電動(dòng)執(zhí)行器控制電路板故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

劉立三

（重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司執(zhí)行器分公司，重慶 401121）

作為工業(yè)過程控制系統(tǒng)中的重要驅(qū)動(dòng)裝置，電動(dòng)執(zhí)行器廣泛應(yīng)用于石油、化工、火電、冶金及水處理等領(lǐng)域重要閥門的自動(dòng)化控制[1-3]。控制電路板是電動(dòng)執(zhí)行器的核心部件之一，其質(zhì)量直接決定了執(zhí)行器整機(jī)的性能，而檢驗(yàn)測(cè)試工藝又保障電路板質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的電路板檢驗(yàn)測(cè)試大多采用人工測(cè)試，效率低而且容易產(chǎn)生誤檢與漏檢，造成執(zhí)行器的質(zhì)量受到嚴(yán)重影響[4-6]。因此，研究如何通過智能化系統(tǒng)來提升電路板檢驗(yàn)測(cè)試工藝，是提升執(zhí)行器產(chǎn)品質(zhì)量的重點(diǎn)，也是智能制造產(chǎn)線設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。本文通過對(duì)現(xiàn)有控制電路板測(cè)試工藝進(jìn)行分析，采用PLC 為主控單元設(shè)計(jì)其診斷測(cè)試系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的人工測(cè)試判斷模式轉(zhuǎn)換為自動(dòng)判斷、數(shù)據(jù)可視化、可記錄存儲(chǔ)及溯源查詢，同時(shí)探索與生產(chǎn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)連接的接口。

1 故障診斷設(shè)備原理

主控電路板故障診斷設(shè)備是利用現(xiàn)代電子技術(shù)取代傳統(tǒng)的人工測(cè)試，將管理信息系與工藝測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行有效整合，能夠最大限度提升測(cè)試效率和減小人為誤差。主控電路板故障診斷設(shè)備3D 結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，主要包括機(jī)械外殼及外設(shè)模塊、診斷工位模塊、電氣及診斷系統(tǒng)模塊這三個(gè)模塊。其工作原理是：檢測(cè)人員首先將待測(cè)控制電路板碼錄入系統(tǒng)，后將其置于測(cè)試診斷工位夾具自動(dòng)送入測(cè)試工位，測(cè)試工位檢測(cè)到位信號(hào)后，檢測(cè)探針板下移至測(cè)試工位與待測(cè)控制電路板測(cè)點(diǎn)連接，診斷系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)、結(jié)果與電路板碼對(duì)應(yīng)統(tǒng)計(jì)、顯示、存儲(chǔ)、報(bào)警等，如圖1。

圖1 故障診斷設(shè)備結(jié)構(gòu)示意3D 圖

2 故障診斷系統(tǒng)組成模塊

故障診斷系統(tǒng)主要由硬件和軟件組成，包括動(dòng)作執(zhí)行控制模塊、診斷測(cè)試控制模塊、人機(jī)界面模塊和數(shù)據(jù)及接口四個(gè)部分，系統(tǒng)原理圖如圖2 所示。故障診斷系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的自動(dòng)化控制，通過硬件與軟件的結(jié)合達(dá)到提高電路板診斷測(cè)試效率，進(jìn)而為產(chǎn)品質(zhì)量提供保障。動(dòng)作執(zhí)行模塊主要是對(duì)推桿電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)工序上推桿的上與下的動(dòng)作，使得安裝在推桿上的探針模塊板與待測(cè)電路板的緊密貼合，以免發(fā)生漏檢誤檢。同時(shí)，利用設(shè)置在固定限位點(diǎn)的限位開關(guān)量來防止發(fā)生過壓，避免探針損壞或者接觸不到位的情況發(fā)生。通過診斷測(cè)試模塊中參數(shù)化的預(yù)設(shè)定，使得探針按照工藝檢測(cè)順序獲得相應(yīng)的物理量，使得待測(cè)電路板有序檢測(cè)。人機(jī)主界面設(shè)置的主要依據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際來設(shè)定相應(yīng)的內(nèi)容，按照不同的測(cè)試電路板與數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。

圖2 故障診系統(tǒng)原理圖

2.1 動(dòng)作執(zhí)行控制模塊

動(dòng)作執(zhí)行控制模塊是一個(gè)對(duì)稱的雙工位系統(tǒng)，通過PLC 輸出端口對(duì)步進(jìn)電機(jī)A/B 啟動(dòng)、正轉(zhuǎn)控制，分別使診斷工位AB上的待測(cè)電路板送入預(yù)定檢測(cè)工位，探測(cè)治具在推桿電機(jī)的作用下分別向下運(yùn)行至預(yù)定檢測(cè)工位實(shí)現(xiàn)與待測(cè)電路板緊密接觸。動(dòng)作執(zhí)行模塊實(shí)物如圖3 所示，診斷測(cè)試結(jié)束后，PLC 輸出端口對(duì)推桿電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)控制，探測(cè)治具向上返回至初始位置后，待測(cè)電路板送出后完成單一電路板診斷測(cè)試。因此，適宜的PLC 是關(guān)鍵，依據(jù)系統(tǒng)對(duì)I/O 數(shù)量、電源模塊、通訊模塊及容量的實(shí)際需求，選擇西門子S7 系列1200-6ES7214 型[7，8]。該P(yáng)LC 是一款高性能緊湊型系統(tǒng)，具有2 個(gè)集成模擬輸入、14 個(gè)集成數(shù)字輸入和10 個(gè)集成數(shù)字晶體管輸出，可滿足診斷系統(tǒng)要求。

