楊柏松，譚耀松，陳山羊，黃桂鋒

（廣東石油化工學(xué)院 廣東 茂名 525000）

Profibus-DP在電路板自動(dòng)清洗線上的應(yīng)用

楊柏松，譚耀松，陳山羊，黃桂鋒

（廣東石油化工學(xué)院 廣東 茂名 525000）

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)電路板自動(dòng)清洗系統(tǒng)中存在成本高，效率低，運(yùn)行不穩(wěn)定等現(xiàn)象，提出一種基于現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus-DP的自動(dòng)清洗系統(tǒng)，并完成軟硬件設(shè)計(jì).通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線控制電機(jī)群運(yùn)行以及利用人機(jī)界面實(shí)時(shí)監(jiān)控和設(shè)置多臺(tái)變頻器的輸出參數(shù)的方式，可實(shí)現(xiàn)電路板的自動(dòng)在線清洗、工藝參數(shù)的設(shè)定和工藝過(guò)程的監(jiān)控等功能；本系統(tǒng)應(yīng)用在實(shí)際的電路板清洗生產(chǎn)線當(dāng)中，取得一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

Profibus-DP；自動(dòng)清洗系統(tǒng)；電機(jī)群；人機(jī)界面；變頻器

最近幾年，電子行業(yè)得到了快速的發(fā)展，而在工業(yè)中大批量電路板自動(dòng)清洗系統(tǒng)還不夠完善。目前，常用清洗電路板的方法有2種，1）人工刷法，不僅工作效率低，而且容易出現(xiàn)人為因素造成的失誤；2）超聲波清洗，它不適合大批量的電路板的清洗而且價(jià)格較貴。因此，建立批量電路板在線自動(dòng)清洗的工業(yè)系統(tǒng)顯得十分必要[1]。電路板的自動(dòng)清洗系統(tǒng)主要用傳送帶帶動(dòng)產(chǎn)品在清洗線內(nèi)運(yùn)動(dòng)，用高壓水溶液噴灑到產(chǎn)品上，從而達(dá)到自動(dòng)清洗的目的。整條生產(chǎn)線最主要的設(shè)備就是電機(jī)，而電機(jī)的功率大，能耗高，怎樣在滿足生產(chǎn)工藝要求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)可靠、高效、節(jié)能和經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)，成為設(shè)計(jì)生產(chǎn)線的一個(gè)重要的課題[2]。在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，大多數(shù)的PLC控制變頻器都是通過(guò)外部接線來(lái)完成的；況且清洗線上大量用到水、酸和堿等溶液，恰好與電構(gòu)成了天敵關(guān)系，對(duì)此，盡可能地減少線路的接線也是清洗線上的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題[3]。本文采用西門子S7-300 PLC、觸摸屏以及現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP對(duì)多臺(tái)MM4系列變頻器控制實(shí)現(xiàn)電路板大批量自動(dòng)清洗任務(wù)，達(dá)到了高效、節(jié)能、靈經(jīng)濟(jì)的目的，同時(shí)也最大限度地減少了PLC與變頻器的接線；提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。

1 自動(dòng)清洗系統(tǒng)的工藝介紹

本文針對(duì)電路板清洗的實(shí)際情況，研究了電路板全自動(dòng)清洗系統(tǒng)的工藝流程，在此基礎(chǔ)上，采用西門子公司提供的S7-300PLC以及觸摸屏對(duì)電路板進(jìn)行全自動(dòng)清洗控制。下位機(jī)軟件采用STEP7編寫，上位機(jī)軟件采用Wincc Flexible軟件實(shí)現(xiàn)。

1.1 設(shè)備清洗工藝要求

PLC和觸摸屏控制整個(gè)清洗過(guò)程自動(dòng)完成：

1）通過(guò)觸摸屏按鍵選擇清洗模式，并能夠通過(guò)按鍵調(diào)用實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，如清洗時(shí)間的設(shè)定和清洗方式的選擇、手動(dòng)操作、急停操作等；

