電子器件生產設備的聯動技術

廈門法拉電子股份有限公司 謝永亮

1 引言

電子器件生產設備聯動的電控技術最基本的要求是讓設備之間能夠相互通訊，通過通訊獲得不同設備的運行狀態和數據信息，對這些狀態和數據進行分析管理，協調各設備的運行，實現整條線的自動化和智能化生產。簡單的狀態和數據分析可以在PLC中完成，比較復雜的則需要上位機分析處理，甚至人工來操作管理，在這個過程中以工控機為代表的上位機起著重要作用。工控機可以協調指揮各個機臺的運行，傳遞各種參數，優化運行流程，可以生成各種報表，讓自動線的各種信息分級呈現給操作者和上級領導，每級生產人員也都可以在自己的權限下對設備進行操控。

控制線路是電子器件生產設備聯動安全可靠生產的重要保證,好的控制線路不但能夠保證人員的人身安全,還能保證產品質量的穩定性和可靠性。控制程序是聯動生產線自動化、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管理控制程序。動作控制程序是生產線穩定可靠生產的重要條件，要保證聯動生產線自動化生產，設備的每個動作都必須得到精準的控制；工藝參數管理是自動線的核心數據管理，不同的產品有不同的生產工藝，在生產設備上體現出不同的生產參數。一條自動線上面，同時可能會出現多種規格批次的產品，智能識別并按照不同規格的產品調整設備參數是自動線智能生產的重要前提。產品的工藝參數一般儲存在自動線的數據庫中,由PLC或者工控機統一管理，各個設備可以相互調用，各種設備的生產數據也能及時反饋給上位機，便于生產的監控和管理。

2 電子器件生產設備的聯動組網方法

2.1 單PLC主機加擴展模塊的方法

一些簡單的設備聯動只需要在設備上加裝新的機構就能實現聯動功能，或者就可以并入聯動線中，這種聯動線可以采用單PLC主機加擴展模塊的方法。這種方法操作簡單、成本低廉，只需要購買相應的擴展模塊加裝在PLC主機后面，將新機構上面的線路引入擴展模塊，然后編寫新機構的程序，對原機程序做一定的修改便可以完成聯動功能。

圖1

我司曾經開發的第一臺A型元器件自動線就是采用單PLC主機加擴展模塊的方法設計。如圖1所示該自動線以頭部機構PLC作為主機，將其它所有機構的PLC作為新加機構并入主機中。整機由一個PLC（PLC型號： FX3U-48MT，擴展單元型號： 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置觸摸屏，用于數據的輸入和更改，顯示執行的工藝參數、故障報警信息、運行信息等。

單PLC主機加擴展模塊的方法適合用于聯接一些比較簡單的設備，這種設備或者長度不長或者沒有模擬量和脈沖量的接點，否則這種方式將嚴重影響控制質量甚至不能使用。因為線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。

2.2 多個PLC主機相互通訊的方法

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

我司開發第二代A型元器件自動線，就是采用三菱PLC間的通訊協議進行通訊的方法設計的。自動線各個機構PLC之間采用RS485的通訊模塊進行組網連接形成N∶N網絡。

N∶N網絡就是在最多8臺FX可編程控制器之間， 通過RS-485通信連接， 進行軟元件相互鏈接的功能，如圖2。

1）根據要鏈接的點數，有3種模式可以選擇。(FX0N，FX1S可編程控制器除外)。

2）數據的鏈接是在最多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500m。(僅限于全部由485ADP構成的情況)。

