（轻工技术与工程专业论文）pcb基板层压机组控制系统的开发与研究.pdf

p c b 基板层压机组控制系统的开发与研究 摘要 本文着重研究了p c b 基板层压机组的控制系统。通过对p c b 基板的制 作过程、工艺要求的研究和国内外发展现状进行分析总结，结合实际项目， 设计开发出整套的电气控制系统。分别对热压机温度、压力、真空度进行测 量与控制，对产品温度进行测量，对热媒比例阀进行控制。 根据国内外p c b 基板制造控制系统的发展现状，本控制系统下位机采 用s i e m e n sp l c 来完成，上位机使用安装有s i m a t i cw i n c c 的工业计算 机，使用s i e m e n ss i m a t i cw i n c cv 6 0 软件对整套测控系统的软件操作系 统进行组态开发，开发的界面具有良好的人机交互特性，界面美观大方、操 作简便。使用w i n c cw e bn a v i g a t o r 功能使p c b 基板层压机组控制系统通 过固定的i p 地址及用户权限成功地实现了因特网的远程监控，此功能无疑 成为本套测控系统的亮点。设备操作人员通过人机界面，可以监控从现场传 送来的温度、压力等信号以及其它设备运行信息和状态，也可以下载、修改 和保存在计算机中的生产工艺配方，用户还可以通过检查历史曲线记录分析 产品质量或统计产量。 p c b 基板的层压过程需要控制的设备主要包括：预压机、热压机、冷 压机、储料架、卸料架和装卸料用小车。经过对所要控制设备的分析研究和 实际生产中所需要控制参数统计出所有i o 点，再加上一定冗余量，进而确 定了p l c 需要的i o 模块数量和机架扩展数量。 电控系统中除小车外都通过s i e m e n ss 73 0 0p l c 进行控制，包括电磁 阀、电机等数字量和温度、压力等模拟量。小车本身采用s i e m e n ss 72 0 0 p l c 控制。再通过s i e m e n sp l c 的强大功能，可以将小车的s i e m e n ss 7 2 0 0p l c 与压机的s i e m e n ss 73 0 0p l c 连接并实现通讯，从而实现从上位 机上显示小车的状态和起停操作等管理小车的功能。小车的位置和运行状态 可以通过上位机显示出来，要操作小车时，可以操作小车柜体的按钮，也可 以通过上位机直接完成。 本课题面临的技术难点是真空热压机中的温度控制，由于热媒温度在传 导过程中得滞后，造成对产品的温度控制难以准确。而产品质量与制造过程 中的温度控制紧密联系。针对此项难点经过查阅大量国内外的资料，采用 s e i m e n sp l c 自带的温度控制模块f b 5 8 自整定p i d 控制来解决此项难点。 并运用m a t l a bs i m u l i n k 工具箱对所建立的系统进行了较为全面的仿真分析 和性台邑比较。 该系统已经在某p c b 生产公司投入试运行。目前，运行效果良好，控 制精度稳定。同时，本文的研究成果也可用于其它人造板设备，因此，具有 广泛的应用前景。 关键词：控制，p l c ，p c b ，热压机 i i t h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c h o fp c bb a s eb o a r dl a m i n a i t e su n i t c o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l e ，t h ep c bs u b s t r a t el a m i n a t e du n i tc o n t r o ls y s t e mw a ss t u d i e d t h r o u g hs t u d y i n gp c bs u b s t r a t em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，t h et e c h n i c a lr e s e a r c h r e q u i r e m e n t s ，a n da n a l y s i s i n ga n ds u m m i n gu pt h ed e v e l o p m e n ts t a t u sq u oa t d o m e s t r i ca n da b r o a d ，a n dc o m b i n i n gw i t ht h ea c t u a li t e m ，t h ew h o l ee l e c t r i c a l c o n t r o ls y s t e m sw e r ee x p l o i t e d s e p a r a t e l ym e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n go nt h eh o t p r e s st e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，a n dv a c u u m ；t h ep r o