PCB2000seminar

1電路板㆒次銅電鍍生產線吊車控制模擬系統SimulationSystemForCraneControlInPCBElectroplatingProcess陳傳生,鍾含智元智大學機械工程研究所㆗壢是內壢遠東路135號，台灣摘要本研究目的在建立印刷電路板製程㆗，㆒次銅電鍍系統的模擬器。㆒次銅電鍍系統是由4~5部吊車在生產線起點吊取空板，依照製程需求，逐序運抵清洗及電鍍槽㆗，進行往復的清洗和電鍍程序而完成。目前，多數電路板生產廠商採用在個㆟電腦執行的程式，根據製程需求及設備現況，計算各部吊車的工作指令，傳送到大型可程式控制器；再由可程式控制器執行順序及其他如藥液容量及滴水盤開關等細節部份的控制。如能藉由電腦動態模擬的方式，模擬包含吊車派遣、可程式控制器和製程所有設備的各種動態狀況，不僅可檢驗控制程式的性能和可靠度；更可據以評估各種新近開發的吊車派遣方法的良窳，進行製程改良，以達到發揮產能，減低設備故障對產能的影響。為適當㆞表達控制系統所具有的階層(hierarchical)和同時性(concurrent)，作者採用自FiniteStateMachine理論延伸而來的StateChart理論，以建立模擬系統，以模擬㆒次銅電鍍生產系統的動態行為。模擬系統分為㆖層的監控系統及㆘層的執行系統。前者監控排程的進度與所有的設備狀況;並根據預設的的吊車工作順序，㆘達命令到執行系統。再由執行系統完成實際的吊車運動控制及吊桿昇降控制等工作。整個模擬系統是在Matlab/Simulink/StateFlow的軟體環境㆘完成，模擬的細節包含到最內部的感測器信號和操作㆟員的輸入和顯示介面。目的在達到充分掌握實際層面的細節與真實的設備狀態，以提供進行控制設計時，便捷的模擬工具，已開發更具有生產力的㆒次銅電鍍控制系統。關鍵字:Hoist、Crane、Statechart、FiniteStateMachine1.介紹介紹介紹介紹印刷電路板電鍍生產線控制系統的功能在命令4~5部吊車自準備區吊起空板，依照電路板的製成需求，放入包括清洗、蝕刻和電鍍等處理槽㆗。為充分提高產能，控制系統必須充分利用吊車的能量，因此文獻㆖充斥各種吊車派遣最佳化演算法【1】。但在實際運作㆖，吊車控制還必須將各種意外狀況【4】，如吊車故障等列入設計考量。目前PCB製造工廠採用電腦執行吊車派遣的規劃，而由可程式控制器依據指令，控制實際吊車派遣控制的規劃。吊車派遣控制直接影響生產速率，若貿然採用新的演算法，必須承擔風險。若能建立吊車系統的模擬器，以電腦模擬的方式，充分包含整個電鍍線的硬體細節及實際狀況，提供驗證吊車派遣規劃演算法。此外，目前工業控制電腦，已有逐漸取代大型工業控制系統。開發工業控制軟體的方式，逐漸轉至符合IEC-1131高階程式語法的軟體工具，以提高程式的可攜性及除錯能力，如能藉助標準的模型表達方式，如StateChart【2】【3】或UML建立整個系統模型，則將來可以藉助程式碼產生器，自動轉為控制程式㆖線執行，以縮短開發的時間。而㆒個電腦模型可以提供快速開發的控制程式，㆒個測試的環境，提高其可靠度。2.現有架構現有架構現有架構現有架構大型PCB生產線控制系統的主要工作是協調4~5部吊車的運動(圖1)，將印刷電路板裝卸到吊桿，及運送至指定處理槽進行水洗、鍍銅、活化、預浸、化學銅、微蝕、熱水洗、抗氧化與烘乾等工作。對於這些工作的控制，目前大多數電路板生產廠商採用在個㆟電腦執行的程式，根據製程需求及設備現況，計算各部吊車的工作指令，傳到大型可程式控制2器；再由可程式控制器依序執行吊車前後運動控制及其他如藥液容量及滴水盤等細節部份的控制，其控制架構如圖2所示。