時璇，胡子卿，孟超，楊敏

    (中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024)

    摘要：簡單介紹了高速自動電鍍生產線的系統功能，闡述了設計中的控制原理和方法，繪制了控制框圖和軟件流程圖，并指出了設計中的關鍵技術。

    關鍵詞：電鍍工藝；高速自動電鍍線；總線控制

    中圖分類號：TQ153.1+3文獻標識碼：B文章編號：1004-4507(2012)08-0044-06

    收稿日期：2012-06-04電鍍工藝通過在引線框架上鍍錫，保證集成電路元件的貼裝性能，使元器件的引腳能和線路板形成良好的擴散焊接。鍍層的質量影響產品的成品率和可靠性。作為封裝后道工序，電鍍設備需要滿足高效率、高可靠性等要求。

    傳統的電鍍工藝采用掛鍍方式。掛鍍線由一系列按照特定順序排列的鍍槽組成，每個鍍槽根據工藝要求配置整流器、加熱器、過濾機、陰極移動等外設。為實現自動流水線作業，掛鍍生產線設置若干行車搬運掛具。掛鍍線的行車行走路線需要特殊復雜的演算方法，實際運作中還必須防止各種意外狀況，不能隨意切換生產工藝；掛鍍線需要人工將料片用銅絲綁定在掛具上，每條生產線需要多名操作人員執行上下料的工作。因此，傳統掛鍍線存在技術水平落后、產能低，對環境及人身污染嚴重、電鍍質量差、合格率低等問題。

    高速自動電鍍線一般由兩部分組成，即傳送裝置和電鍍槽系統。電鍍槽系統采用子母槽結構，將母槽的溶液由泵提升至子槽，在子槽中對料片完成前處理、電鍍、清洗等工序，溶液再從子槽流回母槽。如此周而復始，保證電鍍過程的連續進行；傳送裝置采用環形設計，利用鋼帶式傳動結構和自動上下料系統，將料片依次浸入各工位鍍槽中。

    高速自動電鍍線具有如下特點：適合IC行業鍍件尺寸小、批量大的特點，采用高效率的連續電鍍生產方式，鍍速一般可達到7～8m/min；自動化程度高，控制準確，減少人為因素對產品質量的影響，可24h連續生產；鍍層質量高，最主要的鍍種為錫或錫合金，可滿足特殊的可焊性、導電率、一致性等要求；廢水量少，甚至可以達到零排放；全密封，無廢氣散逸，現場環境好。

    高速自動電鍍線是一個復雜的系統工程，涉及電鍍工藝、自動上下料、鋼帶傳輸控制、高壓水去溢料、整流器控制等課題。

    1·系統概述

    生產線工藝流程：自動上料→電解除油1→電解除油2→高壓去溢料→去氧化→噴淋、風刀→預浸→鍍錫1→鍍錫2→鍍錫3→鍍錫4→噴淋、風刀→中和→噴淋、風刀→熱水洗→烘干→自動下料→鋼帶退鍍1→鋼帶退鍍2→噴淋、吹干。生產線的布局如圖1所示。

    設備的主要技術指標：

    引線框架尺寸：長度：180～260mm，寬度：28～80mm；

    額定傳輸速度：6m/min,約1800條/h；

    最大傳輸速度：8m/min；

    鍍層種類：錫合金或純錫；

    框架材料：Cu194/Cu7025合金；

    鍍層厚度范圍：7～20μm；

    鍍層CPK：1.67；

    設備MTBF：>72h。

    2·電氣設計原理

    高速自動電鍍生產線采用總線控制方式，將設備控制分為三層：信息層、控制層和元件層。其中，信息層由工控機和主機PLC構成，組態軟件實時監控生產線狀態，并可通過配方選擇來切換生產工藝；控制層由主機PLC和上料機PLC通過ControlLink總線構成，進行高效、大容量的數據鏈接，實現高速連續自動上下料功能，同時保證料片間距在工藝要求范圍內；元件層是通過PLC使用DeviceNet總線采集傳感器信號，控制生產線的加熱器、柱塞泵、循環泵、電磁閥、鋼帶驅動電機等外設，保證工藝要求的溫度、壓力、循環量、電鍍時間等參數；使用485總線控制各工位整流器，實現電鍍過程中電流密度的控制。通過對電鍍電源的控制要求及控制方法的分析，討論了影響鍍層質量的關鍵因素，即通信協議宏的執行調度這一關鍵因素。采用分組調度算法對通信協議宏的執行順序進行改進，有效地提高了電鍍電源的實時響應性。同時，通過相關實驗得到了驗證。

    2.1電氣控制結構圖

    生產線20個工位分布在30m長的范圍內，傳感器、循環泵、加熱器以及整流器等外設分布較分散。為實現通過通信的數字化，并使時間分割、多重化、多點化成為可能，從而實現高性能化、高可靠化、保養簡便化、節省配線的現代設備柔性控制要求，生產線采用了總線控制方式，并將設備的控制分為三層。

