基于FH控制器與PLC LINK通信技術的應用

李國林，喬文遠

(中國電子科技集團公司第四十五研究，北京100176)

隨著中國智能制造裝備的產業升級，特別是國內半導體行業的快速發展，對中高端制造裝備的性能與智能化提出了更高的要求。而圖像定位裝置是現在大部分半導體設備必不可少的組成部分，且隨著設備性能要求的提升，也對相機數量及分辨率提出了更高的要求，為配合設備的運行速度，必須對高分辨率圖像進行高速處理。

歐姆龍公司推出的FH系列圖像控制器，在圖像輸入時間上做了大幅改善，機器組裝更簡單，可進一步縮短節拍讓機器更高速，無需放慢機器節拍即可處理高分辨率圖像超高速圖像輸入，利用新技術將使用頻率高的搜索算法的處理速度提升至原先的數倍。此外，即使存在干擾光、重疊、反光、缺失等拍照條件下也能不降低速度地進行穩定搜索對象物，穩定性大幅提升。使用FH控制器憑借圖像傳輸總線的“高速化”和“多線化”，可實現實時傳輸高分辨率相機或多臺相機的大容量圖像。FH系列控制器連接電腦或可編程控制器等外部設備時，利用測量命令的輸入或測量結果的輸出可實現對應的機械控制[1]。目前可利用FH控制器在不延長處理時間的前提下實現以往由于優先速度而舍棄的高精度測量。

本文主要介紹了FH控制器的系統構成、與外部裝置的通信原理、控制方法、響應方式，以及通過PLC LINK與外部裝置的通信方式，并設計了基于FH控制器的圖像系統，應用到MLCC疊層機設備中。

1 FH控制器的系統介紹

介紹了FH系列圖像控制器的工作原理、控制器和外部裝置的通信規格[2]。FH控制器是通過對相機所拍攝的對象物進行測量處理的圖像傳感器，可與PLC或電腦等外部裝置連接，從外部裝置輸入測量命令，或向外部輸出測量結果。其系統構成結構如圖1所示。

圖1 控制系統構成結構示意圖

外部裝置（PLC等）與FH控制器之間的通信線纜主要采用以太網電纜、RS-232C電纜以及并行I/O電纜，而通信協議方式主要包括EtherCAT、EtherNET/IP、PLC通信、并行通信以及無協議通信。外部裝置和FH控制器之間進行的數據交換，主要包含外部裝置向控制器輸入的命令和控制器向外部裝置輸出的數據。

1.1 FH控制器與外部裝置的通信原理

在FH控制器和外部裝置之間通信時，不限定連接對象，可按多種通信方式，通過通信命令開始測量，并輸出數據的原理[2]。其通信原理如圖2所示。

圖2 FH控制器與外部裝置通信原理示意圖

(1)FH控制器在收到PLC等外部裝置的命令后，將執行收到的命令，并向PLC等外部裝置返回響應信號。(2)測量后的數據將通過測量流程中配置的輸出單元（“結果輸出單元”的簡稱）和通信模塊輸出。(3)輸出測量數據的時間不是結束測量時，而是執行輸出單元的時候。

如果需要輸出數據，需要事先在測量流程中配置輸出單元，可在測量流程中配置多個輸出單元[3]。在輸出控制中使用同步交換功能時，測量數據不會直接輸出到外部，而是在通信模塊中處于輸出等待狀態，直至收到來自外部的數據輸出請求。

1.2 外部裝置控制FH控制器的方式

用PLC等外部裝置控制FH控制器的方式包括3種：

（1）利用控制信號、狀態信號進行控制。利用控制信號、狀態信號的ON/OFF，可控制FH控制器或確認其狀態，適用于確認測量觸發等基本動作、FH控制器的運行狀態。將測量觸發信號等作為PLC發出的控制信號輸入，傳感器的運行狀態、判定結果可根據FH控制器傳來的狀態信號確認。如圖3所示，①外部裝置將打開STEP信號，輸入測量觸發；②FH控制器確認有STEP信號ON輸入后，將向外部裝置輸出BUSY信號，然后執行測量；③FH控制器在結束測量后，會利用OR信號，輸出判定結果。而控制信號、狀態信號的種類包括輸入信號（PLC→FH控制器）和輸出信號（FH控制器→PLC）。

