PCBA模塊測試分揀控制系統

朱肖謠　范秋華　黃凡　史程程　張凌志

摘 要：保證印刷電路板組件（printed circuit board assembly， PCBA）的功能性完備，在裝殼前需對其進行功能測試，而當前生產線主要由人工測試分揀，效率低下，為此，設計了一種能夠自動掃碼、測試、分揀的自動控制系統。選用西門子S7-1200 PLC作為控制器，WinCC組態軟件作為上位監控系統，PLC與WinCC之間采用OPC的方式實現通信，采用VBS編程調用MSComm控件實現WinCC與測試工裝和掃碼槍之間的串口通信。測試結果表明，系統運行穩定，具有很好的實用性、可靠性。系統的使用能減少人力的投入，降低操作人員的勞動強度，提高生產效率，可在PCBA模塊生產線中廣泛使用。

關鍵詞：自動化技術應用;印刷電路板組件;功能測試;PLC;WinCC;控制系統

中圖分類號：TP273?? 文獻標志碼：A

Abstract：Printed circuit board assembly （PCBA） needs to be tested before it is loaded. At present， it is mainly manual testing and sorting in the production line， which is inefficient. So an automatic control system which can scan， test and sort automatically is designed. Siemens S7-1200 PLC is used as the controller， and WinCC configuration software is used as the upper monitoring system. The communication between PLC and WinCC is realized by OPC. The serial communication between WinCC and test fixture and scanner is realized by calling MSComm control with VBS programming. The test result shows that the control system runs stably， and has good practicability， reliability and effectiveness. The application of the system can reduce human input and the labor intensity of operators， and improve production efficiency， namely the system can be generally applied to the production line of PCBA module.

Keywords：automatics application; printed circuit board assembly（PCBA）; function test; PLC; WinCC; control system

智能電表從內部組成上可分為外殼、分流器、互感器、繼電器和實裝印刷電路板（printed circuit board assembly，? PCBA）[1]模塊。PCBA模塊是印刷電路板經過插件、貼片焊接制成的，在將其安裝入電表中一般要對其進行功能性測試（function circuit test， FCT）[2]，即通過模擬運行環境，給與相應的輸入激勵，測試模塊的輸出參數是否符合設計要求。梁向飛[3]研究的一種用于測試PCBA的功能測試裝置以及李鵬等[4]研究的模塊化的開放性PCBA功能測試平臺，都只實現了半自動，雖不需要手動按壓以使模塊針腳與測試載具針腳充分接觸，但取板和分揀依然需要人工手動操作。

針對這一問題，選用西門子S7-1200 PLC作為控制器，WinCC組態軟件作為上位監控系統，實現對模塊的自動取板、掃碼、測試、分揀，并將二維碼和測試結果進行歸檔，方便后續維修人員通過掃碼讀取壞板的故障點，實現對測試過程的實時監控，提高企業設備信息化和自動化水平[5]。

1 控制系統總體方案

1.1 測試系統組成

測試系統主要由前端待測模塊抓取機械手、掃碼槍、測試工裝、按壓板、測試載具、分揀機械手6部分組成。抓取、分揀機械手均由20個小爪組成，抓取機械手要求所有小爪同步動作;分揀機械手要求每個小爪能夠單獨動作，實現模塊的分揀工作。機械手張開、閉合、上下和測試機構按壓板的上下動作由均氣缸來完成，而平行移動對位置精度的要求較高，采用伺服電機和絲桿模組實現。測試分揀系統整體結構如圖1所示。

1.2 系統工藝

控制系統工作流程分為待測模塊抓取、二維碼讀取、模塊功能測試、模塊分揀4個流程。控制系統工藝流程如圖2所示。

1）模塊抓取 待測模塊到位后，測試機抓取機械手抓取待測模塊，首先判斷測試單元是否正在測試，是則原地等待測試結束，否則直接傳送至掃碼單元進行二維碼讀取。

2）二維碼讀取 模塊到達掃碼位置時，上位機通過串口發送指令至掃碼槍，執行掃碼動作，并通過串口讀取上行數據，掃碼完成后機械手將模塊放入測試單元載具，抓取機械手返回初始位置。

3）模塊功能測試 當抓取機械手移出，測試單元載具上方的按壓板下降，將模塊下壓，使其針腳與測試工裝探針充分接觸，同時上位機發送測試指令，測試工裝開始功能測試，測試完成后上傳數據，按壓板上升。

4）模塊分揀 按壓板上升到位，分揀機械手進入并抓取測試載具中的模塊，然后根據測試結果將模塊進行分揀，放入不同的工位，最后返回初始位置。

2 控制系統總體設計

2.1 系統硬件設計

系統DI量共計58點，用于夾爪狀態、夾爪位置、啟停信號、動作限位、報警信號等;DO共計24點，用于執行夾爪的上下、張閉、按壓板的上下、輸出報警等。PLC選取西門子S7-1200 1214C DC/DC/DC CPU，1個PM1207電源模塊 ，1個SM 1222 DQ 16×24 V DC輸出模塊，3個SM 1221 DI 16×24 V DC輸入模塊。