d u c tt e m p e r a t u r ew a st e s t e d ， m e a n w h i l et h eh o t - b o r n ep r o p o r t i o n a lv a l v ew e r ea l s oc o n t r o l l e d b a s e do nt h ec u r r e n td e v e l o p m e n to ft h ep c bs u b s t r a t ea td o m e s t r i ca n d a b r o a d ，i nt h i sc o n t r o ls y s t e m ，t h eu n d e rc o m p u t e ru s e ds i e 删sp l c t h eu p p ci n s t a l l e ds i e m e n ss i m a t i cw i n c cv 6 0s o f t w a r et oc o n d u c tc o n f i g u r a t i o n d e v e l o p m e n to ft h ew h o l es o f t w a r eo p e r a t i n gm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m t h i si n t e r f a c eh a d g o o dm a n m a c h i n ei n t e r a c t i v ef e a t u r e s ，e l e g a n ti n t e r f a c e ，a n d w a se a s yt oo p e r a t e u s i n gw i n c cw e b n a v i g a t o rf e a t u r e ，t h r o u g haf i x e di p a d d r e s sa n du s e r p e r m i s s i o n s ，a l l o w e dt h ei n e r t i a lp l a t f o r mt e s tm a c h i n e i m p l e m e n tt h er e m o t ei n t e m e tm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls u c c e s s f u l l y t h i sf e a t u r e w o u l du n d o u b t e d l yb et h eh i g h l i g h to ft h e s es e t s e q u i p m e n to p e r a t o r s ，t h r o u g h m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，c a nm o n i t o rt h et e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，a n do t h e rs i g n a l s a n dt h e e q u i p m e n to p e r a t i n g s t a t u st r a n s m i t t e df r o mt h e s c e n e t h e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sf o r m u l ac a nb ed o w n l o a d i n g ，m o d i f i e d ，a n ds t o r e di nt h e c o m p u t e r t h eu s e r sc a na l s oc h e c kt h eh i s t o r yo fc u r v et oa n a l y s i st h ep r o d u c t q u a l i t yo rt os t a t i s t i co u t p u t d u r i n gt h ep c b s u b s t r a t el a m i n a t e dp r o c e s s ，t h ee q u i p m e n tn e e dc o n t r o l l e d i n c l u d e ：p r e p r e s s ，h o tp r e s s ，c o l dp r e s s ，s t o r a g er a c k s ，u n l o a d i n ga n dl o a d i n g c a r s t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ft h ec o n t r o l l e de q u i p m e n t a l lt h ei 0 p o i n t sb a s e do nt h en e c e s s a r yc o n t