面向覆銅板制造過程的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

夏躍偉，楊志強(qiáng)

（1.廣東科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，東莞 523000；2.黃淮學(xué)院 國際學(xué)院，駐馬店 463000）

0 引言

鋁基覆銅板作為高功率LED芯片散熱的主要材料，其表面性能和介質(zhì)均勻程度對LED服役壽命和發(fā)光效率有直接影響[1~2]。目前，在覆銅板的壓合過程中，導(dǎo)電層（銅箔）、介質(zhì)層和金屬基底在高溫密閉環(huán)境下均壓成型[3]，壓合參數(shù)（擠壓溫度、徑向壓力）通過有線變送控制，一定程度上可實(shí)現(xiàn)壓合過程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和在線控制。但是，由于現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備的多樣性，現(xiàn)場敷設(shè)線路較為繁雜，布線成本較高，在多設(shè)備狀態(tài)和生產(chǎn)過程的集約化管理上難度較大[4~5]。

鑒于此，為解決有線傳輸?shù)谋锥?，?shí)現(xiàn)鋁基覆銅板的連續(xù)制造，確保覆銅板質(zhì)量，本文針對加工參數(shù)（擠壓溫度、壓力等），建立面向覆銅板制造過程的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，對制造過程進(jìn)行遠(yuǎn)程在線控制，并為多設(shè)備信息的融合提供借鑒，便于實(shí)現(xiàn)車間多設(shè)備狀態(tài)的集約化管理。

1 面向制造過程的無線網(wǎng)絡(luò)框架

制造過程的遠(yuǎn)程監(jiān)控通過在現(xiàn)場布置多個(gè)無線傳感節(jié)點(diǎn)，利用ZigBee數(shù)傳技術(shù)，將采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳給監(jiān)控端，如圖1所示。生產(chǎn)現(xiàn)場的無線傳感節(jié)點(diǎn)組成Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無線終端節(jié)點(diǎn)采集并變送過程數(shù)據(jù)，經(jīng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，由總線鏈入上位機(jī)。

圖1 面向制造過程的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

無線終端節(jié)點(diǎn)由各類采集和發(fā)送模塊組成[6]，如擠壓過程的溫度傳感器、壓力傳感器、擠壓力度檢測等；路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)局部ZigBee節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立并協(xié)調(diào)無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并將無線終端采集到過程數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)采用MSP430F2002MCU，P7400-420信號(hào)調(diào)理電路，WZP-230 PT100溫度傳感器、DB105壓力傳感器和X-BEE-PRO型無線數(shù)傳模塊，如圖2所示。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)的總體結(jié)構(gòu)

1）微處理器主要把采集到的信號(hào)調(diào)制并轉(zhuǎn)化為可發(fā)送的高頻載波信號(hào)。各節(jié)點(diǎn)主控制器采用TI公司超低功耗MSP430F2002MCU，它自帶電源電壓監(jiān)控模塊，根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行提供5種低功率省電模式，如正常工況（2.2V）下，1MHz時(shí)鐘電流為200μA，意外斷電數(shù)據(jù)保持時(shí)，電流僅為0.1μA，很好的解決了MCU在工業(yè)應(yīng)用中的節(jié)能問題；同時(shí)，具有較快的喚醒反應(yīng)時(shí)間（≤1μs）和指令周期（62.5ns）；另外，片上集成多功能模塊，2個(gè)16位定時(shí)器，1個(gè)A/D轉(zhuǎn)換接口（200ks/s），較高的頻率校準(zhǔn)精度（±1%），配置有通用串口連接，提供SPI、I2C和調(diào)試接口。

2）傳感模塊包括覆銅板壓合過程溫度、壓力數(shù)據(jù)的采集和變送。壓合溫度采用具有適應(yīng)高壓環(huán)境的WZP-230 PT100溫度傳感器，在0~420oC范圍內(nèi)有較高的測溫精度；壓力傳感器采用耐高溫的DB105，測量量程為0~2.5Mpa，包含壓合過程壓力變化范圍。信號(hào)調(diào)理對采集到的數(shù)據(jù)濾波、放大并轉(zhuǎn)化為4~20mA電流信號(hào)，終端節(jié)點(diǎn)可選用P7400-420信號(hào)調(diào)理電路。

