张宏涛，王瑞娟

ZHANG Hong-tao，WANG Rui-juan

(郑州大学，郑州 450002)

0 引言

电子灌胶机是一种日用电子器具制造业的封胶灌装系统，它广泛用于各类高频电子线路、信号模拟电子模块、电力电子设备、照明电子设备等电子产品的局部或整体灌封。

目前国内市场上的电子灌胶机大多缺乏系统性的设计，采用的控制系统普遍为PLC+温控仪的方式，使得整机的控制协调性较弱，并且出胶控制设计简单，出胶量误差较大，实时性差。本文针对以上问题设计实现了一种采用PLC控制器和DSP处理器相结合的电子灌胶机控制系统。

1 电子灌胶机的组成和工作原理

电子灌胶机主要由加热系统、搅拌系统、出胶系统、保护系统和显示系统等组成。加热系统用于实现对黑胶材料的加热，并且在黑胶温度达到设定值后进行恒温控制；搅拌系统是在黑胶达到液态后进行搅拌控制，保证液态黑胶材料受热均匀，充分进行热交换；出胶系统是根据设定的出胶量控制出胶装置进行精确出胶；保护系统是对设备的安全运行提供全面监控；显示系统使操作人员通过人机界面对出胶量等一系列数据进行设定，并且可以对设备的运行状态进行显示。

电子灌胶机的基本工作流程如图1所示。

图1 系统工作流程图

2 电子灌胶机的控制系统

该电子灌胶机的控制系统采用了PLC控制器和DSP处理器相结合的方法构成整个设备的控制平台，其控制结构图如图2所示。

PLC（可编程控制器）是一种专门为工业现场应用而设计的数字运算操作的电子装置，它能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、功能强大、设计灵活，体积小，重量轻，能耗低等诸多优点，被选作该设备控制系统的主控制器。

图2 系统控制结构图

PLC作为逻辑动作和状态控制核心，主要完成整个系统控制流程的监控、与触摸屏和DSP进行通讯、驱动搅拌器的工作，并依靠通用工业产品的可靠性完善整机的执行安全性和稳定性，具体包括了各个系统的故障保护、过载保护、紧急停机保护以及安全继电器保护等。

DSP（数字信号处理器）是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，它可以实时快速地实现各种数字信号处理算法，并且具有高的运算精度和低的功耗。

DSP处理器作为控制系统的下层控制器，充分利用了DSP的实时能力、单指令计算能力进行控制算法的运算和事件处理，主要完成加热油和液态黑胶温度数据的采集处理、加热系统温度的恒温控制、出胶系统中出胶量控制算法运算和出胶控制等功能。

3 PLC控制设计

PLC 控制器选用的是西门子公司的S 7-300PLC，它作为整个系统的主控制器主要完成系统流程的控制，其基本工作流程如图3所示。

3.1 通讯设计

PLC的通讯设计主要是通过Profibus现场总线同触摸屏和DSP处理器进行数据通讯。Profibus现场总线是世界上应用最广泛的现场总线技术，它提供了DP、PA和FMS三种通讯协议方式，其中Profibus-DP是被设计用于现场级的快速数据交换，具有高速低成本的特点。使用该现场总线技术进行系统监控，可以很好地满足实时控制的要求，还能使用一对双绞线替代了传统的大量的传输电缆，减少了电缆的使用，节省费用，也能避免现场信号在长距离传输过程中的干扰。

图3 PLC工作流程图

3.2 搅拌控制

该电子灌胶机使用了一个小型电机和铝合金减速机构作为搅拌的动力源，当PLC读取的加热油温度达到黑胶液化温度时，便由PLC控制搅拌机构开启，并在PLC的每个扫描周期内通过检测装置检测搅拌机构的运行状态，保证搅拌不会处于堵转的状态。另外，当设备进入休眠模式后，PLC将关闭搅拌机构的运行，以延长搅拌机构的寿命和节能降耗。

3.3 保护设计

由于电子灌胶机中的加热油会在215℃的情况下发生热膨胀，从而产生1～2公斤的压力，所以设备采用了多重温控的安全保护系统，该保护系统由PLC控制器直接控制。PLC通过读取由DSP采集的加热油和黑胶温度以及检测外胆压力和压力泵运行状态来判断加热油的温度状态，这四重检测模式互相独立，防止系统互相干扰。