r 0 1i na c t u a lp r o d u c t i o nw e r es t a t i s t i c ；c o u p l e d i l l w i t hac e r t a i na m o u n to fr e d u n d a n c y ，t h ei om o d u l eq u a n t i t yp l c r e q u i r e d a n dt h er a c ke x p a n s i o n q u a n t i t yw e r ei d e n t i f i e d i nt h ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m ，i na d d i t i o nt ot h ec a r , i n c l u d i n gs o l e n o i d v a l v e s ，e l e c t r i c a la n do t h e rd i g i t a lv o l u m ea n dt e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，e t cw e r ea l l c o n t r o l l e dt h r o u g hs i e m 匣n ss 730 0p l c c a ri t s e l fw a sc o n t r o l l e d b y s i e m e n ss 72 0 0p l c c o n t r o l l e d t h r o u g ht h ep o w e r f u lf e a t u r eo fs i e m e n s p l c ，t h et r o l l e y ss i e n 正n ss72 0 0p l ca n dp r e s st h es i e m e n ss 730 0p l c c a nc o n n e c ta n di m p l e m e n tc o m m u n i c a t i o n i no r d e rt oa c h i e v et h ef u n c t i o nt o m a n a g ev e h i c l ef r o mt h ev e h i c l es t a t u sa n dc e a s eo p e r a t i o n d i s p l a y e do nt h eh o s t c o m p u t e r v e h i c l el o c a t i o na n do p e r a t i o ns t a t u sc a nb ed i s p l a y e dt h r o u g ht h ep c o p e r a t i n gc a rc a nc o m p l e t e db yo p e r a t i n gt h ec a b i n e t sb u t t o n sd i r e c t l y o r t h r o u g ht h eh o s tc o m p u t e r i nt h i ss t u d y ，t h et e c h n i c a lp r o b l e mi st h et e m p e r a t u r ec o n t r o l i nv a c u u mh o t p r e s s b e c a u s eo ft h el a ga th e a tm e d i u mt e m p e r a t u r ec o n d u c t i o np r o c e s s ，t h e t e m p e r a t u r ec o n t r o l so f t h ep r o d u c t sw e r es od i 伍c u l tt ob ep r e c i s e a n dp r o d u c t q u a l i t ya n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s st e m p e r a t u r ec o n t r o lw e r er e l a t e dc l o s e l y c o n t a c t f o rt h i sd i f f i c u l t ，r e f e rt oal a r g en u m b e ro fd o m e s t i ca n df o r e i g n i n f o r m a t i o n ，u s i n gs e i m e n sp l cb u i l t i nt e m p e r a t u r ec o n t r o lm o d u l ef b 58 s e l f - t u n i n gp i dw a su s e d a n dm a t l a bs i m u l i n kt o o l b o xw a su s e dt oc a r r yo u ta m o r