Автоматизированная система контроля параметров технологических процессов на основе одноплатного микрокомпьютера

Выбор одноплатных компьютеров

Современное производство изделий электроники является сложным и многокомпонентным процессом, включающим множество технологических операций. Для обеспечения высокого выхода годной продукции необходим постоянный контроль режимов технологических процессов и параметров выпускаемых изделий. В настоящее время трудоемкость контрольно­измерительных операций достигает 50% от общей трудоемкости изготовления изделий. Поэтому проблема снижения трудоемкости контроля и повышения качества продукции не может быть решена без широкого применения автоматизированных систем контроля (АСК) и компьютерной техники. Наибольшую эффективность АСК дают в тех случаях, когда необходим сплошной контроль технологических или электрических параметров или при значительном проценте брака. АСК позволяют существенно увеличить эффективность производства, качество продукции, производительность труда, а также скорость и точность контроля параметров изделий, исключить субъективность оценок, уменьшить численность обслуживающего персонала [1].

Использование для АСК обычных офисных компьютеров в стандартной конфигурации сопровождается значительными финансовыми затратами, требует расширения зоны обслуживания оборудования и поэтому оправдано в условиях крупносерийного производства. Встраиваемые одноплатные компьютеры очень компактны, совместимы с внешними устройствами и отличаются низкой стоимостью.

На данный момент в мире существует большое число мини­компьютеров, среди них следует выделить модели Arduino, Raspberry Pi и Panda Board, поскольку они совместимы со сторонними устройствами и применяются в промышленности [2].

Arduino — аппаратная вычислительная платформа, основными компонентами которой являются простая плата ввода/вывода и среда разработки на языке Processing/Wiring. Arduino может как использоваться для создания автономных интерактивных объектов, так и подключаться к програм­мному обеспечению, выполняемому на компьютере (например, Adobe Flash, Processing, Max, Pure Data, SuperCollider) (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид компьютера Arduino

Panda Board — недорогой одноплатный компьютер на базе системы на кристалле Texas Instruments OMAP4430 (процессорные ядра ARM Cortex­A9), предназначенный для разработчиков программного обеспечения (рис. 2).

Рис. 2. Внешний вид мини-компьютера Panda Board

Raspberry Pi — одноплатный компьютер размером с банковскую карту, изначально созданный как бюджетная система для обучения информатике и впоследствии получивший намного более широкое применение и популярность, чем ожидали его авторы. Выпускается в двух версиях: «A» (256 Мбайт ОЗУ) и «B» (Ethernet, 512 Мбайт ОЗУ) (рис. 3). Разрабатывается Raspberry Pi Foundation.

Рис. 3. Внешний вид Raspberry Pi

Характеристики современных мини­компьютеров приведены в таблице.

Построение автоматизированной системы на базе мини­компьютера

Выбор в качестве основы для управления технологическими процессами одноплатного компьютера Raspberry Pi обусловлен низкой ценой и широкими техническими возможностями по сравнению с существующими аналогами. Данное устройство включает микропроцессор с архитектурой ARM11, 512 Мбайт оперативной памяти и встроенный графический процессор. Благодаря такой комбинации на Raspberry Pi можно решать ресурсоемкие задачи машинного зрения и искусственного интеллекта, а также задачи по управлению технологическими процессами.

Компьютер Raspberry Pi снабжен двумя портами USB2.0, HDMI и композитным видеовыходом, что позволяет выполнять контроль параметров технологических процессов без использования отдельного персонального компьютера. Управляющая программа составляется и тестируется на стороне Raspberry Pi в графической среде операционной системы Debian. Отдельно следует отметить наличие входов/выходов общего назначения и распространенных шин передачи данных: SPI, I²С и UART. Эти электронные интерфейсы значительно упрощают соединение с различными датчиками, индикаторами и исполнительными устройствами.

К Raspberry Pi подключается внешнее измерительное устройство: термопара с усилителем сигнала и АЦП. На рис. 4 представлена компоновочная схема Raspberry Pi Model B.

Рис. 4. Компоновочная схема Raspberry Pi Model B

Исходя из технических возможностей одноплатный компьютер Raspberry Pi является оптимальным выбором по характеристикам мощность/функциональность/цена. Мини­компьютер поддерживает встроенные библиотеки C++ и Python. Программа на С++ обладает высоким быстродействием по отношению к программе на Python, из­за чего уменьшается точность вычислений, таким образом для процессов, протекающих длительное время и с частыми изменениями, рекомендуется писать программы для контроля технологическими процессами на C++. Микроконтроллерное управление с применением одноплатных компьютеров позволяет гибко управлять технологическим процессом пайки за счет быстрой и простой смены программного обеспечения и малых габаритов устройств.