3）ZigBee數(shù)傳模塊將MCU調(diào)制待發(fā)的高頻載波信號(hào)經(jīng)目的路由ZigBee收發(fā)模塊發(fā)送到車間協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器通過RS232總線連接把數(shù)據(jù)上載監(jiān)控計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)ZigBee收發(fā)采用X-BEEPRO型無線數(shù)傳模塊，與MSP430F2011MCU通過串口通信，基本功耗約2mW，有效通信范圍達(dá)40m（滿足覆銅板制造車間無線組網(wǎng)范圍），提供合理的工業(yè)溫度適應(yīng)范圍和較高的射頻傳輸速率（250Kb/s）。

2.2 路由和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)將某制造環(huán)節(jié)（如覆銅板的壓合、覆銅板的厚度檢測等）采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)局部范圍內(nèi)測量節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)，其組成包括圖2中MSP430F2002MCU、X-BEE-PRO ZigBee和電源模塊。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)對制造車間數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)，并與上位機(jī)連接，對制造現(xiàn)場進(jìn)行在線監(jiān)控，其組成包括MSP430F2002MCU、X-BEE-PRO ZigBee、MAX232及電源模塊（5V、2.4V），如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)RS232通信

3 ZigBee組網(wǎng)主程序設(shè)計(jì)

ZigBee組網(wǎng)主程序是上位機(jī)面向制造過程數(shù)據(jù)選擇性采集和傳輸?shù)幕A(chǔ)，能根據(jù)實(shí)際的制造過程有選擇的喚醒并接受測量節(jié)點(diǎn)。首先經(jīng)初始化，協(xié)調(diào)器建立面向制造過程的無線網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)上位機(jī)設(shè)定監(jiān)控范圍（以物理地址為基準(zhǔn)），對應(yīng)范圍內(nèi)終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)[7]，如覆銅板制造環(huán)節(jié)，溫度、壓力、板厚度等測量節(jié)點(diǎn)被喚醒，對應(yīng)的物理地址經(jīng)校驗(yàn)滿足無線組網(wǎng)的服務(wù)設(shè)定，該制造環(huán)節(jié)的測量節(jié)點(diǎn)鏈入無線網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程

4 監(jiān)控系統(tǒng)測試分析

對于某鋁基覆銅板的制造，當(dāng)熱壓蒸氣溫度達(dá)到約150oC時(shí)，增大壓力到1.8MPa，壓合覆銅板，繼續(xù)升溫到170oC并保溫45min，之后降溫到80oC，取覆銅板。溫度工藝曲線如圖5（a），利用該系統(tǒng)測覆銅板制造過程的溫度變化曲線如圖5（b），實(shí)測溫度和壓力部分參數(shù)如表1所示。

圖5 覆銅板壓合工藝與實(shí)測溫度對比

表1 實(shí)測溫度和壓力值

通過該系統(tǒng)的監(jiān)測可知：

1）在覆銅板正常的制造過程中，所檢測數(shù)據(jù)與工藝曲線擬合度較高。由表1可知，并根據(jù)離散數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式可得給定工藝和實(shí)測加熱過程、保溫過程、降溫過程標(biāo)準(zhǔn)差，如表2所示。

表2 各階段工藝溫度與實(shí)測溫度標(biāo)準(zhǔn)差

對各環(huán)節(jié)離散程度分析，加熱過程、保溫過程、降溫過程工藝設(shè)定與實(shí)測標(biāo)準(zhǔn)差不超過3oC，考慮到溫度調(diào)節(jié)和控制的遲滯性，可說明測量值有較高的精度，滿足設(shè)定工藝溫度的誤差范圍[8]。

2）根據(jù)實(shí)測溫度和壓力數(shù)據(jù)，擬定采樣溫度和壓力數(shù)據(jù)各190組，實(shí)際得到溫度值187組，壓力數(shù)據(jù)185組，平均丟包率2.11%，在局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)具有一定的可信度[9,10]。

5 結(jié)論

利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)，有效實(shí)現(xiàn)覆銅板壓合過程的溫度、壓力等參數(shù)的在線采集，并通過實(shí)測驗(yàn)證，壓合過程溫度設(shè)定值與測量值標(biāo)準(zhǔn)差不超過3oC，丟包率滿足局域網(wǎng)可信通信的要求，使得通過上位機(jī)能實(shí)時(shí)監(jiān)控壓合過程數(shù)據(jù)變化，提高現(xiàn)場設(shè)備的集約化管理程度。該無線檢測系統(tǒng)成功運(yùn)行，可進(jìn)一步面向覆銅板的制造過程，以便實(shí)現(xiàn)原料制備、加工生產(chǎn)、成品檢測等多環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)采集和在線監(jiān)測。

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