ec o m p r e h e n s i v es i m u l a t i o na n a l y s i sa n dp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nf o rt h e s y s t e m ，n l es y s t e mh a sb e e np u ti n t ot r i a lo p e r a t i o ni nap c b p r o d u c t i o nc o m p a n y a tp r e s e n t ，t h eo p e r a t i o nr e s u l tw a sg o o d ，a n dt h ec o n t r o lw a sa c c u r a c ya n d s t a b i l i t y a tt h es a m et i m e ，t h er e s u l t so ft h i ss t u d yc a na l s ob eu s e di nt h e w o o d - b a s e d p a n e le q u i p m e n t t h e r e f o r e ，t h ea p p l i c a t i o np r o s p e c t sw e r eb r o a d k e y w o r d s ：c o n t r o l ，p l c ，p c b ，h o tp r e s s 陕西科技大学硕士学位论文 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论3 c f 陛i - 签名：丝囱坚 日论签名：幽j 望i 整日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：爱弛导师签名：螂日期：2 。旦年月 p c b 基板层压机组控制系统的开发与研究 1 绪论 1 1 课题的提出 p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 印刷电路板，几乎会出现在每一种电子设备当中。如果在 某种设备中有电子零件，那么它们也都是镶在大小各异的p c b 上。除了固定各种小零件 外，p c b 的主要功能是提供上面各项零件的相互电气连接。随着电子设备越来越复杂， 需要的零件越来越多，p c b 上面的线路与零件也越来越密集了。板子本身的基板是由绝 缘隔热、并不易弯曲的材质所制作成。在表面可以看到的细小线路材料是铜箔，原本铜 箔是覆盖在整个板子上的，而在制造过程中部份被蚀刻处理掉，留下来的部份就变成网 状的细小线路了。这些线路被称作导线( c o n d u c t o rp a t t e r n ) 或称布线，并用来提供p c b 上 零件的电路连接。 2 0 0 5 年世界p c b 市场规模约4 2 0 亿美元，其中日本产值1 1 3 亿美元，仍然居于世界第 一位。中国p c b 产业近年来一直保持高速增长，2 0 0 3 年产值6 0 亿美元、2 0 0 4 年产值8 1 5 亿美元、2 0 0 5 年产值已高达1 0 8 3 亿美元，仅次于日本，预计2 0 0 6 年中国p c b 产值将超 过1 2 0 亿美元【l 】。世界约有p c b 企业2 8 0 0 家，其中中国大陆约1 2 0 0 家。世界知名的p c b 生产企业中的绝大部分已在中国建立了生产基地并正在积极扩展。预计近几年内，中国 仍然是世界p c b 生产企业投资与转移的重要目的地。 2 0 0 5 年中国p c b 产量突破1 亿1 千万平方米，其中多层板占了将近一半，中国p c b 的产品结构正逐步向高多层、h d i 等高档产品快速发展。2 0 0 3 年中国p c b 进出口总额6 0 亿美元，2 0 0 4 年8 9 亿美元，2 0 0 5 年达至j j l l 9 亿美元，同比增长3 4 。 “十五”期间，我国集成电路产业规模扩张十分迅猛，“中国芯”频繁推出。而科技部 中国科技促进发展研究中心给出的一份调研报告却冷静指出，我国集成电路领域知识产 权现状仍然不容乐观，同领先国家相比，我国在这一领域技术水平的差距并无缩小甚至 有增大的迹象。2 0 0 0 年至2 0 0 4 年，我国集成电路产量和销售收入的年增长速度超过3 0 ， 居全球之冠，已成为仅次于美、日的第三大芯片消费引2 1 。产业扩张带来了生产技术水 平的大幅提高。然而，中国科技促进发展研究中心杨起全研究员等专家在分析后认为， 引进技术并不等于产业自主创新能力的提高。我国集成电路领域的研发虽然在少数领域 有所突破，但专利技术水平同领先国家相比还处于劣势，差距有增大的趋向。“总体数量 少，技术水平偏低，产业技术覆盖面十分有限，尚未形成针对集成电路核心技术的专利 群体保护规模。我国大陆在这一领域的自主创新能力和知识产权竞争劣势令人忧虑。 2 0 0 5 年 2 0 0 7 年，境外在我国投资p c b 、c c l 和材料、设备的企业越来越多，金额 越来越大，产业链越来越长。我国企业包括股份制、国有企业，特别是许多中小民营企 陕西科技大学硕士学位论文 业也在纷纷扩大产能和提高产品档次，但投资力度、规模、档次等都远不能与境外企业 相提并论。 