当检测到超温状态，任何一种检测模式均可以提前进行紧急停机，并发出警报，同时由PLC控制打开紧急放气阀对热膨胀后热传导油进行快速气体卸压。

4 DSP控制设计

DSP处理器选用的是TI的TMS320LF2809，系统时钟为150MHz，作为控制系统下层的控制器，其基本工作流程如图4所示。

图4 DSP工作流程图

4.1 加热控制

固体黑胶只有在受热后，才能变成粘稠的液体，实现对电子产品的封装。为了准确控制黑胶胶体的温度（设定值为155℃），使黑胶材料受热迅速均匀，减小局部分解的概率，加热系统采用了双闭环控制加热的方式，即通过对媒介加热油进行加热，实现黑胶的精确温控。加热系统的设计结构图如图5所示。

图5 加热系统设计结构图

图中标号1为用于存储黑胶的内胆；标号2为位于内胆外部的外胆，在外胆与内胆之间存储有加热油；标号3为外胆中设置的电热丝，用于加热液态加热油，由DSP处理器控制；标号4为位于内胆中的搅拌机构，由PLC控制器控制；标号5为出胶活塞缸，位于内胆的内部并且压于黑胶的液面上；标号6为活塞驱动机构，用于驱动出胶活塞缸中活塞的运动，由DSP处理器控制；标号7为出料管，贯穿于内胆和外胆；标号8为DSP处理器；标号9为设置于内胆和外胆中的温度传感器，由DSP处理器采集加热油和液态黑胶的温度数据。

加热控制由内外两个PID闭环组成，由于加热油的热惯量较小，反应较快，作为内环，其反馈信号为加热油反馈温度，设定值为加热油设定温度以及外环的输出结果；黑胶的热惯量较大，反应较慢，作为外环，反馈信号为黑胶反馈温度，设定值为黑胶设定温度。这样的设计可以实现液态黑胶温度精确的恒温控制，加热控制框图如图6所示。

图6 加热控制框图

根据加热控制框图所涉及的PID算法，在DSP处理器中转换成离散数字量的计算，充分利用DSP快速的乘加运算能力。在实际使用中加热控制的精度在正负1℃范围内。

4.2 出胶控制

出胶控制的工作原理是通过控制出胶活塞缸中活塞的运动行程改变黑胶容积来挤压出定量的黑胶。出胶控制算法的运算和柱塞泵的驱动控制是由DSP处理器完成，保证了较高的出胶精度和重复性。

控制活塞行程的计算公式如式（1）所示：

公式中L表示活塞行程，S表示活塞面积，G表示设定的单位出胶重量，ρ表示一定温度下的液体黑胶密度。

由于液体黑胶的密度ρ会随温度发生变化，所以假设液态黑胶的温度系数为α，ρ0为常温25℃时的液体黑胶密度，则不同温度下控制活塞行程的计算公式如式（2）所示：

柱塞泵中活塞的运动速度曲线如图7所示，图中的横轴表示活塞运动时间t，纵轴表示柱塞泵的活塞运动的速度V。

图7 活塞运动速度曲线图

活塞运动速度曲线使用MATLAB软件进行多项式拟合，其拟合公式如式（3）所示：

对活塞运动速度式（3）进行积分，可以得到活塞的运行行程如式（4）所示：

对式(4)进行转换可以得出单位出胶重量G和活塞运动时间t之间的对应关系如式（5）所示：

如果能精确控制活塞运动时间，就能准确控制活塞运动行程，从而达到精确控制单位出胶重量的目的。由于式(5)是单位出胶重量G和时间t之间的单调函数，没有十分复杂的计算，很容易用DSP处理器来实现。

由于DSP处理器是定点DSP，首先必须将浮点参数A0、A1、A2按照计算方法转换成定点参数，当DSP得到设定的出胶重量G，根据式（6）利用DSP的乘累加指令为单字节指令这一特点，快速计算出n，从而计算出活塞活动时间，即：

以此参数定时控制柱塞泵。出胶控制的实际测量误差在正负1克范围内，比其他同类型产品的正负5克出胶误差小很多。

4.3 温度数据采集

在整个设备工作过程中，DSP处理器会实时采集加热油和液态黑胶的温度，通过PID调节器恒温控制黑胶的温度，并将采集处理后的温度数据传送给PLC控制器，使PLC可以根据温度信息判断设备运行状态。为了简化电路减少干扰，温度传感器选用的是AD公司的数字温度传感器。

5 结论

该电子灌胶机的控制系统根据设备功能需求采用了上下两层的控制方式，充分利用了PLC控制器和DSP处理器的优势，并结合了自控、测控和过程控制多种控制方式，大大提高了整机的控制协调性，使系统具有较高的出胶精度和实时性，并且提高了整机的智能化和自动化程度。采用该控制系统的电子灌胶机产品已在很多电子产品制造厂使用，具有很高的用户评价。

[1]张宏涛.一种黑胶机定量出胶方法[P].专利申请号:200810041425.1.

[2]张宏涛.一种黑胶机定量出胶系统[P].专利申请号:200810041424.7.

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