變成工控機(jī)，進(jìn)行工藝參數(shù)管理的也是工控機(jī)。工控機(jī)在這個控制中起到管理者和協(xié)調(diào)者的角色，因此工控機(jī)的程序設(shè)計是比較重要的一個環(huán)節(jié)。

工控機(jī)的程序設(shè)計一般都是對各種組態(tài)軟件的二次開發(fā)，現(xiàn)在市面上用得比較多的組態(tài)軟件有：InTouch 、WinCC 、Movicon、組態(tài)王KingView等。工控機(jī)可以做動作控制，但它并不擅長做動作控制，這主要是因?yàn)樗姆€(wěn)定性、反應(yīng)速度和成本都比不上PLC。所以涉及到動作控制最好由PLC完成。工控機(jī)的最大優(yōu)勢在于它的數(shù)據(jù)采集和處理能力，以及其強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信能力?，F(xiàn)在的自動化、智能化設(shè)備越來越注重產(chǎn)品的數(shù)據(jù)采集與儲存、分析處理，以及網(wǎng)絡(luò)實(shí)時共享能力。對工控機(jī)的程序設(shè)計也主要從這幾個方面著手。

數(shù)據(jù)采集與儲存就是工控機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)和各個PLC主機(jī)通信，建立變量后將需要的變量實(shí)時的采集到工控機(jī)儲存，或者通過數(shù)據(jù)采集卡直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并且儲存。采集數(shù)據(jù)最重要的一點(diǎn)就是采集的頻率問題，如果通過通信的方式采集數(shù)據(jù)，掃描頻率一般在50毫秒以上。若需要更高的采集頻率可以用專用的采集卡直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

數(shù)據(jù)的分析處理可以使用多種方式，簡單的處理可以直接通過組態(tài)軟件自帶的功能完成，形成各種報表，趨勢圖等分析圖表，通過一定的編輯設(shè)置還可以形成報警信息并反饋回PLC，讓PLC做出相應(yīng)的處理。比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理可以借助第三方軟件來完成，一般這種軟件都支持OPC接口或者DDE接口，它們和組態(tài)軟件可以相互通信，通過第三方軟件的開發(fā)和組態(tài)軟件的二次開發(fā)，完成各種各樣的強(qiáng)大功能。

網(wǎng)絡(luò)實(shí)時共享是指各個設(shè)備的PLC通過和組態(tài)軟件連接后，底層執(zhí)行機(jī)構(gòu)、各個PLC主機(jī)、觸摸屏，各個工控機(jī)都能實(shí)時將數(shù)據(jù)共享，甚至很多組態(tài)軟件（如組態(tài)王）通過二次開發(fā)可以直接連接Internet，做到遠(yuǎn)程控制和管理。

4 結(jié)語

我司自主開發(fā)的A型元器件自動線和B型元器件自動線，我主要負(fù)責(zé)電控線路的設(shè)計和程序軟件開發(fā)。這兩條自動線通過自動化手段將各個工序零散的設(shè)備連接起來，減少了產(chǎn)品生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率，產(chǎn)品質(zhì)量的一致性也得到了提高。設(shè)備的電控技術(shù)是一門多學(xué)科綜合性很強(qiáng)的技術(shù)，涉及到自動化、計算機(jī)、傳感器、通信、機(jī)械等多種知識，這種技術(shù)只有在長期的學(xué)習(xí)和實(shí)踐中才能慢慢積累和提高。