微电子组装烘焙设备监控系统探讨

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摘要：微电子组装工艺会使用多台烘焙设备，对设备实施一体化监控，以提升工艺效率、提高质量控制水平和设备运行安全水平。监控系统采用RS485通信，可编程控制器（PLC）现场采集数据和实施控制，计算机作为上位机进行监控和数据信息处理。监控系统运行于复杂的工业现场，电磁干扰严重，易造成监控系统数据错误、误报警，甚至系统失效。一体化监控系统需进行抗干扰设计，其分析和设计是一个难点。文章针对多台烘焙设备工艺运行特点，采取抗干扰强的RS485通信、强弱电分开布线等硬件抗干扰设计。提供了一种简单的工艺阶段分类处理方法的软件抗干扰设计，实现了微组装多提烘焙设备一体化监控系统的稳定运行。

关键词：监控系统；PLC；抗干扰；RS485；烘焙设备

微电子组装技术被广泛用于航空、通信等领域。它是将微电子器件和微小型元件组装成电子组件、部件或系统的一种技术，包括集成电路工艺、PCB厚／薄膜工艺、互连工艺、微焊接工艺、高密度组装工艺等。烘焙工艺是微电子组装的关键工艺之一。烘焙工艺采用普通热烘箱，针对不同应用，设置不同温度、工艺时间，多台烘焙设备的集中共享方式会产生诸多问题。采用一体化监控方法，可以防止错误操作、监控设备状态、提升效率、预防质量问题和提高工作安全性（自动开关机）。监控系统的环境复杂、电磁干扰严重，易造成监控系统的数据错误、误报警，甚至系统失效。因此，一体化监控系统必须进行抗干扰设计，其分析与设计是难点［1］。本文提出了一种抗干扰设计方法，解决了微电子组装烘焙工艺设备一体化监控系统的稳定性问题。

1烘焙工艺设备一体化监控系统

根据应用要求设计的硬件结构如图1所示。上位机界面和监控程序基于组态软件开发，通过RS485与PLC通信［2］。系统的工作过程如下。通过扫码枪记录产品信息（与计算机数据关联），在计算机上选择烘箱及工艺程序，使能控制箱（避免温度、时间反复设置的错误）。将工件放入烘箱，启动控制箱按钮，烘箱开始工作（与计算机数据关联，避免烘箱选择错误）。人机界面和PLC安装在控制箱上，控制箱上的智能仪表与RS485总线相连。人机界面将将采集的烘箱温度数据传递给PLC。根据运行程序，PLC对各种异常情况进行判断处理，再将数据和判断结果通过RS485总线传递给计算机。若有异常情况，控制箱关闭烘箱，以保护产品和设备。计算机记录工艺数据和报警信息。若有报警信息，则电话报警。工艺结束时，PLC关闭烘箱电源，计算机保存工艺数据和报警数据，并上传到服务器。

2干扰源和干扰波传递路径分析

烘焙工艺设备的工作环境复杂，附近有大功率设备（上百kW回流炉）、13．56MHz等离子清洗机、强电磁场粘片机等。工作时，自身设备和外围设备均会产生较强电磁波，需要分析这些干扰源和干扰波传递路径。

2．1放电噪声

烘箱设备及控制箱使用接触器K和Ka。接触器触点在开关瞬间，可能产生火花放电而引起放电噪声［3］。

2．2电磁噪声

烘箱控温用的功率器件为晶闸管或其他电子功率开关。控温过程中，主回路上di／dt较大，线路或元件上的引线电感增大，导致瞬态电磁噪声增大。2．3数据干扰控温算法采用PID。在设备自身热偶检测到温度达设定值时，通过PID算法急剧降低加热功率。工件数量和热偶位置、加热丝位置、监控热偶位置等因素会造成温度检测的差异，产生数据干扰［4］。

2．4其他电磁干扰

烘箱风扇电机、开关电源、外围设备等可能引起交流电源波动、发射电磁波等。

2．5干扰波传递路径

系统的电磁干扰主要有静电耦合效应、电磁耦合效应和负载耦合效应等。各种设备或烘箱自身产生的电磁耦合效应进入监控系统，形成辐射干扰传递。干扰源通过监控系统、各类设备电源线与控制信号线的连接线，在导线中形成干扰传递路径。

3抗干扰设计

上述干扰对监控系统的稳定性、控制精度产生不良影响，甚至导致不能正常工作。在监控系统设计中迫切需要抗干扰设计。这些干扰的分析和测量109较难。一方面，可在系统运行后，根据运行效果，进行补充设计。另一方面，要考虑本机对外围设备的干扰。监控系统的电磁干扰抑制方式包括屏蔽、滤波、接地、电气布线、静电防护、软件抗干扰等技术［3］。本文研究采用了屏蔽、电气布线、接地和软件抗干扰等工艺。

