一、引言
当前平板显示屏的应用范围越来越广, 小到智能手表、手机, 大到电脑显示屏、液晶电视。平板正在朝着大型化的趋势发展, 需求也越来越多[1]。提高产品良率, 降低产品损耗, 是提高平板产量的关键, 这对平板检测系统的分辨率、点位精度和稳定性都提出了更高的要求。
气浮式平板显示屏自动光学检测系统 (简称平板检测系统) 是一个复杂的集光机电于一体化的综合仪器, 主要由扫描成像单元、复检显微成像单元、传输运载单元、机械支撑单元、图像处理单元、控制单元和数据处理软件等单元组成[1]。当今自动控制技术已经广泛应用于工业生产、医疗设备、社会生活和军事等各个领域, 随着计算机技术和传感器技术的发展, 自动控制技术正在朝着数字化、网络化、智能化方向发展[2]。安川控制器是专门为工业生产设计的一种工业控制器件, 由于它可靠性强、适用性强、控制系统易实现, 所以在工业生产中得到广泛应用。为此, 本文针对平板检测系统采用了上位机+安川控制器的控制方式。
二、系统总体设计
图1为的平板检测系统的机械结构示意图。当上料区的光电开关检测到玻璃平板的到位信号后, 夹持对中装置便会对玻璃平板进行夹持对中。随后吸盘上升完成对玻璃平板的吸附, 吸附完成后两台直线电机驱动玻璃平板通过扫描成像区寻找缺陷。这一过程至关重要, 两台直线电机运动运动的不平稳和不同步会造成平板运动的不平稳, 从而导致平板变形或者损坏, 进而影响到扫描成像单元的成像精度。
所以实现两台电机的实时、同步控制是检测系统的重点。之后根据图像处理单元的处理结果, 若要复检, 复检电机驱动复检相机移动到缺陷区对缺陷进行更深一步的检查, 分析缺陷的类型和原因;若不需要复检, 两台直线电机驱动玻璃平板移动到下料区下料。
运动控制系统的总体方案如图2所示, 主要由机器控制器、人机界面上位机 (HMI) 、电机伺服单元和I/O模块组成。MP2300是安川公司推出的一款小型的机器控制器, 其基本模块集电源、CPU、SVB模块、218IFA模块多种功能于一身, 同时还有一个可选模块插槽, 利用此可选模块可以构筑适合用户设备的系统[3]。
安川运动控制器MP2300S具有较好的同步控制功能, 最多能实现16台电机的实时、同步控制。基于此, 本文选用MP2300S作为系统的机器控制器。由于检测系统需要大量的点位检测和控制, 可选模块并不能满足系统所需的点位数量要求, 所以拓展了IO2310模块, 该模块最多可以实现64个点位的I/O控制, 能够为仪器的运动控制提供所必需的点位控制。218IFA模块是MP2300S的通信接口, 通过MODBUS/TCP协议可以实现MP2300S和人机界面上位机的数据交换, 组成主从式控制系统。
三、控制系统软件编程
MP2300S是整个系统的核心控制单元, 主要完成仪器的信号采集、运动控制和系统的时序控制。MPE720[4]是安川控制器配套的编程工具, 将其安装在电脑上, 通过工业以太网技术就可以实现对MP2300S的监视和控制。MPE720可以创建三种程序:梯形图程序、运动程序和顺序程序。本系统主要采取梯形图程序和运动程序结合的方式, 梯形图程序主要负责系统的时序控制, 运动程序则以文本语言表述, 主要负责轴的运动控制。通过将时序控制和轴运动控制相分开, 降低了编程的难度。
(一) 系统时序控制
时序控制采用梯形图程序编写, 其流程图如图3所示。MP2300S通电工作后, 在第一个扫描周期内完成系统参数的初始化, 打开气压总阀, 该部分只执行一次。初始化结束后, 系统对电源电压、气压和电机状态进行自检。
初始化和自检通过后, 启动电机和主要的电磁阀、执行辅板服务程序, 为系统的运动提供必要的气浮条件。随后, 系统执行回原点程序。回原点结束后, 对检测到的警告、警报信息进行处理, 若没有错误, 系统开始等待上位机的指令, 根据指令进入相应的工作模式。
为了方便仪器的调试和后期的维修, 系统分为正常工作模式和工程模式。在正常工作模式中, 当上料区的光电开关检测到平板的到位信息后, MP2300S便会通过采集开关量的状态和输出信号完成夹持对中、吸盘上升、吸盘吸附、移动扫描、平板复检、去下料区下料、回上料区上料等一系列时序控制, 从而完成整个仪器的检测流程, 检测流程如图4所示。在工程模式中, 系统主要接受HMI发送过来的指令, 根据上位机的指令完成单个开关量、电机或者其组合动作的检测控制, 方便程序的调试和仪器的维修, 此时系统主要由HMI指令控制。
(二) 运动程序设计