2）自動(dòng)調(diào)節(jié)酸堿清洗液濃度；

3）通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)閥門和泵等的啟停顯示、工作狀態(tài)顯示等；

4）可以手動(dòng)控制閥門、泵等的啟停；

5）清洗過(guò)程中濃度、液位不正常時(shí)能夠自動(dòng)報(bào)警。

1.2 電路板清洗的工藝流程

印制電路板清洗線一般只需兩個(gè)人便可進(jìn)行操作，一個(gè)人把需要清洗的電路板放在傳送帶上（簡(jiǎn)稱放板），傳送帶把電路板送進(jìn)密封的機(jī)床里先進(jìn)行堿洗，再到酸洗，然后到水洗，最后烘干，另一個(gè)人在傳送帶的末端把電路板收起來(lái)即可（簡(jiǎn)稱收板），如圖1所示。如果在生產(chǎn)時(shí)間比較緊急，人員也比較充足的情況下，可以4個(gè)人同時(shí)操作，即放板和接板各兩個(gè)人，再按清洗工藝要求適當(dāng)?shù)靥岣邆魉蛶У乃俣群颓逑此玫膲毫纯煞奖愕貙?shí)現(xiàn)生產(chǎn)的急緩。堿洗就是用稀堿水通過(guò)水泵升壓后噴灑到電路板上進(jìn)行清洗，可洗掉電路板上的油膩和其它雜質(zhì)。酸洗就是用稀酸水通過(guò)水泵升壓后噴灑到電路板上進(jìn)行清洗，可洗掉電路板上殘余的金屬雜質(zhì)，防止電路板線間短路。水洗就是用清水洗掉殘余在電路板上的酸，最后用熱風(fēng)吹干。整個(gè)過(guò)程在一條清洗線上完成，本生產(chǎn)線要用到五個(gè)電機(jī)，其中3個(gè)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)水泵，一個(gè)電機(jī)用于帶動(dòng)熱風(fēng)機(jī)，一個(gè)電機(jī)用于拖動(dòng)傳送帶。

圖1 電路板清洗線Fig.1 Circuit board cleaning line

2 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

印制電路板清洗線由機(jī)床部分和控制部分組成，機(jī)床部分包括水泵、儲(chǔ)液罐、傳送帶、支架、外殼等；控制部分包括上位機(jī)、PLC、變頻器、電機(jī)、繼電器和各種接線電路，其示意圖如圖2所示。

圖2 電路板自動(dòng)清洗線控制部分示意圖Fig.2 Circuit board automatic cleaning line control part of the schematic diagram

2.1 S7-300 CPU315-2 DP

此種型號(hào)的CPU具有兩個(gè)九針的串口，一個(gè)用于MPI通信，一個(gè)用于Profibus-DP通信。MPI通信和Profibus-DP通信在一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)最多可以連接32個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果通過(guò)中繼器連接，可以擴(kuò)展更多的從站設(shè)備，所以這種型號(hào)的PLC具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能。

2.2 TP177B觸摸屏

TP177B觸摸屏，即人機(jī)界面 （HMI），在控制領(lǐng)域里，HMI一般特指用于操作人員與控制系統(tǒng)之間進(jìn)行對(duì)話和互相反饋的專用設(shè)備，由于其具有操作簡(jiǎn)單，強(qiáng)大的圖形顯示能力和簡(jiǎn)單的硬件連接等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代控制領(lǐng)域中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

2.3 MM4系列變頻器

MM4系列變頻器是西門子公司推出的一種適合于三相電動(dòng)機(jī)速度控制和轉(zhuǎn)矩控制的變頻器系列，能實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速、過(guò)流/過(guò)壓/過(guò)熱和短路等保護(hù)，其應(yīng)用范圍較廣，在我國(guó)應(yīng)用最多的是MM420通用型、MM430風(fēng)機(jī)水泵型、MM440矢量型變頻器等。根據(jù)電路板清洗線上的工藝要求，選擇MM430作為控制高壓水泵和熱風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的變頻器，選用MM440作為控制傳送帶電動(dòng)機(jī)的變頻器。MM4系列變頻器有多種模塊可供用戶選用，包括與PC通信的通信模塊、基本操作面板（BOP）模塊、高級(jí)操作面板（AOP）模塊、以及進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)總線通信的PROFIBUS-DP通信模塊[4]。