3．1通信抗干扰设计

工业通信总线包括Profibus、CC－Link、Ethernet、Modbus、DeviceNet等。通信接口包括RS232、RS485、以太网、GPIB、USB、无线、光纤等。该监控系统设计时，选用带RS485的数字仪表和PLC。与计算机的通信选用RS485转USB的接口线缆。通信协议为ModbusRTU。数字仪表与PLC，PLC与计算机均通过RS485D连接，连接关系如图1所示。RS485通信在经济性、噪声抑制、传输速率、传输距离、挂接设备数量等方面具有优势。目前，许多智能仪表均采用这种通信方式。传输信号采用差分平衡传输方式，有良好的抗干扰能力。信号传输方式示意图如图2所示。图2信号传输方式示意图系统采用RS－485信号传输方式。原始信号S被分解成S＋和S－两条线路线，为：S＝S＋－S－（1）在接收端信号相减后，还原为原始信号S。设干扰信号为N，则在两条线路上都有干扰信号，即为S＋＋N和S－＋N。还原信号为：S＝（S＋＋N）－（S－＋N）＝S＋－S－（2）由式（1）、（2）可知，RS485差分平衡传输方式对空间电磁干扰、线间串扰、信号地干扰具有抑制作用。工业现场的环境复杂，仍需对通信系统进行干扰设计。主要干扰因素分析如下。因素1。智能仪表RS485接口只有R、T端，其与PLC无信号的地连接。当发送端发送信号时，输出共模电压为U1。本系统中的数字仪表和PLC地端未连接（地端1与地端2连接在一起），两个接地端存在电压差U2（接收端共模电压U＝U1＋U2）。因U2值较大，U值则可能超出RS－485电规范值，从而影响正常通信。因素2。数字仪表、PLC、计算机发送信号的共模部分需反馈回发送器。如果发送、接收通路中没有低阻通道，这些信号会以辐射方式返回发送端，造成较大的电磁干扰。因素3。在RS485通信时，线路阻抗不连续或阻抗不匹配会引起信号反射，造成数据混乱。因素4。布线上有电源线（烘箱额定电流达十几安，冲击电流达几十安）、控制线、热偶线、RS485通信线。这些布线及连接线均存在传导干扰（线间电压干扰／串扰和对地电压干扰）。这些干扰严重时，导致系统不能工作。多台设备采用的星形连接会产生反射信号，影响通信。针对因素1、2，数字仪表采用无信号接地端，不与PLC共同接地。RS485通信线采用有屏蔽层的双绞线，屏蔽层在PLC端与电源地相接［5］。针对因素3，在RS485端和第一个仪表的RS485端串接一个与电缆阻抗同值的终端电阻，减少信号在通信线缆中的反射。特征阻值为120Ω。针对因素4，将烘箱电源线与热偶线与通信线分别单独布线，且保持一定距离，避免平行布线。RS485总线上挂接的仪表采取手拉手的连接方式。本文系统的抗干扰设计示意图如图3所示。图3本文系统的抗干扰设计示意图系统布线的实物图如图4所示。多台烘箱的控制箱上设计有航插，实现手拉手的连线方式。每个烘箱的大电流电源线和控制线布线均布置在烘箱的背面底部、纵向方向。RS485通信线布线布置在烘箱上部。本系统在初次实验调试阶段，没有进行抗干扰措施。运行一段时间后，出现系统电话报警。严格按照抗干扰设计，安装运行后，系统一直正常工作。