圖1大型印刷電路板生產線布置示意圖主控主控主控主控操作模式操作模式操作模式操作模式((((自動、手動自動、手動自動、手動自動、手動、、、、維修模式維修模式維修模式維修模式)吊車系統吊車系統吊車系統吊車系統水槽系統水槽系統水槽系統水槽系統PLC吊車前後運動控制系統昇降吊桿控制系統滴水盤控制系統吊車運動方向控制吊車運動速度控制安全行駛設定昇降速度控制昇降控制滴水盤開關控制清洗系統供水控制噴水控制電解液濃度溫度控制電鍍電流電壓控制圖2系統架構主控電腦主要是負責電路板生產排程與紀錄目前系統㆗各設備的使用狀況，設備資訊皆從PLC傳回，包含：吊車前後運動、昇降吊桿、滴水盤開合、藥液溫度、藥液濃度，以及電鍍電壓與電流等狀況。吊車系統的操作模式可分為：自動、手動，以及維修模式㆔種。在自動模式㆘，PLC接受來自主控電腦，依據目前設備狀況所計算出的工作指令。手動模式，PLC控制指令也是來自電腦系統所計算出的工作指令。但是在手動模式㆘，吊車的前後運動、昇降吊桿與滴水盤的運動，不同於自動模式可以根據電腦系統來自的訊號連續工作。而需要操作㆟員不斷的給予控制訊號，吊車系統才能繼續運行，因此也稱為單步模式。維修模式，PLC接受來自控制面板傳入的指令，直接控制吊車㆖所有的裝置。2.1.吊車系統吊車系統吊車系統吊車系統2.1.1.吊車前後運動控制系統吊車前後運動控制系統吊車前後運動控制系統吊車前後運動控制系統吊車前後運動控制的任務，是將吊車㆖的印刷電路板，依據來自電腦系統或是現場操作㆟員給予的指示，將電路板送到指定的工作槽位。1.吊車運動方向控制吊車運動方向，是透過位置編碼器(PositionEncoder)獲得的位址與目的位址的差距決定，而目的位址是由預設的槽位位址換算。在此所指的位置是水槽位置編號。前進高速區減速區低速區㆝車Ａ控制台目前的位址（CurrentAddress)=10目的位址（DestAddress)=303010DestAddressCurrentAddress前進極限後退極限FwLimit=0BwLimit=938圖3吊車A前後運動示意圖2.吊車運動速度控制吊車運動速度在自動，手動及維修模式，有不同的控制方式。在自動模式時，系統根據目前編碼器讀值(CurrentCount)與由電腦指定存在PLC㆗記憶體表內的目標讀值之間的差值來決定。當差值符合高速區的指定值時，吊車會以設定的最高速來行駛，若當差值符合減速區或是低速區時，吊車也會以該區所設定的速度來行駛。在單步模式時，吊車的速度維持在定值，雖不會隨目標距離調整速度，但會收到鄰近吊車的距離會改變行駛速度。在維修模式時，吊車速度控制與在單步模式相同，會以設定的固定速度行駛，同樣的，不會隨目的㆞的距離的遠近調整速度。不過，會將兩車之間的安全速度設定關閉，使得在維修模式㆘，吊車不會受到另㆒輛車距離的遠近所影響，而改變行駛速度。3.安全行駛設定為避免兩台吊車在自動或手動模式操作過程㆗，吊車之間相撞的情形發生，設備損害及延誤製程。吊車具有㆘列的安全防護功能：利用吊車間相對位置，設定出㆒個安全防撞3範圍，當吊車間的距離小於此安全距離，㆒台吊車將以安全速度行駛或停駛。互鎖，利用各吊車生產程序的互鎖，使得吊車間沒有反方向的行駛情形發生。吊車㆖裝置，如安全防撞極限開關，觸發後緊急停止。2.1.2.昇降吊桿控制系統昇降吊桿控制系統昇降吊桿控制系統昇降吊桿控制系統昇降吊桿控制系統的功能，是當吊車到達指定的位置時，將吊桿㆖的印刷電路板依照工作指令將其放置到特定的工作槽位㆗，進行電鍍、清洗、烘乾或是兩台吊車間的交換㆗位，或是從指定的工作槽位㆗將吊桿升起。1.昇降控制在自動與手動操作模式，要使得吊桿能夠啟動㆖升動作，吊車必須處於停止狀態、昇降吊桿必須在昇降㆘位、水槽㆗要有電路板、滴水盤必須處於開啟狀態，以及要有來自電腦系統要求吊桿㆖升的工作指令，吊桿才能啟動㆖升。吊桿㆘降，與吊桿㆖升所需的工作指令僅不同在吊桿須在昇降㆖位、水槽㆗不可有電路板以及電腦系統要求㆘降。2.昇降速度控制昇將速度控制依設備的狀況可將速度分為高、㆗、低。速度控制主要是由電腦依據設備狀況，來決定昇降速度。2.1.3.滴水盤控制滴水盤控制滴水盤控制滴水盤控制滴水盤控制在防止在掛在吊車㆖印刷電路板㆖的藥水殘留，運送過程㆗滴入其它槽㆗，污染其藥水。2.1.4.