Для работы с Raspberry Pi нужна клавиатура и мышь с USB­интерфейсом. Необходимо подключить эти устройства к двум доступным USB­портам компьютера. Также потребуется вставить флэш­карту с операционной системой в соответствующий разъем, который отмечен на схеме устройства как SD Card.

При использовании внешнего дисплея с HDMI­интерфейсом сначала понадобится подключить HDMI­кабель дисплея к переходнику HDMIVGA, а затем присоединить этот переходник к HDMI­порту Raspberry Pi.

Рис. 5. Внешний вид Raspberry Pi при подключенных внешних интерфейсах

Для подключения питания к Raspberry Pi достаточно присоединить кабель блока питания к microUSB­разъему, а затем включить блок питания в сеть. Для подключения измерительного устройства к Raspberry Pi достаточно присоединить кабель к USB­разъему или же к отдельному выводу общего назначения. Raspberry Pi со всеми подключенными внешними интерфейсами изображен на рис. 5, 6.

Рис. 6. Внешний вид лабораторной установки на базе мини-компьютера Raspberry Pi

На флэш­карте, прилагаемой к комплекту, установлена операционная система Raspbian на базе Linux Debian. После включения устройства в сеть на дисплее отобразится информация о загрузке ОС в оперативную память. По завершении загрузки появится рабочий стол.

Контроль температурных профилей пайки

Для контроля технологического процесса пайки электронных модулей различными источниками нагрева разработаны две платы расширения: одна для обработки данных с термопары и вторая для контроля процесса пайки. Структурная схема измерения температуры при пайке SMD­компонентов изображена на рис. 7.

Рис. 7. Структурная схема измерения температуры:
1 — плата;
2 — усилитель сигнала с АЦП;
3 — мини-компьютер;
4 — дисплей;
5 — подложка;
6 — термодатчик;
7 — SMD-компонент;
8 — припой

Подключение ОВЕН ТРМ210 производится с помощью встроенного интерфейса RS‑485, однако необходимо преобразование интерфейсов из RS‑485 в USB, что реализуется автоматическим преобразователем интерфейсов USB/RS‑485 ОВЕН АС4 (рис. 8).

Рис. 8. Схема контроля термопрофиля пайки

Для контроля термопрофиля процесса пайки электронных модулей необходимо на рабочем столе компьютера запустить программу для визуализации графиков Graph. График будет строиться в режиме реального времени (рис. 9).

Рис. 9. Термопрофиль процесса пайки

Термические аспекты процесса пайки электронных модулей включают два основных требования [3]:

• паяемые выводы компонентов и контактные площадки платы должны быть нагреты до температуры, достаточной для смачивания их припоем;
• температура нагрева компонентов и подложек в процессе пайки не должна быть слишком высокой, чтобы влиять на их рабочие характеристики.

Поэтому для обеспечения высокого качества паяных соединений и минимального брака при монтаже электронных модулей необходимы технические средства контроля температурных профилей пайки, особенно в процессах, связанных со значительной долей ручного труда оператора [4].

АСК на основе мини­компьютера Raspberry Pi была применена для контроля термопрофилей пайки SMD­компонентов термовоздушной паяльной станцией AOYUE 852A, которая используется в опытном производстве, а также для ремонта и создания макетных образцов электронных модулей и оснащена различными видами сменных насадок для термофена и вакуумного пинцета, имеет цифровой контроль температуры и скорости воздушного потока.

При пайке SMD­компонентов на платы электронных модулей термофеном контроль температуры нагрева проводился для скорости потока 25 л/с и расстояния от сопла до подложки: 4, 10, 12 и 10 мм под углом в 60°. Термопрофили пайки термофеном приведены на рис. 10.

Рис. 10. Термопрофили пайки термофеном:
1 — 4 мм;
2 — 10 мм;
3 — 12 мм;
4 — 10 мм

Установлено, что с ростом расстояния до подложки скорость нагрева падает с 13–14 до 8–9 °C/с, что увеличивает время пайки с 17 до 25 с.

Для ИК­пайки испытания проводились при мощности ИК­лампы 750 и 650 Вт. Термо­профили ИК­пайки приведены на рис. 11. Скорость ИК­нагрева составила 5–6 °C/с, а время пайки увеличилось до 48–50 с. Однако в данном случае градиент температуры по плате снизился с 80–100 до 30–50 °C.

Рис. 11. Термопрофили ИК-пайки:
1 — 750 Вт;
2 — 650 Вт

Заключение

Автоматизированные системы контроля, созданные на основе микрокомпьютеров и оснащенные современным программным обеспечением, позволяют объективно и в реальном масштабе времени не только контролировать, но и поддерживать в заданных диапазонах необходимые технологические параметры, а также получать графические зависимости для наглядного отображения имеющихся данных и оптимизации режимов монтажа электронных модулей.