    電氣控制結構圖如圖2所示。

    2.1.1信息層

    工控機和主機PLC構成信息層。工控機中運行組態軟件，完成實時監控、歷史數據查詢、配方選擇三大功能。通過232串口讀取PLC中數據，以動畫方式實時監控生產線的狀態，如泵閥控制、鍍槽液位、鋼帶速度、高壓水壓力、整流器輸出狀態等；生產線運行過程中，操作人員觸發的操作事件，工藝參數超出設定范圍觸發的報警事件，設備故障信息都保存在Access數據庫中，通過數據庫報表可以追溯每一產品的生產過程，便于質量管理；工藝員可以為每種產品定義生產配方，信息包括料片的長度、寬度、電鍍面積、電流密度、鋼帶線速度、高壓水設定值、溫度設定值、以及外設by-pass處理等，操作員只需選擇下載生產配方，生產線即可自動完成每種產品的上下料操作和工藝過程控制。

    2.1.2控制層

    主機PLC和上料機PLC通過ControlLink總線構成控制層，進行高效、大容量的數據鏈接。ControlLink總線數據傳輸最大速度為2Mbps，通信周期約34ms[15]。上料機PLC讀取主機PLC控制下的鋼帶線速度、啟停狀態、料片長度、寬度信息、料片通過距離等參數，控制氣爪準確貼料；上料機觸摸屏可監控整個生產線的運行狀態。

    2.1.3原件層

    PLC通過DeviceNet總線采集傳感器信號，并控制生產線的加熱器、循環泵、電磁閥等外設的執行；通過485總線控制各工位整流器的啟停、模式切換、電流電壓調節及狀態輪詢等操作。

    2.2自動上料

    要滿足封裝生產中的大規模生產需要，設備采用自動上料方式。采用自動上料系統的目的即為保證鋼帶連續不間斷夾取工件，提高上料速度，保證裝料的準確性，減少人為干擾。

    如圖3所示，上料采用前后料框輪換方式，自動推料、對齊，通過貼料氣爪將工件從料盒中自動取出并夾持在鋼帶上，且保證料片間的間距小于2mm。

    2.3鋼帶速度控制

    如圖4所示，全線傳輸機構的驅動系統由交流變頻調速器控制電機驅動傳輸主動輪、從動傳輸輪使運送料片的不銹鋼帶連續運轉，鋼帶速度：0～8m/min可調。  

    根據電機額定轉速、減速機速比及主動輪輪盤直徑，鋼帶線速度的控制轉換電機頻率的控制。PLC通過DA模塊輸出4～20mA模擬量控制變頻器，并通過旋轉編碼器閉環反饋鋼帶線速度。料片傳送過程中，落料、卡料檢測傳感器信號將強制中止鋼帶運行。

    2.4整流器控制

    電鍍是利用電解原理，使金屬或合金沉積在制件表面，形成均勻、致密、結合力良好的金屬層的過程。整流器通過如圖5所示的直流導電系統在溶液中形成電場。料片進入鍍槽后，溶液中的錫離子，在電位差的作用下移動到料片（陰極）上形成鍍層。陽極的金屬錫形成離子進入溶液，以保持被鍍覆的錫離子的濃度。   

    電流密度是電鍍工藝中最重要的參數之一，只能在有限的電流密度范圍內沉積出所要求性能的鍍層，因此整流器的控制是生產線最核心的技術之一。

    鋼帶運行且該工位鍍槽內有料片進入后，PLC向整流器發送啟動命令；鋼帶停止或該工位鍍槽內沒有料片時，PLC向整流器發送停止命令；該工位鍍槽內料片電鍍面積發生變化時，PLC向整流器發送電流電壓設置命令，及時調整輸出電流值；通過發送模式設置命令，可以切換整流器的控制模式，選擇穩流控制或穩壓控制；PLC發送狀態查詢命令，整流器將返回當前電流電壓輸出、控制模式等參數，如電流電壓值超出設定范圍將觸發報警事件。

    整流器的控制包括啟?？刂?、電流電壓調節、模式切換、輸出狀態輪詢等。由于鍍速達到8m/min，料片在很短的時間內即可完成鍍覆，因此整流器的實時響應能力對料片鍍層的一致性至關重要。

    2.5溫度控制

    在各工位的儲槽中，設置聚四氟乙烯加熱管，配套溫控模塊和Pt100組成溫度自動控制系統，采用ON/OFF模式控溫，并且設置了液位保護裝置，當溶液高度低于設定值時，液位保護報警，同時斷開加熱，防止液位太低，干燒加熱管至損壞；在烘干工位和熱水噴淋工位，采用PID模式控溫。

    2.6故障停機

    生產線運行過程中，實時監控各工位溫度、電流電壓值，超出工藝設定范圍則觸發報警事件并停機。低液位、卡料等傳感器信息也觸發停機報警。料片因故散落在鍍槽中，可能導致后續料片的堵塞，系統必須及時檢測出料片的散落工位并觸發停機報警。如圖6各個工藝槽位的進出口位置分別設置接近檢測開關，并在程序中設置FIFO隊列模擬料片進出鍍槽的過程。鋼帶上旋轉編碼器的脈沖信號執行插入操作，將入口處傳感器的狀態寫入FIFO隊列中，同時將隊尾刪除。比較隊尾記錄的料片有無信息，一旦和出口處傳感器的檢測狀態不符，則判斷有料片散落在鍍槽中，起到掉片檢測的功能。