設(shè)置P0010=1啟動(dòng)快速調(diào)試，輸入電動(dòng)機(jī)的實(shí)際參數(shù)，完成快速調(diào)試后必須設(shè)置P3900=1進(jìn)行電動(dòng)機(jī)計(jì)算和復(fù)位為工廠缺省設(shè)置值，接通電動(dòng)機(jī)，開(kāi)始電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)的自動(dòng)檢測(cè)，直到A0541消失，具體調(diào)試方法請(qǐng)參考各種型號(hào)變頻器的詳細(xì)使用手冊(cè)。西門子MM4系列變頻器的參數(shù)功能基本相同，以MM440為例，本系統(tǒng)需要設(shè)置S7-300與變頻器PROFIBUS-DP通信的部分參數(shù)如表1所示。

表1 變頻器參數(shù)設(shè)置Tab.1 Inverter parameter settings

2.4 Profibus-DP接口模塊

用于安裝在MM4系列變頻器上，使之成為Profibus-dp從站。S7-300通過(guò)調(diào)用SFC14、SFC15對(duì)MM4系列變頻器的PKW和PZD區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 Profibus-DP通信

Profibus是西門子公司開(kāi)發(fā)的一種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，現(xiàn)已成為國(guó)際化的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)。Profibus-DP通信具有傳送速度高，價(jià)格低廉，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。S7-300PLC與變頻器的Profibus-DP通信連接不僅能實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器之間的信息交換，而且它還具有很多比控制端子連接更加獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[5]。

1）節(jié)省S7-300PLC的I/O資源，減少PLC的模擬量轉(zhuǎn)換模塊，S7-300PLC通過(guò)Profibus-DP總路線與多臺(tái)變頻器相連，在讀寫和修改變頻器參數(shù)的過(guò)程中不再需要用到其它的外部接線，最大程度地節(jié)約了成本、提高了控制系統(tǒng)的可靠性，也減少了系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)的成本。

2）變頻器參數(shù)讀取和修改更加方便，通過(guò)人機(jī)界面（HMI）在線實(shí)時(shí)監(jiān)控變頻器的電壓、電流、頻率和實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速等參數(shù)，方便地實(shí)現(xiàn)變頻器參數(shù)的修改、故障信息讀取和故障復(fù)位等重要功能，不需要專業(yè)技術(shù)人員到變頻器的操作面板上操作變頻器。

3）西門子MM4系列變頻器采用新穎的內(nèi)部功能互聯(lián)（BiCo）技術(shù)，使變頻器在軟件功能性方面達(dá)到一個(gè)新水平，簡(jiǎn)化了參數(shù)設(shè)置過(guò)程。

3.2 程序設(shè)計(jì)

Step7軟件用于S7-300的硬件組態(tài)和程序編寫。用戶程序由組織塊（OB）、功能塊 （FB/FC）和數(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成。其中OB是系統(tǒng)操作程序與應(yīng)用程序在各種條件下的接口，用于控制程序的運(yùn)行。FB/FC是用戶子程序，用于編寫各種控制功能。DB是用戶定義的用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存取區(qū)，本系統(tǒng)中用于存儲(chǔ)變頻器的控制字和狀態(tài)字。

S7-300與變頻器Profibus-DP通信的軟件編寫較為簡(jiǎn)單，故障排查也較為方便；首先為控制每一臺(tái)變頻器的功能塊分配一個(gè)背景數(shù)據(jù)塊，也可把全部數(shù)據(jù)放在同一個(gè)共享數(shù)據(jù)塊里；其次在控制每臺(tái)變頻器的子程序里都調(diào)用一次SFC14和SFC15，并進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換；注意里面的LADDR地址要與組態(tài)時(shí)分配的地址相同，RECORD里的背景數(shù)據(jù)地址也不能寫錯(cuò)，這樣才能實(shí)現(xiàn)S7-300與MM4系列變頻器的Profibus-DP通信。程序流程圖如圖3所示，部分程序如圖4所示。

