面向覆銅板制造過程的數據采集和實時監控系統

夏躍偉，楊志強

（1.廣東科技學院 計算機系，東莞 523000；2.黃淮學院 國際學院，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，其表面性能和介質均勻程度對LED服役壽命和發光效率有直接影響[1~2]。目前，在覆銅板的壓合過程中，導電層（銅箔）、介質層和金屬基底在高溫密閉環境下均壓成型[3]，壓合參數（擠壓溫度、徑向壓力）通過有線變送控制，一定程度上可實現壓合過程數據實時采集和在線控制。但是，由于現場生產設備的多樣性，現場敷設線路較為繁雜，布線成本較高，在多設備狀態和生產過程的集約化管理上難度較大[4~5]。

鑒于此，為解決有線傳輸的弊端，實現鋁基覆銅板的連續制造，確保覆銅板質量，本文針對加工參數（擠壓溫度、壓力等），建立面向覆銅板制造過程的無線傳感網絡，利用實時數據傳輸，對制造過程進行遠程在線控制，并為多設備信息的融合提供借鑒，便于實現車間多設備狀態的集約化管理。

1 面向制造過程的無線網絡框架

制造過程的遠程監控通過在現場布置多個無線傳感節點，利用ZigBee數傳技術，將采集到的生產數據傳給監控端，如圖1所示。生產現場的無線傳感節點組成Mesh拓撲結構，無線終端節點采集并變送過程數據，經協調器節點，由總線鏈入上位機。

圖1 面向制造過程的無線網絡拓撲

無線終端節點由各類采集和發送模塊組成[6]，如擠壓過程的溫度傳感器、壓力傳感器、擠壓力度檢測等；路由節點負責局部ZigBee節點的數據收發；協調器節點建立并協調無線傳感網絡，并將無線終端采集到過程數據發送到監控中心。

2 硬件設計

2.1 終端節點設計

終端節點采用MSP430F2002MCU，P7400-420信號調理電路，WZP-230 PT100溫度傳感器、DB105壓力傳感器和X-BEE-PRO型無線數傳模塊，如圖2所示。

圖2 終端節點的總體結構

1）微處理器主要把采集到的信號調制并轉化為可發送的高頻載波信號。各節點主控制器采用TI公司超低功耗MSP430F2002MCU，它自帶電源電壓監控模塊，根據現場設備運行提供5種低功率省電模式，如正常工況（2.2V）下，1MHz時鐘電流為200μA，意外斷電數據保持時，電流僅為0.1μA，很好的解決了MCU在工業應用中的節能問題；同時，具有較快的喚醒反應時間（≤1μs）和指令周期（62.5ns）；另外，片上集成多功能模塊，2個16位定時器，1個A/D轉換接口（200ks/s），較高的頻率校準精度（±1%），配置有通用串口連接，提供SPI、I2C和調試接口。

2）傳感模塊包括覆銅板壓合過程溫度、壓力數據的采集和變送。壓合溫度采用具有適應高壓環境的WZP-230 PT100溫度傳感器，在0~420oC范圍內有較高的測溫精度；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。信號調理對采集到的數據濾波、放大并轉化為4~20mA電流信號，終端節點可選用P7400-420信號調理電路。

3）ZigBee數傳模塊將MCU調制待發的高頻載波信號經目的路由ZigBee收發模塊發送到車間協調器節點，協調器通過RS232總線連接把數據上載監控計算機。系統ZigBee收發采用X-BEEPRO型無線數傳模塊，與MSP430F2011MCU通過串口通信，基本功耗約2mW，有效通信范圍達40m（滿足覆銅板制造車間無線組網范圍），提供合理的工業溫度適應范圍和較高的射頻傳輸速率（250Kb/s）。

2.2 路由和協調節點設計

路由節點將某制造環節（如覆銅板的壓合、覆銅板的厚度檢測等）采集到的數據轉發到協調節點，實現局部范圍內測量節點的組網，其組成包括圖2中MSP430F2002MCU、X-BEE-PRO ZigBee和電源模塊。協調節點對制造車間數據采集節點的組網，并與上位機連接，對制造現場進行在線監控，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 協調節點與上位機RS232通信

3 ZigBee組網主程序設計

ZigBee組網主程序是上位機面向制造過程數據選擇性采集和傳輸的基礎，能根據實際的制造過程有選擇的喚醒并接受測量節點。首先經初始化，協調器建立面向制造過程的無線網絡，經上位機設定監控范圍（以物理地址為基準），對應范圍內終端節點加入網絡[7]，如覆銅板制造環節，溫度、壓力、板厚度等測量節點被喚醒，對應的物理地址經校驗滿足無線組網的服務設定，該制造環節的測量節點鏈入無線網絡，如圖4所示。

圖4 網絡協調器組網流程

4 監控系統測試分析

對于某鋁基覆銅板的制造，當熱壓蒸氣溫度達到約150oC時，增大壓力到1.8MPa，壓合覆銅板，繼續升溫到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），利用該系統測覆銅板制造過程的溫度變化曲線如圖5（b），實測溫度和壓力部分參數如表1所示。

圖5 覆銅板壓合工藝與實測溫度對比

表1 實測溫度和壓力值

通過該系統的監測可知：

1）在覆銅板正常的制造過程中，所檢測數據與工藝曲線擬合度較高。由表1可知，并根據離散數據的標準差計算公式可得給定工藝和實測加熱過程、保溫過程、降溫過程標準差，如表2所示。

表2 各階段工藝溫度與實測溫度標準差

對各環節離散程度分析，加熱過程、保溫過程、降溫過程工藝設定與實測標準差不超過3oC，考慮到溫度調節和控制的遲滯性，可說明測量值有較高的精度，滿足設定工藝溫度的誤差范圍[8]。

2）根據實測溫度和壓力數據，擬定采樣溫度和壓力數據各190組，實際得到溫度值187組，壓力數據185組，平均丟包率2.11%，在局域網絡內具有一定的可信度[9,10]。

5 結論

利用無線傳感網絡，有效實現覆銅板壓合過程的溫度、壓力等參數的在線采集，并通過實測驗證，壓合過程溫度設定值與測量值標準差不超過3oC，丟包率滿足局域網可信通信的要求，使得通過上位機能實時監控壓合過程數據變化，提高現場設備的集約化管理程度。該無線檢測系統成功運行，可進一步面向覆銅板的制造過程，以便實現原料制備、加工生產、成品檢測等多環節數據采集和在線監測。

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