圖3 外部裝置PLC控制FH控制器的方式示意圖

（2）利用命令/響應方式進行控制。將控制命令及其響應保存到PLC的I/O存儲器中以進行控制。將PLC向FH控制器發出的控制命令，以及FH控制器向PLC返回的響應保存到PLC的I/O存儲器中，交換命令/響應的控制信號。因此，無需由PLC發出通信命令等進行序列控制，即可對FH控制器執行單次測量、場景切換等各種控制。命令/響應方式中使用的存儲區域主要包括用戶寫入對FH控制器執行控制命令的“指令區域”和用戶讀取指令區域中寫入控制命令執行結果的“應答區域”。

如圖4所示，PLC與FH控制器的通信流程：①PLC（用戶）在事先指定的PLC的任意I/O存儲區域（指令區域）中寫入控制命令；②PLC（用戶）將命令執行（EXE）位從OFF變為ON，向控制器發送控制命令；③控制器執行接收到的控制命令；④控制器在執行控制命令后，向PLC返回響應信號；⑤PLC（用戶）將響應信號保存到事先指定的任意I/O存儲區域（應答區域）中。其中控制命令因各通信協議的不同而異。

圖4 外部裝置PLC控制FH控制器的方式示意圖

（3）測量后的數據輸出方式。執行測量后，事先指定為輸出對象的測量數據將自動輸出到PLC指定的I/O存儲器中。因此，無需PLC發出數據請求，即可將測量結果輸出到PLC。

執行單次測量或連續測量后，將從FH控制器向PLC自動輸出“事先指定為輸出對象的測量中產生的數據”。因此，可以方便地將各處理項目的測量結果數據傳輸到PLC中。此外，僅在PLC端的可接收條件成立時，有同步交換時可以輸出數據。根據外部裝置與FH控制器之間的通信協議種類不同，數據的輸出位置如圖5所示。測量后的數據輸出方式中使用的存儲區域是執行測量后，FH控制器將測量產生的輸出數據寫入的區域，也就是數據輸出區域。

圖5 外部裝置PLC控制FH控制器的方式示意圖

PLC與控制器的通信流程，事先指定執行測量后要輸出的數據，以及PLC上保存數據的I/O存儲區域（數據輸出區域）。①執行測量；②執行測量后，事先指定的測量數據將保存到PLC的數據輸出區域中。

2 FH控制器與PLC LINK通信

PLC LINK通信協議指將保存控制信號、命令/響應、測量數據的區域分配到PLC的I/O存儲器中，通過周期性地共享數據，實現PLC和圖像傳感器之間的數據交換[2]。PLC LINK功能是一種使用指令區域、應答區域、數據輸出區域3個連接區域進行通信的功能。FH控制器和外部裝置PLC等之間進行通信原理示意圖如圖6所示。

圖6 FH控制器與外部裝置的通信原理示意圖

通信處理流程：利用PLC LINK，通過以太網或RS-232C/422，在FH控制器和外部裝置之間進行通信。在PLC LINK中，可使用命令/響應由PLC進行控制，或在測量后輸出數據，這兩種操作可同時執行，需要在PLC上設定如表1所示的通信區域，進行與FH控制器之間的通信。