从产业规模来看中国已经是名副其实的世界p c b 生产大国，但并不是生产强国，与 日本和美国等发达国家甚至与欧洲和韩国相比，我们的p c b 产业在许多方面存在着差 距。千里之行始于足下，成为生产大国只是一个起点、路还很长。未来发展还存在不小 薄弱环节：首先多种所有制发展不够，中国p c b 的民营企业、股份制企业和国有企业， 在数量上要占到在中国p c b 企业总数量的9 0 以上，但其产值应该不足1 3 ，而另2 3 却 是由数量不足1 0 的境外企业在中国生产创造的；中国的民营企业、股份制企业和国有 企业的产品水平绝大部分处于中低档，只有少数在生产高端产品。其次，技术进步重视 不够，国外研发的资金投入8 0 以上来自企业，而中国业界8 0 来自于大专院校和极少 数的研究所，而且投入的费用也不能与国外相提并论；中国的民营企业、股份制企业和 国有企业从厂地、厂房和设备上来讲，大体上已与国际接轨，有不少还优过国外企业， 但这些企业的生产水平、技术档次，尤其是经济效益与国外相比相差甚远，甚至于不只 十倍之差。 鉴于此种现象，我选择把p c b 板生产过程中的层压部分作为我的研究生毕业设计课 题，意在通过研究国内外业绩优秀的生产企业生产加工的控制系统，设计出一套完整的 真空液压机组的控制系统，通过此控制系统能够实现对产品在层压阶段的精确控制，从 而得到品质高更高的p c b 板。 1 2 课题的研究现状和发展趋势 1 2 1 层压机组发展现状 层压机组是制造覆铜板最终成型的关键设备，压机精度的好坏及合适的工艺参数对 板材品质起着至关重要的作用【3 】。目前世界上的压机设备制造商有k i t a g a w a 、 s i e m p k a m p 、a c c u d y n e 、o m e 等，由于压机设备技术比较成熟，设备制造商大都 在压机精度方面进行提高。覆铜板制造厂一般都选用进口压机，如k i t a g a w a 、 s i e m p k a m p 、o m e 压机，但随着国产压机制造技术的提高，也有一些覆铜板厂选用国 产设备。 在2 0 世纪9 0 年代之前，覆铜板生产量不大，压机多为一台压机配台上料架和一 台下料架，这种单一配置使得设备利用率不高，而且压机一般为非真空，蒸汽加热、用 水冷却。2 0 世纪9 0 年代之后，覆铜板产量呈几何级数增长，于是出现了压机组，而且 压机多为真空压机，用导热油加热。真空导热油热压机具有以下优点： ( 1 ) 由于热压机抽真空，层压压力可降低5 0 。易于控制多层板的厚度。 ( 2 ) 由于层压压力较低，树脂流动量少，故多层板的翘曲度小。板内可减少树脂固化 2 p c b 基板层压机组控制系统的开发与研究 片量，不易出现白斑、裂纹。层间不易错位，板内应力较小，板的尺寸稳定性好。 ( 3 ) 由于真空把多层板之间的空气、湿气、挥发物抽走，故层压后多层板内不易留下 起泡、空隙、麻点和分层等缺点。 ( 4 ) 伟l j 品有稳定的介电常数。 ( 5 ) 节约能源，可达4 0 - - - 5 0 。 目前国内外压机产品中，按照控制系统，压机可分为三种类型【4 】：一种是以继电器 为主控元件的传统型；一种是采用可编程控制器控制；第三种是应用高级微处理器( 或工 业控制计算机) 。三种类型功能各有差异，应用范围也不尽相同。但总的发展趋势是高速 化、智能化。 ( 1 ) 继电器控制方式是延续了几十年的传统控制方式，其电路结构简单，技术要求不 高，成本较低，相应控制功能简单，适应性不强。 ( 2 ) 可编程控制器是在继电器控制和计算机控制发展的基础上开发出来的，并逐渐发 展成以微处理器为核心，把自动化技术，计算机技术，通讯技术溶为一体的新型工业自 动控制装置。目前己被广泛的应用于各种生产机械以及自动化生产过程中。随着技术的 不断发展，可编程序控制器的功能更加丰富。早期的可编程序控制器在功能上只能进行 简单的逻辑控制。后来一些厂家开始采用微电子处理器作为可编程序控制器的中央处理 单元( c p u ) ，从而扩大了控制器的功能，使其不仅可以进行逻辑控制，而且还可以对模 拟量进行控制。因此，可编程控制器控制方式是介于继电器方式和工业控制机控制方式 之间的一种控制方式。可编程控制器有较高的稳定性和灵活性，但在功能方面与工业控 制机相比有一定差异。现在，国内有些厂家采用可编程控制器控制方式。通过采用p l c 控制，使系统的控制性能和可靠性大大提高。国外厂家如丹麦的s t e n h q j 公司采用了 s i e m e n s 的可编程控制器，实现对压力和位移的控制。 ( 3 ) i 业控制机控制方式是在计算机控制技术成熟发展的基础上采用的一种高技术 含量的控制方式。这种控制方式以工业控制机或单片单板机作为主控单元，通过外围接 口器件( 如a d ，d a 板等) 或直接应用数字阀实现对液压系统的控制，同时利用各种传 感器组成闭环回路式的控制系统，达到精确控制的目的。， 1 2 2 发展趋势 ( 1 ) 高速化，高效化，低能耗。提高压机的工作效率，降低生产成本。 ( 2 ) 机电液一体化。充分合理利用机械和电子方面的先进技术促进整个控制系统的完 盏 口o ( 3 ) 自动化、智能化。