微電子組裝烘焙設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)探討

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摘要：微電子組裝工藝會使用多臺烘焙設(shè)備，對設(shè)備實施一體化監(jiān)控，以提升工藝效率、提高質(zhì)量控制水平和設(shè)備運行安全水平。監(jiān)控系統(tǒng)采用RS485通信，可編程控制器（PLC）現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)和實施控制，計算機作為上位機進行監(jiān)控和數(shù)據(jù)信息處理。監(jiān)控系統(tǒng)運行于復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場，電磁干擾嚴重，易造成監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)錯誤、誤報警，甚至系統(tǒng)失效。一體化監(jiān)控系統(tǒng)需進行抗干擾設(shè)計，其分析和設(shè)計是一個難點。文章針對多臺烘焙設(shè)備工藝運行特點，采取抗干擾強的RS485通信、強弱電分開布線等硬件抗干擾設(shè)計。提供了一種簡單的工藝階段分類處理方法的軟件抗干擾設(shè)計，實現(xiàn)了微組裝多提烘焙設(shè)備一體化監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng)；PLC；抗干擾；RS485；烘焙設(shè)備

微電子組裝技術(shù)被廣泛用于航空、通信等領(lǐng)域。它是將微電子器件和微小型元件組裝成電子組件、部件或系統(tǒng)的一種技術(shù)，包括集成電路工藝、PCB厚／薄膜工藝、互連工藝、微焊接工藝、高密度組裝工藝等。烘焙工藝是微電子組裝的關(guān)鍵工藝之一。烘焙工藝采用普通熱烘箱，針對不同應(yīng)用，設(shè)置不同溫度、工藝時間，多臺烘焙設(shè)備的集中共享方式會產(chǎn)生諸多問題。采用一體化監(jiān)控方法，可以防止錯誤操作、監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)、提升效率、預(yù)防質(zhì)量問題和提高工作安全性（自動開關(guān)機）。監(jiān)控系統(tǒng)的環(huán)境復(fù)雜、電磁干擾嚴重，易造成監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)錯誤、誤報警，甚至系統(tǒng)失效。因此，一體化監(jiān)控系統(tǒng)必須進行抗干擾設(shè)計，其分析與設(shè)計是難點［1］。本文提出了一種抗干擾設(shè)計方法，解決了微電子組裝烘焙工藝設(shè)備一體化監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。

1烘焙工藝設(shè)備一體化監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)應(yīng)用要求設(shè)計的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機界面和監(jiān)控程序基于組態(tài)軟件開發(fā)，通過RS485與PLC通信［2］。系統(tǒng)的工作過程如下。通過掃碼槍記錄產(chǎn)品信息（與計算機數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)），在計算機上選擇烘箱及工藝程序，使能控制箱（避免溫度、時間反復(fù)設(shè)置的錯誤）。將工件放入烘箱，啟動控制箱按鈕，烘箱開始工作（與計算機數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，避免烘箱選擇錯誤）。人機界面和PLC安裝在控制箱上，控制箱上的智能儀表與RS485總線相連。人機界面將將采集的烘箱溫度數(shù)據(jù)傳遞給PLC。根據(jù)運行程序，PLC對各種異常情況進行判斷處理，再將數(shù)據(jù)和判斷結(jié)果通過RS485總線傳遞給計算機。若有異常情況，控制箱關(guān)閉烘箱，以保護產(chǎn)品和設(shè)備。計算機記錄工藝數(shù)據(jù)和報警信息。若有報警信息，則電話報警。工藝結(jié)束時，PLC關(guān)閉烘箱電源，計算機保存工藝數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)，并上傳到服務(wù)器。

2干擾源和干擾波傳遞路徑分析

烘焙工藝設(shè)備的工作環(huán)境復(fù)雜，附近有大功率設(shè)備（上百kW回流爐）、13．56MHz等離子清洗機、強電磁場粘片機等。工作時，自身設(shè)備和外圍設(shè)備均會產(chǎn)生較強電磁波，需要分析這些干擾源和干擾波傳遞路徑。