    2.7現場總線Devicenet

    DeviceNet是具有優良施工性能的一種現場網絡，覆蓋廣闊的應用領域。從傳感器層到元件層，直到控制器層。各種控制器件，如PLC、機器人、傳感器和傳動器，能容易地連接到一個單獨的網絡中。這樣就能夠在設備和生產線的設計制造、安裝、調試、維護等各個制造現場的環節上降低成本，同時節約時間。通過到主站網絡的無縫連接，能向客戶提供PLP和SCM對策的進一步的附加值。

    隨國界概念在制造業中的不斷消失，世界上有了通過標準化來簡化配線工作，減少配線時間和提高配線精確性的需求。DeviceNet因為符合國際IEC標準和其它地方性和行業團體標準，已經有了這個無國界時代的制造行車所需要的標準化。例如，在世界上任何地方采購電纜時，你只需要采購DeviceNet專用電纜即可。用DeviceNet可以節省大量時間，因為在生產現場建造設備或組裝線時不再需要進行特殊配線規劃的特殊培訓或詳細的手冊，就能在不同國家或不同層次的工程師之間進行有效溝通。DeviceNet也是第一個通過了中國國家標準的多廠商網絡。

    DeviceNet是能夠將PLC、電腦、傳感器、驅動系統等各種控制設備簡單地進行相互連接的開放式現場網絡。使用DeviceNet不僅能夠通過節省配線來降低配線成本及維護成本，而且由于能夠連接不同廠家的DeviceNet兼容設備，因此設備的選擇范圍較廣，能夠構筑舒適且更經濟的系統。具有的特點：

    （1）節省配線。使用專用電纜可進行T分支及支線分支等自由配線，有助于縮減現場的配線成本及維護成本。

    （2）多廠商網絡。由于通信規格開放化，因此能夠連接國內外不同廠家的DeviceNet兼容設備。利用元器件及各種傳感器等的組合能夠支持現場級的各種應用程序。

    （3）遠程I/O通信和報文通信。DeviceNet不僅能夠進行遠程I/O通信，還能夠進行報文通信。可通過報文通信進行設備的設定及監控。

    （4）DeviceNet對設備外形進行了定義，因此保證了多廠商環境下設備的兼容性和可更換性。

    （5）在CPU單元和從站（不需在CPU單元中編程）之間進行自動數據傳送的遠程I/O通信。

    （6）使用特殊指令（IOWR和CMND）報文信息，可以在裝有DeviceNet單元的其他CPU單元發送讀/寫報文及控制操作。

    此外，根據子協議數據利用配置器能夠很簡單地進行各種設備的參數設定和監控。

    3·電氣控制的關鍵技術

    3.1溶液溫度的ON/OFF模式控制

    使用ON/OFF控制，首先要設定一個設定點。在反向操作時，達到設定值時溫度控制器將控制輸出轉為OFF，控制輸出關斷時系統溫度將開始降落。當系統溫度降到低于設定點時控制輸出將重新轉為ON，這種ON/OFF操作是圍繞設定點反復動作的。

    控制靈敏度設定決定在控制輸出重又轉為ON之前，系統溫度降落到低于設定點多遠，控制操作設定決定單元是用正向操作（冷卻）還是用反向操作（加熱）。用正向操作，操作量隨PV增加而增加；對反向操作，操作變量值隨PV增加而減小。

    ON/OFF控制中，ON和OFF切換產生一個穩定的遲滯環。遲滯環的寬度稱作控制靈敏度。

    3.2烘箱溫度的PID控制

    PID是比例（P）、積分（I）、微分（D）之意。標準PID的控制值是與偏差（設定值與實際值之差）、偏差對時間的積分、偏差對時間的微分，三者之和成正比。

    使用自動調整功能（AT）自動計算設定點運行的最佳PID常數。溫度控制單元使用有限周期法，通過強制改變操作變量來測定控制系統的特性。

    3.3高壓水壓力的PID控制

    實現高壓水壓力的PID控制，對有關參數作合理選定是重要的。PID控制參數，多是先確定采樣周期T，再比例系數K，然后為積分常數Ti，再就是微分常數Td。而且這些參數選定，多都是在憑經驗，在現場調試中具體確定。一般是，先取一組數據，將系統投運，然后對系統人為加一定擾動，如改變設定值，再觀察調節量的變化過程。若等不到滿意的性能，則重選一組數據。反復調試，直到滿意為止。

    4·結束語

    本文在闡述了高速自動電鍍線必要性的前提下，簡單介紹了設備的整體組成,工作原理和技術難點。通過對電鍍電源的控制要求及控制方法作分析，提出了影響鍍層質量的關鍵因素，即通信協議宏的執行調度這一關鍵因素。

    采用分組調度算法對通信協議宏的執行順序進行改進，有效地提高電鍍電源的響應實時性。同時，通過實驗得到了驗證。