表1 在PLC上設定的通信區域

用戶在FH控制器的通信規格設定中，設定“區域類別”和“地址”后，可將上述設定的3個通信區域分配到PLC的I/O存儲器中。

（1）有同步交換利用輸出控制，在PLC（主站）要求輸出數據（DSA信號的ON輸出）前，可以不從通信緩存中向外部輸出數據。

（2）進行字符讀取的處理項目包括字符檢測、條形碼、二維碼、OCR等。

（3）關于輸出測量數據的輸出單元。

3 FH控制器與PLC LINK通信的實際應用

MLCC（Multi-layer Ceramic Capacitors）稱片式多層陶瓷電容器是電子信息產業最為核心的元器件之一，除了具有一般瓷介電容器的優點外，還具有體積小、容量大、機械強度高、耐濕性好、內感小，高頻特性好可靠性高等一系列優點。隨著MLCC可靠性和集成度的提高，其使用的范圍越來越廣，現已廣泛地應用于各種電子整機和電子設備，如電腦、手機、移動通訊、5G、程控交換機、精密的測試儀器，目前已經成為應用最普遍的陶瓷電容產品。

MLCC疊層機設備是MLCC生產制造工藝過程中極為重要的設備之一，到目前國內MLCC生產廠家的疊層設備主要依賴進口。而圖像識別定位技術是制造MLCC疊層機的關鍵核心技術。現代工業設備對于圖像控制系統的響應時間、響應速度、穩定性等性能指標要求越來越高，而歐姆龍FH圖像控制器完全可以滿足疊層機這種MLCC制造設備的生產要求。

本文所設計的基于歐姆龍FH控制器的圖像控制系統主要由FH控制器、相機、PLC和被控對象（伺服電機）以及光電開關等組成，系統框圖如圖7所示。主要包括FH控制器圖像識別過程和PLC控制XYθ軸電機實現對準的過程。其中圖像識別過程是指FH控制器通過相機識別基片Mark點坐標的過程，并將圖像識別后的偏差傳給PLC，PLC再通過設定好的當量換算，計算出XYθ軸的位移量，從而控制電機運動實現圖像對準的過程。圖像控制系統的機械結構如圖8所示，相機的安裝必須垂直于基片工作臺，工作臺具有X、Y、θ方向的運動軸，每個軸都安裝伺服電機及導軌絲杠連接機構。且工作臺X軸與Y軸的導軌裝置安裝時應垂直，這樣才能保證在圖像對準的過程中，X方向與Y方向相互移動時不受干擾。

圖7 基于FH控制器圖像控制系統框圖

圖8 FH圖像控制系統的機械結構簡圖

根據系統設計的實際需求，實現FH控制器與PLC之間的順利通信，在三菱PLC存儲器分配指令區域、應答區域、數據輸出區域相應的區域內存地址，如表2、表3、表4所示，且在D104區域設置場景號（0—自動、1—校準）。

表2 指令區域（三菱PLC→FH控制器）

表3 應答區域（FH控制器→三菱PLC）

表4 數據輸出區域（FH控制器→三菱PLC）

圖像控制系統框圖如圖7所示，FH控制器外接顯示器實現圖像功能參數配置，并通過以太網通信實現與PLC之間的數據交換。三菱PLC通過CC-Link總線協議方式實現與伺服驅動器之間的通信，從而實現對伺服驅動器及電機的輸出控制，實現基片Mark點的對準過程，并通過以太網模塊與觸摸屏連接通信，通過人機界面實現對控制系統的操作[4]。其中，各運動軸自身都通過編碼器的反饋形成了一個獨立的閉環控制系統。此圖像控制系統已應用在MLCC疊層機設備的介質膜基片圖像自動對準過程中，取得了非常好的應用效果。

4 結 論

本文主要介紹了FH控制器的系統構成、與外部裝置的通信原理、控制方式，以及通過PLC LINK與外部裝置的通信方式，并結合實際應用設計了基于FH控制器的圖像控制系統，且將此圖像系統應用在MLCC疊層機設備中，取得了較好的實際控制效果。隨著MLCC的應用范圍越來越廣，FH圖像控制系統也隨其相關設備得到了應用和發展。本文對基于FH圖像控制器圖像處理技術的應用有著重要的意義，此圖像控制器具有廣泛的實際應用前景。