可自动调节曝光时间的曝光机控制系统设计

陈羽

（南京信息职业技术学院，江苏南京210023）

可自动调节曝光时间的曝光机控制系统设计

陈羽

（南京信息职业技术学院，江苏南京210023）

为了解决紫外光灯随使用时间的增加而曝光量不足的问题，研究设计了一套随曝光量而改变曝光时间的PLC控制系统。该系统由西门子PLC（S7-200）、模拟量扩展模块（EM231）、紫外接收模块、MT4000系列人机界面等硬件组成。介绍了自控式曝光机的电气系统构成及软件控制的设计方法。

曝光；PLC；人机界面；模拟量扩展模块

通用型曝光机的光源皆为紫外灯，开启光源，紫外灯发出UV波长的紫外线，照射到具有图像的透明胶片上，胶片的下方是涂有感光材料的基板，这样紫外光就透过胶片的透明部分，将图像信息转移到基板上。合理控制曝光时间决定了后道工序的成败，若曝光时间过短，则曝光量不足，基板上的感光材料经显影后会溶涨变软，甚至有脱落现象。当曝光时间过长，则基板上的感光材料经显影后变得坚硬发脆、甚至会有分段残留。

曝光机随着曝光灯的长时间的使用，光强产生衰退，使得曝光量不足，从而影响了产品的合格率。为了提高产品质量，可采用自动检测的方法，时刻采样光源的光强，根据光强控制曝光的时间，提高灯管的利用率，达到智能控制的效果。

1 控制要求

（1）曝光机工作流程

曝光机的硬件部分有：支撑框架、按钮主控面板、玻璃晒架、晒架电机、人机界面、灯箱、灯管冷却风扇、抽真空泵等。其工作流程如图1所示。

图1 曝光机工作流程图

（2）曝光机的控制要求[1]

1）按下“自动”按钮，曝光机对图1所示的工作流程反复操作。对于突发事件可以自动检测停止，或者通过按紧急制动按钮停止。

2）采用顺序功能设计，对各个操作实现安全步进，如当晒架没进入曝光室时，则不执行曝光相应的操作程序。

3）为防止灯管因开机温度过低而无法点亮，要求灯管两端电压达到300 V时启动冷却风扇。

4）曝光机停止运行后，风扇仍保持工作状态，经过5 min自动断电，以确保充分散热。

5）自动检测光源光强，根据光强控制曝光的时间。

2 硬件系统设计

（1）硬件系统配置

系统硬件配置框图如图2所示，主要由PLC模块、按钮开关系统、A/D转换模块、继电器输出模块等组成。根据设计的要求和输入输出信号的数量，选用了西门子S7-200系列CPU 224型可编程控制器。

图2 硬件系统配置框图

（2）电气系统设计

根据曝光机的工作流程及控制要求，设计了PLC控制系统方案。PLC的电气接线如图3所示，左边为行程开关、限位开关、命令按钮，均为开关量连接；右边的输出信号与继电器的控制线圈相连，控制输出器件的运行与停止；曝光时间的控制是通过EM231模块采样光源的光强来实现，此A/D转换模块具有四路模拟量输入和一路模拟量输出[2]，转换的中间链接是紫外接收传感器，它具有光电转换和信号放大作用。

图3 电气系统接线图

3 软件系统设计

软件系统的主程序采用顺序控制方式，它使电机、快门、真空泵等执行器件按设定的条件有序地运行。输出随着输入开关量的逻辑控制相对较为简单，这里不作赘述；晒架抽真空时间、风扇运行延时等各类时间控制由PLC内部定时器进行设定；曝光机的反复执行及对突发事件的检测会用到PLC内部的计数器，这些并不是本文的重点内容。这里重点要解决的是光强模拟量的处理及控制。

（1）硬件接线

PLC扩展模拟量模块的转换间无有隔离，使得模块本身的抗干扰能力相对较弱。但若将输入的参考端接到适当位置，则可以减小干扰[3]，其硬件接线如图4所示。

图4 A/D转换模块接线

（2）软件编程

S7-200的指令的处理速度较快，A/D转换的时间也很短，为微妙量级，且模拟量数值的灵敏度较高[3]，但在本控制系统中，由于曝光时间相对较长，为秒量级，因此对转换时间的要求并不高，可以采用多次采样取平均值的方法，来处理输入的数字量。UV光源的光强通过紫外接收传感器经信号放大调至后送到控制系统中，CPU通过模拟量扩展模块EM231从AIW0寄存器中读取输入值，求出多次采样的平均值，当平均值累加到设定值时，输出信号去关闭光源快门。

4 实验分析

在生产现场的实验调试时，通常采用云斯顿光密度理论来确定最佳曝光时间，此外还需要根据生产经验进行观察。实验过程中，使用的是一台ORC曝光机，其正常曝光时间为14 s，允许误差量为100 ms.但UV光源的光强是随着灯的老化而下降的，根据光能量的计算公式E=JT（E-曝光总能量，J-光的强度，T-曝光时间），在PLC编程时，将定时器的时间设定为100 ms，每隔100 ms采集一次光源的光强，光能量累加的总值以数值的形式存储在数字寄存器中，通过比较数值等PLC指令，使其与正常曝光时的总值进行比较，从而实现自动调节曝光时间的控制。

实验证明：该软硬件系统较全面地实现了自动曝光机的使用功能，通过现场修改PLC控制程序，可使曝光机的工作性能不断优化。经调试，系统运行稳定，测试结果达到了设计要求。

5 结束语

本系统完成了自控式曝光机的软硬件设计，介绍了曝光机控制系统的工作过程和光强采集处理的设计方法。采用顺序控制的编程思路，大大提高了设备运行的可靠性；创新性地将多次采样的平均值进行累加，使曝光时间得以自动调节。让人机界面与PLC进行数据共享，使得用户能够及时了解到曝光机的当前状态并加以有效控制。

[1]杨志锋.PCB曝光机自动控制系统设计[J].机电工程技术，2009，38（11）：43-45.

[2]吴震.基于S7_200PLC的炉温控制系统设计[J].电脑知识与技术，2010，6（20）：5630-5631.

[3]宋晓汇.S7_200PLC模拟量的使用[J].基础自动化，2000，7（6）：62-64.

Design of Control System for Automatic Time Exposure

CHEN Yu
（Nanjing College of Information Technology，Nanjing Jiangsu 210023，China）

In order to solve the problem that the exposure of ultraviolet lamp increases with the increase of time，a PLC control system is designed.The system is combined with SIEMENS PLC（S7-200），analog expansion module（EM231），UV sensor module，man-machine interface MT4000.This paper briefly introduces the design of the hardware and the software design method.

exposure；PLC；man-machine interface；analog expansion module

TP273

A

1672-545X（2017）06-0147-03

2017-03-03

陈羽（1979-），男，南京人，讲师，研究方向：电子技术。