微电子技术的高速发展为压机的自动化和智能化提供了充分的 条件。自动化不仅仅体现的在加工，应能够实现对系统的自动诊断和调整，具有故障预 处理的功能【5 l 。 陕西科技大学硕士学位论文 1 3 课题研究面临的难点以及创新点 1 3 1 面临的难点 本课题面临的技术难点是真空热压机中的温度控制，由于热媒温度在传导过程中得 滞后，造成对产品的温度控制难以准确【6 j 。而产品质量与制造过程中的温度控制紧密联 系。针对此项难点经过查阅大量国内外的资料，准备采用s e i m e n sp l c 自带的温度控 制模块f b 5 8 自整定p i d 控制来解决此项难点【7 j 。 1 3 2 课题的创新之处 当前，国内的温度和压力曲线控制，大多采用单独调节器实现，曲线设定在调节器 中：使用p l c 直接实现温度和压力曲线控制，曲线通过p l c 程序设定和计算，每条曲 线不仅能够达到调节器的多步设定和控制，而且可以根据用户的现场要求，在一条设定 曲线内，可以实现大于多步的曲线设定，不受调节器的限定；可以实现将任意多条温度 和压力曲线存贮在计算机中，同时，可选择其中的多组( 温度、压力) 常用工艺配方曲 线，存放在p l c 中，供工艺人员操作。 本课题的温度控制方式将采用s i e m e n s 的p l c 本身具有温度p i d 自整定调节方式。 在p i d 控制中，对于曲线的不同设定段，因为其设定值不同，在升温段，其升温速度要 求不同，因而需要在不同的曲线段，采用不同的p i d 参数。而在调节器中，每条曲线只 公用一个p i d 参数，该参数一般只能满足高温段、低温段或者某一升温段，要同时兼顾 同一曲线的各个设定段，是困难的，因而会出现某段的温度偏离设定值较多，出现温度 控制的正或负超调；在s 正m e n s 的p l c 中，其可靠性高、控制能力强，可以实现每段 温度设定段对应不同的p i d 参数，而且在从一段进入下一段的温度设定段时，自动更新 相应的p i d 参数，且不出现阀门的输出扰动。从而实现温度控制的精确性。 西门子s 7 系列p l c 温度控制专用功能块f b 5 8 能很好的解决温度控制问题。 f b 5 8 从整体结构上可以分为以下3 个部分： 1 ) 形成偏差信号并设定死区参数。采集到的“过程值”( p vp e r ) 通过“过程值转换” ( c r pi n ) 和“过程值规范化”( p vn o r m ) 转换成与“设定值”( s pi n t ) 具有相同的 单位。为了抑制由于可调节变量变化所引起的小幅恒定振荡，f b 5 8 对偏差通过“死区” ( d e a d b a n d ) 进行处理，由参数d e a d bw 设定死区宽度：2 ) p i d 算法和可调节 变量的计算。p i d 控制器采用位置式算法，“比例”( g a i n ) 、“积分”( i n t ) 、“微分( d i f ) 三部分并联，可以单独进行取消或激活，这样就可组态p 、p i 、p d 、p i d 控制器，通过 选择g a i n 的符号正负可以很方便的实现正作用或反作用；3 ) 保存和重新装载控制器参 数。f b 5 8 具有参数自整定功能，每次整定得到的优化参数都是自动保存的，如果整定得 到的参数效果不理想，可以手动修改，然后将其保存。“撤销参数修改”( u n d o) 用 来激活修改后的参数；“装载优化参数”用来重新激活控制器整_ 定p a 得r ( l o a dp i d )到的 4 p c b 基板层压机组控制系统的开发与研究 优化参数。 f b 5 8 具有参数自整定功能，其原理是通过可调节变量阶跃变化来激励过程的进行， 通过分析温度对象的闭环阶跃响应曲线，提取如静态增益k 、上升时间t 等特征参数，确 定对象模型，然后基于这些特征参数进行仿真和寻优，自整定p i d 参数。温度对象一般 模型传递函数为： 郇( s ) = k e 一奄【( 互s + 1 ) ( 互s + 1 ) 】( 正 疋) 1 2 1 ( 4 ) 待定参数为k ，f ，l - ，l2 。设温度对象在阶跃信号x 的作用下，输出参数y 以图3 曲线 a b c d 上升，其中j o 为y 的初始值，为y 的稳定值。在图1 1 曲线的b d 段间找拐点 c ，过点c 作切线e f 与横轴及y 2 y l 直线交于e 、f 。c f 在横轴上的投影分别为g 、h 点。由此可确定模型参数：k = o l y o ) x ，f = a b ，互= 粥，正= g h 。针对已确定 的模型及其参数，通过仿真和寻优，确定p i d 控制算法的 p ，1 ，d 参数。 图卜1 阶跃响应曲线 f i g l 一1r e s p o n s e c u r v eo f s t e p 可以以手动模式启动自整定，也可以以自动模式启动自整定。通过可调节变量阶跃 变化来激励过程的执行，在检测到拐点之后，通过计算可以获得p i d 参数，控制器也将 切换到自动模式，并继续使用这些参数进行控制。在自整定期间，块算法要运行7 个阶 段。“自整定阶段”( p h a s e ) 指示了块当前正处于哪个阶段。因为只有在被控变量比较 稳定时，自整定的结果才更准确，所以在开始自整定之前将控制器切换到手动模式，并 等待振荡消失。