圖3 主程序流程圖Fig.3 The main program flow chart

圖4 PLC對(duì)變頻器數(shù)據(jù)讀寫和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分程序Fig.4 PLC for inverter part read and write data and data conversion program screen

3.3 畫面組態(tài)

3.3.1 硬件組態(tài)

根據(jù)實(shí)際硬件在SIMATIC Manager軟件中進(jìn)行硬件組態(tài)，并把S7-300 CPU設(shè)為通信的主站，Profibus-DP總線上的變頻器設(shè)為從站，并設(shè)置好CPU和變頻器通信模塊的通信地址，此地址要與變頻器的Profibus-DP通信模塊上拔位開(kāi)關(guān)的地址相同。變頻器硬件組態(tài)如圖5所示。

圖5 變頻器硬件組態(tài)Fig.5 Inverter hardware configuration screen

3.3.2 人機(jī)界面畫面的組態(tài)

首先用Wincc flexible 2008的向?qū)Чδ苄陆ㄒ粋€(gè)項(xiàng)目，其次組態(tài)相應(yīng)的監(jiān)控畫面，再次把此項(xiàng)目集成到S7項(xiàng)目里，最后用S7項(xiàng)目里的符號(hào)表變量與畫面中的動(dòng)作連接起來(lái)，這樣就可以很方便地建立S7-300與HMI的變量連接[6]。在組態(tài)畫面項(xiàng)目的連接設(shè)置窗口處選擇S7-300與HMI的通信方式為MPI通信，保存編譯并下載到觸摸屏里運(yùn)行，部分畫面如圖6所示。

圖6 HMI監(jiān)控畫面Fig.6 HMI monitor screen

4 結(jié)束語(yǔ)

基于S7-300的Profibus-DP通信控制MM4系列變頻器應(yīng)用于印制電路板清洗線上的方案實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了高效、節(jié)能、靈活的效果，簡(jiǎn)化了程序的編寫，大大地減少了控制接線，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和控制的可靠性，為廠家節(jié)約了維護(hù)成本，帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)用PLC實(shí)時(shí)地對(duì)溶液的壓力和濃度進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)烘干的溫度進(jìn)行PID控制，能夠達(dá)到理想的清洗效果。

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The application of Profibus-DP in PCB automatic cleaning line

YANG Bo-song， TAN Yao-song， CHEN Shan-yang， HUANG Gui-feng
（Guangdong University of Petrochemical Technology， Maoming 525000， China）

Aimed at the present situation of the circuit board automatic cleaning， the phenomenon such as pollution， high cost and low efficiency， to put forward a kind ofautomatic cleaning system based on Profibus-DP bus； And complete the design of hardware and software.Thoughthe field bus controlling motor、using man-machine interfacemonitoring and setting more than one inverter output parameters， can realize automatic online cleaning， setting of process parameters and process monitoring；The system is applied to the circuit board cleaning production practice，and achieved certain economic benefits and social benefits.

Profibus-DP； automatic cleaning system； motor； man-machine interface； frequency converter

TN915.04

A

1674-6236（2014）15-0109-03

2014-03-28 稿件編號(hào)：201403312

廣東省高等學(xué)校高層次人才項(xiàng)目（粵財(cái)教[2013]246號(hào)152）；廣東省高等學(xué)校學(xué)科與專業(yè)建設(shè)專項(xiàng)資金科研類項(xiàng)目（粵教科函[2013]120號(hào)）；茂名市科技計(jì)劃項(xiàng)目（11A36）

楊柏松（1970—），男，廣東雷州人，碩士，實(shí)驗(yàn)師。研究方向：電氣控制與PLC。