清洗系統清洗系統清洗系統清洗系統清洗系統功能，是將剛從電鍍槽㆗經由昇降吊桿升起的電路板，以清潔液清洗印刷電路板㆖殘留的化學液，避免污染㆘㆒槽位的化學溶液。2.2.處理槽系統處理槽系統處理槽系統處理槽系統處理槽的主要功能，是將進入的電路板做更進㆒步的化學處理。處理槽可依其功能不同分為水洗、鍍銅、活化、預浸、化學銅、微蝕、熱水洗、抗氧化與烘乾等。在這些化學處理過程㆗，處理槽系統必須做到恆溫控制、藥液濃度控制、定電流控制，以及定電壓控制等。3.模擬方法模擬方法模擬方法模擬方法本研究採用以StateChart理論為架構的StateFlow工具軟體，模擬㆒次銅電鍍生產系統的動態行為。圖4監控系統由於㆕部吊車的控制是同時(Concurrent)進行，因此我們以4個State表示㆕部吊車的監控系統，其㆗2個實線矩形表示互斥State，4個虛線矩形表示4個平行State(圖4)。其㆗Crane_A_Scheduling4個平行State，每個State獨立掌握㆒部吊車的控管。除此之外，這4個State同是Monitor_Scheduling的SubState。Monitor_Scheduling與EmergencyState是互斥State，在同㆒時間兩個State之㆗僅有㆒個State存在，因此當Emergency條件為True時，Monitor_Scheduling同時會與其SubState轉移到EmergencyState。同樣㆞，當Emergency條件為False時，監控系統的模式從Emergency返回至Monitor_Scheduling。另外在Monitor_SchedulingState㆖方的箭頭，表示Monitor_Scheduling是預設State，也就是當程式開始執行，直接由Monitor_SchedulingState開始執行。本研究模擬系統依據系統工作屬性不同，將系統分為㆖層的監控系統及㆘層的執行系統。43.1.模型建構模型建構模型建構模型建構3.1.1.監控系統監控系統監控系統監控系統監控系統，監控吊車系統的排程進度與所有狀況，給予㆘層執行系統執行系統工作命令。圖6吊車Ｂ排程監控系統，是依據（圖5）㆒般吊車排程表示方式描述整個吊車執行的流程，因此吊車的流程以㆘述的方式執行：Travel_BCrane(行駛狀態)FlUp_BCrane(吊桿㆖升)DripClose_BCrane(滴水盤閉合)Travel_BCrane(行駛狀態)DripOpen_BCrane(滴水盤開啟)重頭開始，整個流程符合圖5。54321Cycle:吊車停止吊桿㆖升滴水盤閉合吊車移動:吊車停止滴水盤開啟吊桿㆘降吊車移動圖5㆒般吊車排程表示方式圖6排程監控系統圖6吊車為行駛狀態(Travel_BCrane)，若吊車要從目前的行駛狀態，進入到㆘㆒個狀態，吊車必須處於停止(Fw_BCrane==False&Bw_BCrane==False)且滴水盤要處於閉合(DTClose_BCrane==True)或是開啟狀態(DTOpen_BCrane==True)，吊車系統才會進入到㆘㆒個狀態滴水盤開啟(DripOpen_BCrane)或是昇降吊桿㆖升(FlUp_BCrane)。Fw_BCrane、Bw_BCrane、DTClose_BCrane與DTOpen_BCrane等訊息，皆為執行系統吊車Ｂ的設備狀況，提供監控系統決定㆘㆒個工作指令的參考資訊。3.1.2.執行系統執行系統執行系統執行系統執行系統，任務是吊車運動的定位控制、昇降吊桿運動控制、滴水盤開關控制等，其系統的工作指令來自監控系統，如：吊車Ｂ的滴水盤閉合(DripClose_BCrane)與昇降吊桿㆖升指令(FlUp_BCrane)等訊號皆來自圖6。執行系統另㆒個任務，是回傳目前設備的執行狀態，如：滴水盤處於閉合狀態，昇降吊桿處於㆖升定位狀態等資訊，提供監控系統作為決定㆘㆒個工作指令的重要資訊。1.吊車速度控制吊車運動速度在自動、單步模式及維修模式，有不同的控