2．1放電噪聲

烘箱設(shè)備及控制箱使用接觸器K和Ka。接觸器觸點在開關(guān)瞬間，可能產(chǎn)生火花放電而引起放電噪聲［3］。

2．2電磁噪聲

烘箱控溫用的功率器件為晶閘管或其他電子功率開關(guān)。控溫過程中，主回路上di／dt較大，線路或元件上的引線電感增大，導(dǎo)致瞬態(tài)電磁噪聲增大。2．3數(shù)據(jù)干擾控溫算法采用PID。在設(shè)備自身熱偶檢測到溫度達設(shè)定值時，通過PID算法急劇降低加熱功率。工件數(shù)量和熱偶位置、加熱絲位置、監(jiān)控熱偶位置等因素會造成溫度檢測的差異，產(chǎn)生數(shù)據(jù)干擾［4］。

2．4其他電磁干擾

烘箱風扇電機、開關(guān)電源、外圍設(shè)備等可能引起交流電源波動、發(fā)射電磁波等。

2．5干擾波傳遞路徑

系統(tǒng)的電磁干擾主要有靜電耦合效應(yīng)、電磁耦合效應(yīng)和負載耦合效應(yīng)等。各種設(shè)備或烘箱自身產(chǎn)生的電磁耦合效應(yīng)進入監(jiān)控系統(tǒng)，形成輻射干擾傳遞。干擾源通過監(jiān)控系統(tǒng)、各類設(shè)備電源線與控制信號線的連接線，在導(dǎo)線中形成干擾傳遞路徑。

3抗干擾設(shè)計

上述干擾對監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制精度產(chǎn)生不良影響，甚至導(dǎo)致不能正常工作。在監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中迫切需要抗干擾設(shè)計。這些干擾的分析和測量109較難。一方面，可在系統(tǒng)運行后，根據(jù)運行效果，進行補充設(shè)計。另一方面，要考慮本機對外圍設(shè)備的干擾。監(jiān)控系統(tǒng)的電磁干擾抑制方式包括屏蔽、濾波、接地、電氣布線、靜電防護、軟件抗干擾等技術(shù)［3］。本文研究采用了屏蔽、電氣布線、接地和軟件抗干擾等工藝。

3．1通信抗干擾設(shè)計

工業(yè)通信總線包括Profibus、CC－Link、Ethernet、Modbus、DeviceNet等。通信接口包括RS232、RS485、以太網(wǎng)、GPIB、USB、無線、光纖等。該監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計時，選用帶RS485的數(shù)字儀表和PLC。與計算機的通信選用RS485轉(zhuǎn)USB的接口線纜。通信協(xié)議為ModbusRTU。數(shù)字儀表與PLC，PLC與計算機均通過RS485D連接，連接關(guān)系如圖1所示。RS485通信在經(jīng)濟性、噪聲抑制、傳輸速率、傳輸距離、掛接設(shè)備數(shù)量等方面具有優(yōu)勢。目前，許多智能儀表均采用這種通信方式。傳輸信號采用差分平衡傳輸方式，有良好的抗干擾能力。信號傳輸方式示意圖如圖2所示。圖2信號傳輸方式示意圖系統(tǒng)采用RS－485信號傳輸方式。原始信號S被分解成S＋和S－兩條線路線，為：S＝S＋－S－（1）在接收端信號相減后，還原為原始信號S。設(shè)干擾信號為N，則在兩條線路上都有干擾信號，即為S＋＋N和S－＋N。還原信號為：S＝（S＋＋N）－（S－＋N）＝S＋－S－（2）由式（1）、（2）可知，RS485差分平衡傳輸方式對空間電磁干擾、線間串擾、信號地干擾具有抑制作用。工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境復(fù)雜，仍需對通信系統(tǒng)進行干擾設(shè)計。主要干擾因素分析如下。因素1。智能儀表RS485接口只有R、T端，其與PLC無信號的地連接。當發(fā)送端發(fā)送信號時，輸出共模電壓為U1。本系統(tǒng)中的數(shù)字儀表和PLC地端未連接（地端1與地端2連接在一起），兩個接地端存在電壓差U2（接收端共模電壓U＝U1＋U2）。因U2值較大，U值則可能超出RS－485電規(guī)范值，從而影響正常通信。因素2。數(shù)字儀表、PLC、計算機發(fā)送信號的共模部分需反饋回發(fā)送器。如果發(fā)送、接收通路中沒有低阻通道，這些信號會以輻射方式返回發(fā)送端，造成較大的電磁干擾。因素3。在RS485通信時，線路阻抗不連續(xù)或阻抗不匹配會引起信號反射，造成數(shù)據(jù)混亂。因素4。布線上有電源線（烘箱額定電流達十幾安，沖擊電流達幾十安）、控制線、熱偶線、RS485通信線。這些布線及連接線均存在傳導(dǎo)干擾（線間電壓干擾／串擾和對地電壓干擾）。這些干擾嚴重時，導(dǎo)致系統(tǒng)不能工作。多臺設(shè)備采用的星形連接會產(chǎn)生反射信號，影響通信。針對因素1、2，數(shù)字儀表采用無信號接地端，不與PLC共同接地。RS485通信線采用有屏蔽層的雙絞線，屏蔽層在PLC端與電源地相接［5］。針對因素3，在RS485端和第一個儀表的RS485端串接一個與電纜阻抗同值的終端電阻，減少信號在通信線纜中的反射。特征阻值為120Ω。針對因素4，將烘箱電源線與熱偶線與通信線分別單獨布線，且保持一定距離，避免平行布線。RS485總線上掛接的儀表采取手拉手的連接方式。本文系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計示意圖如圖3所示。圖3本文系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計示意圖系統(tǒng)布線的實物圖如圖4所示。多臺烘箱的控制箱上設(shè)計有航插，實現(xiàn)手拉手的連線方式。每個烘箱的大電流電源線和控制線布線均布置在烘箱的背面底部、縱向方向。RS485通信線布線布置在烘箱上部。本系統(tǒng)在初次實驗調(diào)試階段，沒有進行抗干擾措施。運行一段時間后，出現(xiàn)系統(tǒng)電話報警。嚴格按照抗干擾設(shè)計，安裝運行后，系統(tǒng)一直正常工作。