作为备选方案，也可以切换到具有较柔和设置( 低回路增益、高积分时间) 的p i 控制器。直到达到一个较稳定状态才开始自整定。 1 4 课题研究的内容及实施方案 1 4 1 研究内容 本文根据对课题相关的国内外研究现状进行分析总结，结合项目实际，紧紧围绕热 压机控制系统，如何提高控制精度这一目标展开研究工作，研究的主要内容和完成的工 作如下： 5 陕西科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 对p c b 基板层压系统的结构和理论进行研究，分析其常用的生产方法，进而确 定层压系统的测量控制系统的基本要求； ( 2 ) 研究p c b 基板真空热压机的控制系统：分别对热压机温度、压力、真空度进行 测量与控制，对产品温度进行测量，对热媒比例阀进行控制； ( 3 ) 对控制系统的各个参数进行整定。排除变频器和各种开关电源设备产生的干扰： ( 4 ) 使用s i e m e n ss t e p 7 、w i n c c 及软件运行模拟器，对p c b 基板的层压控制系 统的软件系统进行编写及测试。 1 4 2 实施方案 根据国内外p c b 基板层压成型段制造控制系统的发展现状，本控制系统采用可编程 控制器来完成【8 9 1 。下位机采用s i e m e n sp l c ，上位机使用安装有s i m a t i cw i n c c 的 工业计算机， 电控系统中除小车外都通过s i e m e n ss 73 0 0p l c 进行控制，主要包括：预压机、 热压机、冷压机、储料架、卸料架、液压站和热媒系统等机械设备上的电机、电磁阀、 限位开款等数字量信号和温度、压力、真空度等模拟量信号。经过对所要控制设备的分 析研究和实际生产中所需要控制参数统计出所有i o 点，再加上一定冗余量，进而确定 了p l c 需要的i o 模块数量和机架扩展数量。考虑到小车的控制点少，动作少，使用s 7 2 0 0 就可满足要求。再通过s i e m e n sp l c 的强大功能，可以将小车的p l c ( s i e m e n s s 72 0 0 ) 与压机的p l c ( s i e m e n ss 73 0 0 ) 连接并实现通讯，从而实现从上位机上显示小车 的状态和起停操作等管理小车的功能。小车的位置和运行状态可以通过上位机显示出来， 要操作小车时，可以操作小车柜体的按钮，也可以通过上位机直接完成。 图1 - 2 控制系统结构图 f i g l - 2s t r u c t u r eo fc o n t r o ls y s t e m 上位机通过s i e m e n ss i m a t i cw i n c cv 6 0 软件对整套测控系统的软件操作系统进 行组态开发，开发的界面具有良好的人机交互特性，界面美观大方、操作简便。设备操 6 p c b 基板层压机组控制系统的开发与研究 作人员通过人机界面，可以监控从现场传送来的温度、压力等信号以及其它设备运行信 息和状态，也可以下载、修改和保存在计算机中的生产工艺配方，用户还可以通过检查 历史曲线记录分析产品质量或统计产量。还可通过使用w i n c cw e bn a v i g a t o r 功能将 p c b 基板层压机组通过固定的口地址及用户权限成功地实现了因特网的远程监控，此 功能无疑成为本套测控系统的亮点。 1 4 3s i e m e n s 热压机控制系统特点 在压机的控制系统中，不仅涉及到许多开关量信号的控制，而且需要对温度、压 力、真空度等模拟量信号进行调节。对于工艺要求较为严格的温度等信号的控制，要采 用良好的控制算法，实现精确的控制。在系统中，采用s i e m e n s 的p l c 系统，实现对 压机的各种综合控制i l o j 。 ( 1 ) 系统可靠性高： s i e m e n s 的s 7 系列p l c ，秉承欧美式p l c 的优点，具有可靠性高、控制能力强等 优点，可以实现复杂的运算和精确控制，与日式或台式p l c 相比，具有明显的优越性。 s i e m e n sp l c 的平均无故障时间m t b f ( m e 觚t i m eb e t w e e nf a i l u r e ) 为1 0 万小时， 相当于1 1 年，可以保证在压机的有效使用寿命内，基本不发生故障，提高了系统的可靠 性，有效的保证生产的正常运行；而有些日式或台式p l c ，其耐压、抗冲击能力较差， 以及电磁兼容性( e m s ) 不高，易发生程序丢失等故障，造成影响生产等危害。 ( 2 ) 控制功能强： s i e n m e n s 的p l c 运算功能强大，其控制生产过程时，可以灵活的实现逻辑控制， 并且提供强大的控制功能。其p i d 功能实现温度等控制，精确稳定，系统不易出现超调； 在p l c 的p i d 控制子程序中，提供p i d 参数自动整定功能，如同温度调节器一样，实 现p i d 参数的自动整定，可以给用户调用。借助p l c 的强大功能，在系统中可以直接采 用p l c 进行温度曲线和压力曲线的控制，而不需要再使用调节器实现控制。 