1 系統概述
1.1 真空灌膠的原理
真空灌膠系統[1]是在普通灌膠機的基礎上，通過控制真空泵的抽吸，使密封設備內的氣壓達到生產產品所設定的負壓值，然后開始灌膠，在灌膠的過程中進行分步灌膠，即不斷的泄壓注膠再泄壓再注膠，這個過程可以把注入到產品里的膠水氣泡都擠壓出來，從而實現真空環境下灌膠的方案。
1.2 控制系統的設計思想
控制器設計的硬件思路為根據灌膠設備空間的大小和真空度等工藝要求選擇合適的真空泵，還有控制真空抽吸的閥，以及泄壓是的控制閥等。其中真空泵的選型尤為關鍵，如果真空泵選型不對，將無法實現真空灌膠。真空泵的選型時，通過對工藝要求達到的真空度、抽氣速率和真空泵的噪音等因素的考量，為真空灌膠系統選擇合適的真空泵，以此實現真空的工藝指標[2]。
在生產過程中真空泵以及真空閥和泄壓閥協同工作，實現真空灌注的環境。當產品被放置在密封的設備內，抽真空的閥打開，真空泵開始抽吸，按照產品的工藝參數設置，使得真空達到設定值，實現真空注膠。
2 基于軟PLC的控制系統的組成和軟件
2.1 軟PLC簡介
基于成本考慮，選擇灌膠系統的控制器作為真空控制系統的控制器。主控制器上安裝的 TwinCAT軟件。TwinCAT是基于工控機的軟PLC。軟PLC是使用PC作為硬件支撐平臺，利用軟件實現硬PLC的功能，也就是將PC開放性和PLC的可靠性等優點結合在一起。同時，軟PLC 綜合了計算機和 PLC的開關量控制、模擬量控制、數學運算、網絡通訊和PID調節等功能，通過一個多任務內核，提供強大的指令集，快速而準確的掃描周期、可靠的操作和可連接各種I/O系統及網絡的開放式結構。
2.2 真空控制系統的硬件設計
2.2.1 真空控制系統的基本結構
真空灌裝系統主要由兩個部分組成灌裝部分和真空部分，控制器選擇安裝軟PLC的工業控制計算機，由于真空灌裝系統是在大氣壓灌裝系統的基礎上提出的新的工藝要求，所以本文主要討論真空控制系統的實現。基于成本的考慮，所以會將真空的硬件配置組合在灌裝系統中，這樣就可以和灌膠系統共用一個PLC, 也不需要單獨在灌膠系統和真空系統中配置通訊接口，這樣的配置方式使得真空控制系統更容易實現，使用起來更加方便。
真空控制系統的選用的硬件都是支持EtherCAT通訊的模塊，與灌膠控制系統的通訊方式一致，模塊包括包括總線耦合器、輸入輸出混合模塊、模擬量輸入模塊等，可以直接添加到灌膠系統的硬件結構中。真空控制系統的結構如圖1所示。
圖 1 真空控制系統結構圖
2.2.2 真空控制系統的電氣設計
為了設計成本和真空功能的實現，選擇了輸入和輸出混合的端子模塊，來實現抽真空閥、快泄壓閥、慢泄壓閥、門開關氣缸的動作和門開關傳感器的信號的采集等等。真空控制系統的電氣原理如圖2所示。
2.3 真空控制系統的軟件設計
2.3.1 真空控制系統的程序設計
在實現真空控制系統的工藝要求和控制策略的前提下，由于真空控制系統是屬于在灌裝控制系統中的一部分，在工件放入后將門關上以保證設備密閉，按照已經設定好的真空值對設備內部進行抽真空，當真空達到設定值的范圍內，可以對產品進行灌膠，為了滿足產品內沒有氣泡，需要邊灌膠邊泄壓。具體的控制流程如圖3所示。
圖3 控制程序流程圖
在整個自動化灌膠過程中，在真空值控制是慣性滯后比較大的對象且真空值的穩定性非常重要，會大大影響了產品不得灌裝效果以及產品質量。如果實際的真空值超出設定的范圍值，那么灌膠系統會立刻停止灌膠，且認為這些灌膠產品是壞件，會極大程度上影響產品的合格率和生產效率，這樣無法實現真空灌膠的優勢。為了實現真空系統控制的較好的品質和較高的穩態精度，在此選擇了算法不復雜且可靠性高的PID[2]控制方式。這里的PID控制是軟PLC中已經包含的標準功能，這樣可以大大節省實現系統的時間成本，而且標準的功能已經過較長時間的驗證，可靠性和穩定性相對比較完善。 這里PID功能的表達式為：
實現PID控制功能的程序模塊為：
IFBVacuum_PID(
ACTUAL:=LREAL_TO_REAL(i_lrCurrentVacuumValue),//當前真空值
SET_POINT:=rVacuumValue Setpoint,//真空設定值
KP:=rKP,//PID調節的比例參數
TN:=rTN,//PID調節的積分參數
TV:=rTV,//PID調節的微分參數
Y_MIN:= DINT_TO_REAL(i_diMin Vacuum),//真空值下限
Y_MAX:= DINT_TO_REAL(i_diMax Vacuum),//真空值上限
RESET:=xRESET,//復位
Y=>rVacuumValue//真空值
LIMITS_ACTIVE=>xlimitactive//監控上下限窗口值
OVERFLOW=>xoverflow)// 數值過大溢出
在生產和實際使用過程中，為了便于PID參數的調節和其他相關變量的設定修改，將這些變量存放在XML中，操作人員可以根據實際情況隨時對文件進行讀寫操作，這樣可以更好地發揮PID對真空控制的調節作用。
2.3.2 真空控制系統的界面設計
為了便于使用和維護，設計了真空控制系統的界面，如圖4所示。
圖4 真空控制界面
2.4 控制系統的調試與性能測試
2.4.1 系統調試
控制系統的調試分為硬件的檢查和軟件調試。 硬件的檢查包括電氣元件的正確安裝、接線正確等。 軟件的調試包括手動調試和自動調試。手動調試對真空控制系統中的單個子功能進行點動測試，而自動測試則是確保所有的程序按照軟件執行。若在調試的過程中發現問題，可以及時修改和完善程序。
2.4.2 性能測試
為了驗證真空控制系統的可行性，對比正常大氣壓下灌膠和真空環境下灌膠的效果，在相同的溫度、濕度的環境下，各生產20件產品，效果分析如表1。通過下表，可以看到，真空壞境下灌膠的產品氣泡只有15%，遠遠低于正常大氣壓下的75%， 說明灌膠過程中的氣泡問題被明顯改善了，所以此真空控制系統的可以滿足工藝要求。
表1 灌裝效果對比
3 結語
針對電子零件產品在正常氣壓下灌膠氣泡較多的問題，提出了在線式真空灌膠的控制系統。由于灌膠系統是真空灌膠控制系統的前提，所以本文只設計了真空部分的控制系統，并使用PID控制來實現。該真空控制系統可以保證產品固化以后的質量，且促進灌膠產品的新發展。