3．2軟件抗干擾設(shè)計

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模擬設(shè)計時，可能遇到數(shù)據(jù)異常突變的情況。在強電應(yīng)用下，模擬量是不可能突變的，數(shù)據(jù)突變明顯是干擾造成的。工藝線上的監(jiān)控電子設(shè)備較多，干擾條件復(fù)雜多樣。應(yīng)在軟件方面采取措施，再結(jié)合硬件的抗干擾技術(shù)，達到更佳的效果。常規(guī)數(shù)據(jù)采集屬于軟件濾波［6］，算法非常復(fù)雜。簡易濾波法中的平均值法方程式為：X＝1N∑Ni＝1Xi（3）將儀表采集的N個數(shù)據(jù)X取平均值，再將平均值作為需要的數(shù)據(jù)。限幅濾波法的方程式為：y＝y(tǒng)（k），｜y（k）－y（k－1）｜≤Ay（k－1），｜y（k）－y（k－1）｜＞A｛（4）將兩次采集的數(shù)據(jù)y（k）和y（k－1）相減，其差值的絕對值與A進行比對。根據(jù)比對結(jié)果，判斷應(yīng)取哪一個值作為需要的數(shù)據(jù)。數(shù)字儀表的軟、硬件抗干擾設(shè)計是廠商設(shè)計，不在此討論。儀表軟件的濾波參數(shù)的數(shù)字越大，濾波效果越好，但數(shù)據(jù)實時反應(yīng)速度會變慢。需要在數(shù)字與反應(yīng)速度之間進行折中。在監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試階段，未考慮軟件的抗干擾設(shè)計。偶爾出現(xiàn)數(shù)據(jù)突變所致報警情況，可能是熱偶受干擾、接地、與電源線距離近等因素。這種干擾瞬時產(chǎn)生，又瞬時消失。每臺烘箱的全溫區(qū)控制示意圖如圖5所示。編寫PLC控制程序時，根據(jù)圖5中不同的工藝階段分類考慮，進行軟件的抗干擾設(shè)計。這種方法簡單、有效。圖5全溫區(qū)控制示意圖Tmax為工藝超溫報警溫度。T3為工藝溫度，T2是設(shè)定的工藝初始溫度，也是低溫報警溫度值，T3一般比T2高3～5℃。T1為工藝溫度鎖溫值（鎖閉烘箱門溫度和降溫釋放烘箱門溫度）。t為工藝各階段的時間。3．2．1溫度突變升高的情況在t2時刻前，溫度突變升高后，若Tpv（數(shù)字儀表采集的烘箱溫度）≤T2，烘箱提前鎖閉烘箱門，不改變工藝階段。此時，不會產(chǎn)生不良后果，可以不管，數(shù)據(jù)很快恢復(fù)正常。在t2時刻前，溫度升高（包含突變升高）后，若Tpv＞T2，在t0～t2時段內(nèi)，溫度值跳變，Tpv超過T2，工藝計時開始。溫度突變消失且恢復(fù)正常后，溫度值跳變，Tpv又低于T2，工藝溫度低于低限，則報警。這種情況是一種誤報，需要軟件處理。當Tpv＞T2時，計算采集的溫度與T2的差值，并根據(jù)差值來判斷是否為干擾數(shù)據(jù)。Tpv－T2＝Tb（5）式中，Tb為采集實時溫度與T2差值，Tpv（數(shù)字儀表采集的烘箱實時溫度）。當Tb＞Tb1（突變極限參數(shù)），判定為溫度突變。