圖2

關于N∶N網絡的詳細內容請看三菱通訊手冊，這里不做介紹。通過N∶N網絡可以在每個設備的PLC中獲得其它設備的狀態和參數，有了這些信息就可以相互協調、深度聯動。在對設備聯動進行電控設計時有兩種方法來使用N∶N網絡：當聯動的設備是已有的設備且各自擁有程序時，每個設備可以將相應的參數放入儲存器中轉站中，這樣每個設備既可以讀取其它設備的信息，又可以將自己的信息共享給別的設備；當聯動的設備是新開發或者新加的設備時，可以將新加的PLC只是作為一個I/O擴展模塊來用，運行程序寫在其他主機，將輸入點的信息放入中轉站，把中轉站的輸出信息發給輸出點。這樣做的優點是把小型PLC變成大型PLC使用，不用做繁瑣接線和通訊，主機程序易于編寫，缺點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備無法實現。

2.3 多個PLC主機和工控機連接、工控機統一管理通訊的方法

對于自動化、智能化要求較高的設備聯動，可以采用多個PLC主機和工控機連接，工控機統一管理的通訊方法。這種控制方式的優點是在不影響PLC控制的前提下，可以對加入聯動的設備有較高的管控度，比如可以實時監控一切想要監控的數據，對數據進行大量的分析運算，形成報表、各種分析圖像，并保存歸檔；同時還可以分級呈現到操作者、中層管理者，甚至可以通過Internet網絡遠程呈現給高層管理者，各級操作者也都可以在自己的權限下對設備進行操控。這種通訊聯動的方法也是目前工業領域中德國提出的“工業4.0”，美國提出的“工業互聯網” ，以及中國提出的“中國制造2025規劃”的基礎。

我司開發的B型元器件自動線就是采用8臺三菱PLC和1臺工控機連接、工控機統一管理的通訊方法進行開發設計的，連線圖如圖3。

圖3

在工控機的RS232串口后面連接一個RS232轉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上的擴展口上安裝一塊RS485的擴展卡，將各個通訊端口串連起來即可，如圖4所示。

工控機在工業控制領域占著非常重要的位置，在大型化工廠及各種重工業領域應用較為廣泛。隨著工廠對設備自動化、智能化需求的提高，工控機慢慢普及到各種小型工廠，因此熟練掌握工控機的應用，是每個工控人必備的技能。設備聯動這一塊的技術對于工控機的要求，主要是要熟悉各種PCI擴展板和組態軟件的使用。我司開發的B型元器件自動線應用的是目前國內較為流行的組態王軟件，這種軟件的特點功能強大，操作簡潔。

圖4

3 電子器件生產聯動設備的電控技術

3.1 聯動設備一次線路的設計

不論是新設計開發的聯動設備還是將現有設備進行聯動,都要設計一些電氣線路,機臺內部的線路可以按照相關標準設計,這里主要介紹聯動設備的總進線的設計及控制問題。一般小型聯動設備的電源可以集中成一條總進線，然后由接觸器分到各設備進行控制，我司開發的A型元器件自動線就是這種控制方式。這種方式的優點是線路設計簡單，控制程序比較容易編寫。對于功率比較大或者聯動較長的設備，由于功率大或者走線太長，不適合用這種方式。采用這種線路設計的設備一般可以采用2.1節和2.2節介紹的設備聯網方法進行連線。對這種總進線的控制一般采用硬件控制和軟件控制的雙控方法控制。

對于大型聯動設備，一般聯動中的設備要么功率比較大，要么整條線比較長。對于這種設備的電源控制，最好采用分開獨立控制。設備間采用2.3介紹的聯網方式進行通信，因此這種設備的電源控制在緊急情況下既可以單獨關斷，也可以使用上位機關斷，能夠很好的保證整個聯動設備的安全性。

3.2 聯動設備的程序設計

3.2.1 單PLC主機加擴展模塊聯動設備的程序設計

這種聯動設備的程序編寫主要是在原有程序上進行修改,不涉及到通訊等問題，也不涉及到工藝參數管理。它的主要難點是有時要改變原有機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。進行程序設計時，先要對原程序的動作時序和結構框架有一個清晰的認識，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的設計筆記。這樣有益于下次的更改、少做重復的試錯，能夠花較少時間想起以前的設計思路，找出其中的問題。