3．2软件抗干扰设计

在数据采集系统的模拟设计时，可能遇到数据异常突变的情况。在强电应用下，模拟量是不可能突变的，数据突变明显是干扰造成的。工艺线上的监控电子设备较多，干扰条件复杂多样。应在软件方面采取措施，再结合硬件的抗干扰技术，达到更佳的效果。常规数据采集属于软件滤波［6］，算法非常复杂。简易滤波法中的平均值法方程式为：X＝1N∑Ni＝1Xi（3）将仪表采集的N个数据X取平均值，再将平均值作为需要的数据。限幅滤波法的方程式为：y＝y（k），｜y（k）－y（k－1）｜≤Ay（k－1），｜y（k）－y（k－1）｜＞A｛（4）将两次采集的数据y（k）和y（k－1）相减，其差值的绝对值与A进行比对。根据比对结果，判断应取哪一个值作为需要的数据。数字仪表的软、硬件抗干扰设计是厂商设计，不在此讨论。仪表软件的滤波参数的数字越大，滤波效果越好，但数据实时反应速度会变慢。需要在数字与反应速度之间进行折中。在监控系统调试阶段，未考虑软件的抗干扰设计。偶尔出现数据突变所致报警情况，可能是热偶受干扰、接地、与电源线距离近等因素。这种干扰瞬时产生，又瞬时消失。每台烘箱的全温区控制示意图如图5所示。编写PLC控制程序时，根据图5中不同的工艺阶段分类考虑，进行软件的抗干扰设计。这种方法简单、有效。图5全温区控制示意图Tmax为工艺超温报警温度。T3为工艺温度，T2是设定的工艺初始温度，也是低温报警温度值，T3一般比T2高3～5℃。T1为工艺温度锁温值（锁闭烘箱门温度和降温释放烘箱门温度）。t为工艺各阶段的时间。3．2．1温度突变升高的情况在t2时刻前，温度突变升高后，若Tpv（数字仪表采集的烘箱温度）≤T2，烘箱提前锁闭烘箱门，不改变工艺阶段。此时，不会产生不良后果，可以不管，数据很快恢复正常。在t2时刻前，温度升高（包含突变升高）后，若Tpv＞T2，在t0～t2时段内，温度值跳变，Tpv超过T2，工艺计时开始。温度突变消失且恢复正常后，温度值跳变，Tpv又低于T2，工艺温度低于低限，则报警。这种情况是一种误报，需要软件处理。当Tpv＞T2时，计算采集的温度与T2的差值，并根据差值来判断是否为干扰数据。Tpv－T2＝Tb（5）式中，Tb为采集实时温度与T2差值，Tpv（数字仪表采集的烘箱实时温度）。当Tb＞Tb1（突变极限参数），判定为温度突变。PLC算法程序中使时间继电器进行延时（实际使用中延时时间设为4s）。延时期间，保持突变前的温度数据。延时后，继续应用式（5）进行计算并再次判定。若恢复正常，则Tpv＝Tcv（Tcv烘箱温度记录数据），这就消除了干扰数据；若仍是Tb＞Tb1，则报警。当Tb≤Tb1，判定为温度正常升高到T2。考虑控温PID算法，温度达到T2时，加热功率变小，温度可能回落低于T2，如果不进行算法判断，认为工艺温度低于低限值，电话报警。采用与上述相同的延时处理方法。延时后，继续应用式（5）进行计算并再次判定，如仍为Tb≤Tb1，则报警。否则Tpv＝Tcv，工艺计时开始。在t2～t4工艺恒温阶段，温度突变，Tpv＞Tmax，采用与上述相同的软件延时处理法。延时后，如仍为Tpv＞Tmax，则判断为超温，电话报警。3．2．2温度突变降低的情况在t2时刻前，温度突变降低。这种情况不改变温度控制状态，不产生不良后果，可以不管，很快数据会恢复正常。在t2～t4工艺恒温阶段，温度突变降低，Tpv＜T2。在工艺升温或降温期间，若有实际温度突变降低，对工艺影响可忽略不计，在监控上可不予考虑。工艺恒温期间，若有温度突变降低，有两种情况：a．干扰造成的温度突变降低，数据很快恢复正常；b．烘箱故障或门突然被人为打开，则报警。对于情况b，采用软件算法处理。对情况a，采用抗干扰处理。计算T2与采集的温度差值，根据差值来判断是否为干扰数据。T2－Tpv＝Tb（6）当Tb＞Tb1，判定为温度突变降低。PLC算法程序使用时间继电器进行延时（延时时间设为4s）。延时期间，PLC继续保持突变前的温度，延时后，继续应用式（6）进行判定。若恢复正常，则Tpv＝Tcv，消除干扰数据。若仍为Tpv＜T2，则报警。当Tb＜Tb1，直接报警。在t4降温阶段，温度突变降低。这种情况会导致烘箱门提前解锁，不产生不良后果，数据很快恢复正常。以上是对干扰部分进行处理的情况。软件抗干扰局部PLC梯形程序图如图6所示。全温区不同阶段中，还有其他的控制算法处理，不在此详述。

4结论

微电子组装多台烘焙工艺设备一体化监控系统在基本功能调试时，若不进行抗干扰设计方法，会使系统误报警、RS485通信端自动关闭，造成监控系统无法工作。通过分析，监控系统采用了强弱电分开布线、通信线跨接终端电阻手、屏蔽层接地等硬件抗干扰设计，提出了一种按工艺阶段分类考虑的软件抗干扰设计。该设计方法简单、易行，有效消除了干扰数据，监控系统稳定运行，实现了一体化监控的目的。

作者：袁家军 莫贵涛 李杰 单位：中国电子科技集团公司第二十四研究所