PLC算法程序中使時間繼電器進行延時（實際使用中延時時間設(shè)為4s）。延時期間，保持突變前的溫度數(shù)據(jù)。延時后，繼續(xù)應(yīng)用式（5）進行計算并再次判定。若恢復(fù)正常，則Tpv＝Tcv（Tcv烘箱溫度記錄數(shù)據(jù)），這就消除了干擾數(shù)據(jù)；若仍是Tb＞Tb1，則報警。當Tb≤Tb1，判定為溫度正常升高到T2。考慮控溫PID算法，溫度達到T2時，加熱功率變小，溫度可能回落低于T2，如果不進行算法判斷，認為工藝溫度低于低限值，電話報警。采用與上述相同的延時處理方法。延時后，繼續(xù)應(yīng)用式（5）進行計算并再次判定，如仍為Tb≤Tb1，則報警。否則Tpv＝Tcv，工藝計時開始。在t2～t4工藝恒溫階段，溫度突變，Tpv＞Tmax，采用與上述相同的軟件延時處理法。延時后，如仍為Tpv＞Tmax，則判斷為超溫，電話報警。3．2．2溫度突變降低的情況在t2時刻前，溫度突變降低。這種情況不改變溫度控制狀態(tài)，不產(chǎn)生不良后果，可以不管，很快數(shù)據(jù)會恢復(fù)正常。在t2～t4工藝恒溫階段，溫度突變降低，Tpv＜T2。在工藝升溫或降溫期間，若有實際溫度突變降低，對工藝影響可忽略不計，在監(jiān)控上可不予考慮。工藝恒溫期間，若有溫度突變降低，有兩種情況：a．干擾造成的溫度突變降低，數(shù)據(jù)很快恢復(fù)正常；b．烘箱故障或門突然被人為打開，則報警。對于情況b，采用軟件算法處理。對情況a，采用抗干擾處理。計算T2與采集的溫度差值，根據(jù)差值來判斷是否為干擾數(shù)據(jù)。T2－Tpv＝Tb（6）當Tb＞Tb1，判定為溫度突變降低。PLC算法程序使用時間繼電器進行延時（延時時間設(shè)為4s）。延時期間，PLC繼續(xù)保持突變前的溫度，延時后，繼續(xù)應(yīng)用式（6）進行判定。若恢復(fù)正常，則Tpv＝Tcv，消除干擾數(shù)據(jù)。若仍為Tpv＜T2，則報警。當Tb＜Tb1，直接報警。在t4降溫階段，溫度突變降低。這種情況會導(dǎo)致烘箱門提前解鎖，不產(chǎn)生不良后果，數(shù)據(jù)很快恢復(fù)正常。以上是對干擾部分進行處理的情況。軟件抗干擾局部PLC梯形程序圖如圖6所示。全溫區(qū)不同階段中，還有其他的控制算法處理，不在此詳述。

4結(jié)論

微電子組裝多臺烘焙工藝設(shè)備一體化監(jiān)控系統(tǒng)在基本功能調(diào)試時，若不進行抗干擾設(shè)計方法，會使系統(tǒng)誤報警、RS485通信端自動關(guān)閉，造成監(jiān)控系統(tǒng)無法工作。通過分析，監(jiān)控系統(tǒng)采用了強弱電分開布線、通信線跨接終端電阻手、屏蔽層接地等硬件抗干擾設(shè)計，提出了一種按工藝階段分類考慮的軟件抗干擾設(shè)計。該設(shè)計方法簡單、易行，有效消除了干擾數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定運行，實現(xiàn)了一體化監(jiān)控的目的。

作者：袁家軍 莫貴濤 李杰 單位：中國電子科技集團公司第二十四研究所