上位機PC選用研華PPC-3120工控一體機，采用WinCC組態軟件開發上位監控界面。PLC作為控制系統的核心[6-7]，磁性檢測開關、限位開關等器件將信號輸入到PLC，PLC對接受的信號進行處理，然后輸出至輸出端口：控制電磁閥調整氣流的方向從而控制氣缸的動作，實現機械手的閉合、張開、上升、下降和按壓板的上升下降;控制繼電器的接通和閉合，實現信號的傳遞，從而實現設備的運行。WinCC作為數據處理核心，發送掃碼和測試指令，以及對掃碼槍和測試工裝上行數據的讀取、解析、歸檔?？刂葡到y框圖如圖3所示。

2.2 系統通信實現

2.2.1 PLC與WinCC通信

由于WinCC沒有提供S7-1200系列PLC常用的通信協議，需要借助SIMATIC.NET軟件中的OPC模塊和S7-1200通信。OPC是由一系列用于過程控制盒制造自動化應用領域的標準接口、屬性以及方法組成[8-9]，OPC技術在應用上主要包括OPC服務器和OPC客戶端兩部分，該系統將WinCC作為客戶端，S7-1200作為服務器。首先通過SIMATIC.NET完成PC Station組態，然后將組態下載至PC站中，隨后在OPC SCOUT中建立標簽與PLC中的存儲地址相對應[10]，并添加至WinCC變量表中，即可在WinCC中實現對該變量的監控。圖4為PC Station建立步驟。

2.2.2 WinCC與掃碼槍和測試工裝通信

測試數據的采集由單片機完成，若將采集的數據進行解析再上傳至PC端，將影響測試工裝的效率，而計算機具有強大的數據處理能力，因此為提高測試工裝的測試效率，上位機采用RS 232串行通信接口[11]和掃碼槍、測試工裝進行通信。使用WinCC內置VB腳本編程調用MSComm控件實現串口通信，將采集的數據上傳至PC端由上位機對數據進行解析。

串口通信包括以下3步。1）串口初始化。根據掃碼槍和測試裝置的串口號、波特率、校驗位、數據長度、數據類型等基本通信參數[12]，對上位機串口通信參數進行設置。2）寫數據。采用變量改變觸發VBS腳本程序的方式，當模塊到達掃碼位置或者已放入測試載具，將控制指令通過串行端口發送至下位機，下位機做出掃碼或測試的動作。3）讀數據。以測試工裝上行數據為例，數據長度為45，通過在串口初始化程序中設置屬性RTreshold=45，當有數據上傳并達到45個字符時產生一個OnComm事件，觸發讀串口程序執行實現緩沖區數據的讀取。串口通信讀寫數據流程圖如圖5所示。

3 控制系統軟件設計

3.1 PLC軟件設計

系統的功能實現主要是由PLC的控制程序來完成[13-14]，根據控制的要求PLC控制程序包括手動和自動兩部分：手動模式功能主要包括機械手的抓、松、上升、下降和基本運動實現，在設備的調試、維修、故障排除時使用;自動模式功能在設備正常生產運行時使用。自動運行模式程序流程圖見圖6。

3.2 上位監控軟件設計

系統利用WinCC組態軟件[15]設計監控畫面，實現對PLC、掃碼槍和測試工裝的工作狀態的實時監控。上位系統功能框圖如圖7所示。監控點包括：機械手位置、夾爪的狀態、報警點的實時顯示，測試數據和二維碼的歷史數據的顯示，生產量、通過率等相關數據以及測試通過率的實時趨勢曲線。操作點包括：機械手的抓松、平移、上行等動作控制;掃碼槍和測試工裝的狀態測試控制。

設計的監控系統主界面如圖8所示。該界面顯示系統運行模式、掃碼測試工作狀態、運行實時信息及產量等基本信息。在界面的右下角有6個按鈕，可進入相應的操作界面。主界面實時信息窗口可看到測試周期為48 s左右，一次測試數量為20塊，掃碼時間為5 s，每次抓取、分揀板的時間為3～4 s;而傳統測試方式測試周期為38 s左右，測試數量為4塊，取板、掃碼、分揀時間遠大于測試時間，且會隨著工作人員疲勞度的增加而增加。經實際運行證明，該控制系統能夠減少4至6人的投入，且通過率完全符合企業的要求。

上行數據界面的作用顯示測試上行數據，如圖9所示。上位機接收數據根據幀協議：7E022D+模塊序號（2 byte）+芯片ID號（7 byte）+錯誤代碼（2 byte）+XX（2 byte）+7E對數據進行解析，得到測試結果，將解析后的數據進行歸檔，后期維修可直接通過掃碼來查詢該模塊的故障點。