运动程序主要负责轴的运动控制, 通过梯形图中的MESS[5]指令可以调用运动程序。MESS指令如图5所示, 其中Program NO.指定了所调用的运动程序编号, 本系统中为“MPM001”, Data中指定的地址 (MAXXXX或DAXXXX) 开始的4个寄存器, 被用作任务寄存器。本系统只用了前2个, 主要负责运动程序的监视和控制。除了任务寄存器外, 与运动程序相关的寄存器还包括手动控制寄存器和MPM001参数寄存器, 其分配如表1所示。
通过监视MA00400各个Bit位的数值, 可以获得运动程序MPM001的运行状态;通过改变MA00401各个Bit位的数值, 可以实现对运动程序MPM001的控制, 包括运行、暂停、和停止等。由于时序程序中需要多次调用MPM001, 需要对任务寄存器进行多次读写。为简化程序, 这里并不是直接对任务寄存器进行读写, 而是单独编写了一个MPM001控制程序, 通过手动控制寄存器MW00420启动运动程序, 对任务寄存器进行读写。系统中的3个电机轴要配合完成多种动作, MW00460是轴运动标识寄存器。在时序控制程序中对MW00460进行赋值, 运动程序中就可以通过比较MW00460数值编写相应的轴运动程序。
(三) 与上位机通信
仪器对整个系统的监测和控制都是在HMI上进行的, HMI需要时刻对MP2300S的寄存器数值进行读写, 因此MP2300S和HMI之间高速、高效、稳定的数据交换是整个系统的重要部分[6]。MP2300S的内置218IFA模块配有Ethernet接口, 通过该接口可以实现MP2300S与其他MP系列产品、HMI、PC或者其他公司的控制器之间的通信[4]。MP2300S作为主站时, 可以使用MSG-SND函数向从站发送信息;MP2300S作为从站时, 可以使用MSG-RCV函数接收主站发送过来的信息并响应。本系统中HMI作为主站, MP2300S作为从站, 两者置于同一个局域网内, 通过Modbus/TCP协议实现通信。Modbus协议是一种客户机/服务器的应用层报文传输协议, 通过和工业以太网相结合构成Modbus/TCP协议, 可以实现同一个Ethernet TCP/IP网络上连接的设备之间的通信[7]。寄存器MW00000～MW00099用于接收HMI的指令, 通过对接收到的指令进行解析从而执行相应的运动控制。同时, 控制器将整个控制系统的状态信息存入到MW00100～MW00199供HMI读取, 响应HMI的指令, 实现上位机对整个检测系统的监测和控制。
四、结束语
本文针对平板显示屏, 以安川控制器MP2300S为下位机, 设计了一套平板检测系统, 实现了多轴电机的同步、稳定控制和系统的时序控制, 完成了仪器的运动控制功能。同时, 实现了与HMI的通信, 为构建人机交互系统和仪器的远程监控提供的基础。
摘要：当前平板显示屏的需求越来越多, 其良率是人们关注的重点, 平板显示屏检测仪器的分辨率、定位精度和稳定性是提高良率的关键。本文提出了基于安川控制器的平板检测仪器运动控制系统, 实现了多轴电机的同步、稳定控制和系统的时序控制;同时通过以太网和MODBUS/TCP协议实现了控制器与人机界面 (HMI) 之间的通信, 为构建人机交互系统和仪器的远程监控提供了基础。
关键词：平板显示屏检测系统,运动控制,安川控制器,通信
参考文献
[1] 刘美津.自动光学检测仪器PLC运动控制技术研究[D].合肥:合肥工业大学, 2017.
[2] 何小虎.平板显示屏自动光学检测系统的运动控制技术研究[D].合肥:合肥工业大学, 2016.
[3] 株式会社安川电机.机器控制器MP2300运动模块用户手册 (新) [R].日本, 2014.
[4] YASKAWA.Machine Controller MP2000/MP3000 Series EngineeringTool MPE-720 Version7 USER’ SMANUAL[M].Japan:2012, 12
[5] YASKAWA.机器控制器MP-900MP2000新梯形图编辑器用户手册程序命令篇[M].China:2012, 04.
[6] 李洋.平板显示屏自动光学检测系统人机界面软件开发[D].合肥:合肥工业大学, 2018.
[7] 丛航, 孙昕, 欧阳劲松.基于Modbus协议的工业自动化网络规范--基于串行链路和TCP/IP的Modbus应用协议[J].仪器仪表标准化与计量, 2003 (01) :14-17+48.