圖3 動(dòng)作執(zhí)行控制模塊實(shí)物圖

2.2 診斷測(cè)試控制模塊

診斷測(cè)試控制模塊與2.1 動(dòng)作執(zhí)行控制模塊中的探測(cè)治具形成硬件與軟件的結(jié)合，是一種對(duì)測(cè)試工藝的高都集成，通過將傳統(tǒng)的單人單工位的定點(diǎn)測(cè)試與動(dòng)作控制電機(jī)有機(jī)結(jié)合，達(dá)到將工藝工序的集成融合，實(shí)現(xiàn)工藝的優(yōu)化與生產(chǎn)效率的提升。依據(jù)不同的待測(cè)電路板，將以往的檢測(cè)工藝通過程序控制實(shí)現(xiàn)，將工藝順序固化到控制器，依據(jù)電路板條碼對(duì)應(yīng)相應(yīng)的檢測(cè)工藝流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同測(cè)試點(diǎn)的順序測(cè)試工作。然而，與該過程緊密配合的則是動(dòng)作執(zhí)行模塊需要將測(cè)試模板與待測(cè)板的緊密貼合，只有先實(shí)現(xiàn)該步驟并完成探測(cè)治具與待測(cè)電路板緊密貼合后，在PLC 軟件系統(tǒng)的控制下完順序完成對(duì)電路板測(cè)點(diǎn)的通斷、電壓、電流等依據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合格判斷，并將測(cè)試數(shù)據(jù)匯總存儲(chǔ)、顯示。

2.3 人機(jī)界面模塊

人機(jī)界面主要反映2.2 診斷測(cè)試的內(nèi)容數(shù)字顯示，并提示測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)，使得測(cè)點(diǎn)特性具有高度的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和可辨別性，從而整體保障電路板的出廠特性，提升產(chǎn)品的品質(zhì)和保障電器設(shè)備的整體運(yùn)行質(zhì)量。通過與計(jì)算機(jī)進(jìn)行及時(shí)有效的交流，將測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)與電路板碼對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)，達(dá)到在電路板的生命周期內(nèi)對(duì)其精準(zhǔn)追溯的目的，從而為后續(xù)客戶系統(tǒng)運(yùn)維提供有效的幫助，提升客戶對(duì)電器設(shè)備服務(wù)的滿意度。人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)以達(dá)到實(shí)時(shí)顯示下位機(jī)(PLC)信號(hào)，需存檔歷史值并輸出趨勢(shì)圖，通過設(shè)計(jì)授權(quán)專用數(shù)據(jù)庫(kù)與ERP 系統(tǒng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制，分層進(jìn)入數(shù)據(jù)操作系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)輸出給打印機(jī)打印，人機(jī)界面如圖4 所示。

圖4 人機(jī)界面模塊圖

3 故障診斷系統(tǒng)測(cè)試

3.1 系統(tǒng)控制流程

故障診斷系統(tǒng)PLC 程序框圖如圖5 所示，首先將待測(cè)電路板編碼掃描進(jìn)入系統(tǒng)，PLC 讀取測(cè)試按鈕信號(hào)為高電平時(shí)，位于檢測(cè)工位的步進(jìn)到位信號(hào)判斷到位。此時(shí)，推桿1 將向下運(yùn)行至預(yù)定位置到位信號(hào)高電平時(shí)，腿桿將檢測(cè)治具下探至設(shè)定位置，待到位信號(hào)高電平時(shí)運(yùn)行檢測(cè)程序，順序判斷當(dāng)前電路板待測(cè)點(diǎn)的通斷、電壓值等，完成電路板的快速測(cè)試與數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)。

圖5 診斷測(cè)試流程控制圖

3.2 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

利用電路板故障診斷系統(tǒng)工藝在線檢測(cè)，對(duì)比傳統(tǒng)手工測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1

從表1 中的對(duì)比項(xiàng)可以了解到，相對(duì)比傳統(tǒng)人工診斷測(cè)試，PCBA 診斷測(cè)試系統(tǒng)在各個(gè)方面都具有較大的優(yōu)勢(shì)。首先是實(shí)現(xiàn)了電路板的制自動(dòng)診斷測(cè)試，將單個(gè)測(cè)板的測(cè)試時(shí)間由人工的180s 提升到自動(dòng)化測(cè)試的60s的時(shí)間，而且提升了測(cè)試點(diǎn)數(shù)量，即在工藝生產(chǎn)線上節(jié)約了測(cè)試工位，提升了生產(chǎn)效率。同時(shí)，利用PCBA 診斷測(cè)試系統(tǒng)，可以輕易的將其融入自動(dòng)化產(chǎn)線與ERP 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的自動(dòng)匯總與決策。

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)手工測(cè)試主控電路板工序復(fù)雜且易發(fā)生人為誤判導(dǎo)致的誤檢與漏檢問題，以西門子PLC 為主控制單元設(shè)計(jì)了一種模擬電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主控電路板測(cè)試工藝與關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)參數(shù)的通電特性的智能故障診斷系統(tǒng)，具有自動(dòng)檢測(cè)、報(bào)表生成、數(shù)據(jù)自動(dòng)歸檔和遠(yuǎn)傳功能。相比較于人工測(cè)試，該系統(tǒng)具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：（1）經(jīng)產(chǎn)線調(diào)試和運(yùn)行測(cè)試，該系統(tǒng)完全滿足主控電路板自動(dòng)診斷測(cè)試；（2）電路板檢測(cè)效率提升1.3 倍；（3）本文設(shè)計(jì)思路對(duì)于其他電路板檢測(cè)具有較好的借鑒作用。