4 設備故障處理

設備控制柜設計了緊急停止按鈕，當出現一些突發情況時，工作人員可按下緊急停止按鈕，使設備保持當前狀態停止運行，經查看報警記錄找到故障點，也可通過旋轉緊急按鈕解除急停狀態，將運行模式切換至手動模式，根據具體故障操縱機械手的抓松狀態、位置來排除故障，然后切換至自動模式，按下開始按鈕讓設備繼續運行。若模塊產生破損無法繼續運行，可清空設備內的所有模塊，初始化設備，使設備重新抓取下組模塊。

5 結 語

該控制系統選用S7-1200作為控制器，適合該小型工業控制系統，采用OPC和串口通信方式能夠有效保證系統的實時性和可靠性。采用RS232串口通信可將上行數據直接存儲至WinCC內部變量中，減少對WinCC外部變量點數的占用，減少軟件費用。經實際運行表明，控制系統運行穩定可靠，上位機操作簡單，工人上手容易，能夠實時顯示現場數據和報警信息。該系統將二維碼數據與測試結果合并歸檔，實現了產品的信息化管理。工作人員可根據歸檔文件查看故障模塊信息，對故障模塊做出相應的處理，也可根據報警點，及時對故障點進行檢查維修。手動操作按鈕設置相應保護，工作人員在特定位置只能執行特定的操作，如有危險操作將收到彈窗警告提示。

目前測試完成的模塊需要通過分揀直接放至各操作工位，最終仍需人工將其收集。未來可研究如何在分揀環節按照測試結果將模塊進行裝箱操作。

參考文獻/References：

[1] 倪晨鴻，宋春偉.智能電表PCBA模塊的功能性測試設備.電子測試，2016（21）：150-151.

NI Chenhong， SONG Chunwei. Functional circuit test equipment for PCBA module of smart electric meter. Electronic Testing， 2016（21）： 150-151.

[2] 劉衛強.用電信息采集載波模塊測試系統的研究及應用[D].保定：華北電力大學，2017.

LIU Weiqiang. Research and Application of Test System for Power Information Acquisition Carrier Module[D]. Baoding： North China Electric Power University， 2017.

[3] 梁向飛.一種用于測試PCBA的功能測試裝置.自動化應用，2017（5）：45-46.

[4] 李鵬， 王勝勇， 盧家斌，等. 模塊化的開放性PCBA功能測試平臺. 企業導報， 2013（4）：261-263.

[5] 張新聚， 李亞男. 摩托車單向器自動裝配機氣動系統設計. 河北工業科技， 2018， 35（3）：56-61.

ZANG Xinju， LI Yanan. Design of pneumatic system of automatic assemble machine for motorcycle one-way clutch.ebei ournal of? Industrial Science and Technology， 2018，35（3）： 56-61.

[6] 張順星，張玉潔.基于 PLC 的組合工件自動分揀系統研究與設計.新技術新工藝，2015（9）：16-18.

ZANG Shunxing， ZANG Yujie. The research and design of automatic sorting system for combination workpieces based on PLC . New Technology and Technology， 2015 （9）： 16-18.

[7] 付偉.PLC在材料自動分揀系統中的應用.制造業自動化，2012，34（3）：136-138.

FU Wei.Application of PLC in automatic sorting system.Manufacturing Automation， 2012，34（3）： 136-138.

[8] 聶乾坤.基于WinCC的監控系統設計[D].大連：大連海事大學，2016.

NIE Qiankun. Design of Monitoring System Based on WinCC [D]. Dalian： Dalian Maritime University， 2016.

[9] 張建平，馬芳，馬利.基于OPC技術的工業現場異構系統集成軟件的開發. 電子技術與軟件工程，2014（18）：76-77.

ZANG ianping， MA Fang， MA Li. Development of heterogeneous system integration software for industrial field based on OPC technology .Electronic Technology and Software Engineering， 2014（18）： 76-77.

[10]段潤群，謝云山.上位機軟件與S7-1200 PLC的OPC通信研究.自動化與儀器儀表，2014（5）：13-15.

DUAN Runqun， XIE Yunshan. OPC communications research PC software and the S7-1200 PLC. Automation and Instruments， 2014（5）： 13-15.

[11]邢庭煒. RS232串口通信在PC機與單片機通信中的應用. 信息系統工程， 2016（8）：110-111.

[12]洪草根，安剛，朱文亮.基于WinCC的多串口通信研究與實現.工業控制計算機， 2012，25（2）： 12-13.

ONG Caogen， AN Gang， ZU Wenliang. Research and implementation of multi-serial communication based on WinCC . Industrial Control Computer， 2012， 25 （2）： 12-13.

[13]任有志， 王璐， 劉輝. 基于PLC的大型熱油鍋爐自動化改造. 河北工業科技， 2015， 32（3）：264-267.

REN Youzhi， WANG Lu， LIU ui. Automation transformation of large hot oil boiler based on PLC . ournal of ebei Industrial Science and Technology， 2015， 32 （3）： 264-267.

[14]鄭海生. 西門子PLC編程及其工程應用. 科學技術創新， 2018（4）：42-43.

[15]彭志，劉祖潤，趙延明.PLC 控制的直流發電機組自動監控系統設計.現代電子技術，2011，34（24）：188-191.