3.2.2 多個PLC主機相互通訊聯動設備的程序設計

圖5

對于多個PLC主機的程序設計，不但要考慮每個主機的程序編寫，還要考慮到它們之間相互通信和參數管理方面的問題。每個PLC主機控制的設備，其控制程序相對比較獨立，多個設備聯動時，動作需要相互協調配合的地方主要在設備的入口處和出口處。工藝參數相互交互的地方一般在此處也較為常見。設備入口和出口處的程序最好做成標準接口。標準接口使得程序結構清晰，有利于程序的再利用和調試找錯。以我司B型元器件自動線中烘箱間的出入口程序為例。如圖5所示，每個烘箱的出口和入口都有一個標準的接口，每個接口都有5個信號和一個工藝參數信息。當烘箱出口處需要出盤時發出出盤請求信號，接收到出盤允許信號時執行出盤動作，動作完成時，將參數信息發送到中轉站，并發出出盤完成信號，當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，當接收到進盤請求信號時，判斷條件是否成熟，當條件成熟時發出允許進盤信號，接收到進盤完成信號時，判斷進盤是否正常，如果異常發出異常信號，如果正常發出正常信號并讀取工藝參數。

多個PLC主機相互通信，一般通信量有限，而且通信量越大占用的掃描時間就越長，因此如果能在主機中完成的控制任務就不要選擇用從機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。對于工藝參數的管理，可以分段存儲在不同的PLC主機中，利用多個觸摸屏分別和PLC通信，或者單個觸摸屏運用RS485通信協議和多個PLC通信的方式進行工藝參數管理。

3.2.3 多個PLC主機和工控機連接、工控機統一管理通訊的程序設計

這種控制方式的程序設計同樣要考慮每個主機的程序編寫，以及它們之間相互通信和參數管理方面的問題。其程序設計和3.2.2節基本相同。和3.2.2節不同的是PLC主機通信的對象由PLC變成工控機，進行工藝參數管理的也是工控機。工控機在這個控制中起到管理者和協調者的角色，因此工控機的程序設計是比較重要的一個環節。

工控機的程序設計一般都是對各種組態軟件的二次開發，現在市面上用得比較多的組態軟件有：InTouch 、WinCC 、Movicon、組態王KingView等。工控機可以做動作控制，但它并不擅長做動作控制，這主要是因為它的穩定性、反應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。工控機的最大優勢在于它的數據采集和處理能力，以及其強大的網絡通信能力。現在的自動化、智能化設備越來越注重產品的數據采集與儲存、分析處理，以及網絡實時共享能力。對工控機的程序設計也主要從這幾個方面著手。

數據采集與儲存就是工控機通過網絡和各個PLC主機通信，建立變量后將需要的變量實時的采集到工控機儲存，或者通過數據采集卡直接對數據進行采集并且儲存。采集數據最重要的一點就是采集的頻率問題，如果通過通信的方式采集數據，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據進行采集。

數據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，通過一定的編輯設置還可以形成報警信息并反饋回PLC，讓PLC做出相應的處理。比較復雜的數據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，它們和組態軟件可以相互通信，通過第三方軟件的開發和組態軟件的二次開發，完成各種各樣的強大功能。

網絡實時共享是指各個設備的PLC通過和組態軟件連接后，底層執行機構、各個PLC主機、觸摸屏，各個工控機都能實時將數據共享，甚至很多組態軟件（如組態王）通過二次開發可以直接連接Internet，做到遠程控制和管理。

4 結語

我司自主開發的A型元器件自動線和B型元器件自動線，我主要負責電控線路的設計和程序軟件開發。這兩條自動線通過自動化手段將各個工序零散的設備連接起來，減少了產品生產周期，提高了生產效率，產品質量的一致性也得到了提高。設備的電控技術是一門多學科綜合性很強的技術，涉及到自動化、計算機、傳感器、通信、機械等多種知識，這種技術只有在長期的學習和實踐中才能慢慢積累和提高。