当前，国内的温度和压力曲线控制，大多采用单独调节器实现，曲线设定在调节器 中；使用p l c 直接实现温度和压力曲线控制，曲线通过p l c 程序设定和计算，每条曲 线不仅能够达到调节器的1 6 步设定和控制，而且可以根据用户的现场要求，在一条设定 曲线内，可以实现大于1 6 步的曲线设定，不受调节器的限定；可以实现将任意多条温度 和压力曲线存贮在计算机中，同时，选择其中的8 组( 温度、压力) 常用工艺配方曲线， 存放在p l c 中，供工艺人员操作。 在p i d 控制中，对于曲线的不同设定段，因为其设定值不同，在升温段，其升温速 度要求不同，因而需要在不同的曲线段，采用不同的p i d 参数。而在调节器中，每条曲 线只公用一个p i d 参数，该参数一般只能满足高温段、低温段或者某一升温段，要同时 兼顾同一曲线的各个设定段，是困难的，因而会出现某段的温度偏离设定值较多，出现 陕西科技大学硕士学位论文 温度控制的正或负超调；在s i e m e n s 的p l c 中，其可靠性高、控制能力强，可以实现 每段温度设定段对应不同的p i d 参数，而且在从一段进入下一段的温度设定段时，自动 更新相应的p i d 参数，且不出现阀门的输出扰动。 在电力紧张区域，如果系统发生停电，过一段时间电力恢复后，压机的温度控制曲 线需要调整。在压机的控制曲线中，设置有跳步和暂停功能，工艺人员根据停电的时间， 可以选择跳步等功能，直接进入后段的温度控制过程，使用灵活方便。 ( 3 ) 通讯方式传输温度信号： 采用s i e m e n s 的p l c 系统，具有较强的扩展能力。在p l c 中可以采用r s 4 8 5 串 行通讯模块。 温度信号的检测采用热电偶传感器，热电偶信号远距离传输时，易造成信号干扰， 在本系统中，在热机的后部安装台湾研华的温度采集终端a d a m 4 0 18 + ，信号检测完成 后，通过r s 4 8 5 串行送入p l c 的c p 3 4 1 通讯模块，信号以数字通讯的方式传输，达到 信号检测准确的目的，a d a m 4 0 1 8 + 的耐压为3 0 0 0 v ，具有较强的稳定性。 r s 4 8 5 通讯只需要两芯的双绞线，数据传输准确可靠，通讯速度为9 6 k - 3 8 4 k b p s ， 完全可以达到现场数据采集速度的要求，彻底避免了温度信号采用补偿导线传输易受到 干扰的问题。 ( 4 ) p l c 与计算机的通讯速度高： s i e m e n s 的p l c 本身具有m p i 编程接口，该接口可以用于上位机操作系统与p l c 的通讯连接，速度为1 8 7 5 k b p s ，物理层为r s 4 8 5 结构，可以实现1 2 公里距离内传输， 也可以将多台计算机和p l c 连接在一条通讯双绞线上，也可以将办公室电脑，远距离的 连接到本系统，在办公室电脑上能够实现现场同样的操作功能。而日式的p l c 与计算机 连接，采用r s 2 3 2 通讯，只能用于1 5 m 以内，且无法实现多计算机和p l c 的连接。 当要求压机与计算机实现高速连接时，可以在p l c 内扩展c p 3 4 3 工业以太网模板， 用1 0 0 b a s e t 以太网电缆，将计算机和p l c 都连接到控制室的交换机上，可以实现 1 0 0 m b p s 的高速工业以太网通讯连接。车间办公网络，通过网线或光纤，也可以方便的 接入到压机的通讯网络，实现监管和控制功能。 ( 5 ) 上位机软件的特点 在系统中，采用p l c 完成现场的测控任务，通过上位计算机与p l c 通讯，完成人 机操作、参数设定、趋势显示、数据记录及打印等功能。这些功能是应用s i e m e n s 的 组态软件w i n c c 来进行二次开发的。 上位机软件拥有丰富的人机界面功能，其包括： 图形系统：画面显示内容形象全面，包含图像、动画等功能。具有压机的压合过程 的动画显示画面，工艺曲线设定、操作修改等画面。 8 p c b 基板层压机组控制系统的开发与研究 报警信息系统：记录和存储事件并予以显示，包含信息类型，实现信息显示和报表， 操作非常简便。 趋势记录：接收、记录和压缩测量值，记录温度、压力等数据，能够存储一年或多 年的工艺曲线数据，并且方便调出查阅，以曲线和图表显示，而且可以任意打印。 系统具有操作权限功能，在上位机上进行操作时，需要登陆不同的操作权限，输入 其相应的密码，登陆完成后，可以实现不同权限的操作。操作员可以实现压机的起停等 操作；工艺人员具有曲线修改和设定权限；管理员具有程序修改功能。 ( 6 ) 系统外部连接功能强： s i e m e n s 的p l c 扩展c p 3 4 3 1 模板后，c p 3 4 3 1 模板具有p 地址功能，连接进入 i n t e r n e t 网络后，可以在p l c 中，实现定时( 如：每天、每班) 发送电子邮件，报告 设备的运行参数；异地远程的计算机，可以通过i n t e m e t 连接，通过w e bn a v i g a t i o n 功 能，进入压机控制系统，直接查阅现场设备的运行状态和历史数据。 ( 7 ) 上位机实现冗余配置： s i e m e n s 的p l c 系统，具有较高的稳定性；而上位机系统，因为有c p u 风扇、内 部芯片功耗较高等原因，难免会出