PLC关键技术（精选四篇）
PLC关键技术 篇1
随着社会的发展, 城市人口迅猛增长, 几十层甚至上百层的各种建筑层出不穷。高层建筑的建设, 为电梯工业的发展提供了良好的环境。电梯控制系统是电梯的重要组成部分, 根据电梯外部的呼梯信号和电梯目前的运行状态控制来控制电梯的运行。传统的电梯采用继电器控制, 但这种电梯控制方式的接线复杂, 故障率高, 因此逐渐被可靠性更高、更灵活的PLC控制方式所替代。
2 电梯控制系统总体设计
2.1 电梯控制流程设计
电梯的工作流程包括“呼叫”和“响应”两个部分。电梯的正常工作流程是:电梯在检测到门厅或轿厢的呼叫信号后将此楼层信号与轿箱所在楼层信号进行比较, 通过选向控制模块进行运行选向, 并通过拖动调速模块驱动直流电机拖动轿箱运动。轿箱的运动速度要先经过低速转变为中速再转变为高速, 并以高速运行至减速点 (在此过程中要尽量保持速度的平稳性) 。一旦电梯检测到目标层楼层检测点的减速点信号时, 电梯即进入减速状态, 由中速变为低速, 并以低速运行至平层点停止。平层后, 经过一定延时后开门, 直至碰到开关到位行程开关;再经过一定延时后关门, 直到碰到关门到位行程开关。电梯控制系统始终实时显示轿箱所在楼层。
2.2 总体结构设计
基于PLC的电梯控制系统总体结构设计如图1所示。
如图1所示, 其中PLC控制器负责电梯控制系统中所有信号的处理, 实现电梯运行状态的控制, 以及与PC上位机的通信, 是电梯控制系统的核心组成部分。PLC控制器以PLC芯片为核心, 检测电梯目前的运行状态, 并且在接受到用户的互梯信号之后, 对电梯的运行状态进行控制。
3 PLC控制模块设计
3.1 I/O点数分析
通过对电梯运行方式的分析, 计算控制系统中PLC模块的输入信号和输出信号数量。以一个5层的电梯运用案例为例, 其PLC模块的I/O点数分析如下:
3.1.1 输入信号
一个5层电梯应用中PLC模块的输入信号包括:
(1) 5个内部楼层输入信号, 对应用户想要前往的5个楼层;
(2) 8个外呼信号, 其中在1-4层每层通过一个向上按钮发送向上呼梯信号, 2-5层每层通过一个向下按钮发送向下呼梯信号;
(3) 分别在5楼顶部和1楼下部, 安装一个极限开关, 作为电梯故障时冲顶或者蹲底的最后防线;
(4) 分别在1-5层每层安设一个楼层感应器, 发送电梯位置检测信号;
(5) 轿厢内有开门和关门控制按钮, 发送轿厢开门或关门的用户指令;
3.1.2 输出信号
一个五层电梯系统中的PLC控制模块输入信号分析如下:
(1) 每一层的电梯厅外有一个表示电梯当前运行状态向上和向下的指示灯;
(2) 对用户在轿箱内输入前往楼层信号的反馈;
(3) 与8个外呼信号相对应的外乎信号反馈;
(4) 6个电梯门开门、关门信号的反馈;
(5) 报警铃控制信号;
(6) 一个BCD输出吗, 表示电梯目前所在的楼层。
根据前面对电梯I/O点数的分析, 以西门子S7-300芯片为例, 电梯控制系统的PLC引脚设计如表1、表2所示。
4 结束语
随着电梯工业的发展, 以及人们需求的提高。传统基于继电器的电梯控制系统已经越来越难以满足电梯维护简单、高速运行、运行舒适度的需求。而PLC的制造成本更低、逻辑更加接单、运行稳定、程序设计灵活, 为此, 基于继电器电梯控制系统开始逐渐被基于PLC的电梯控制系统所取代。在本文中以一个五层电梯控制系统为例, 对控制系统的西门子S7300 PLC的总体结构和输入/输出引脚进行了简单分析, 从而为电梯控制系统的完善, 以及电梯工业的发展提供一点帮助。
参考文献
[1]王子文.电梯PLC控制策略及其程序设计[J].起重运输机械, 2006, 7:2-3
PLC关键技术 篇2
关键词：PLC 理论 技术 电气工程
中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）010-030-02
可编程逻辑控制器（PLC）以其较高的可靠性和较强的抗干扰能力著称，同时还具有较为丰富的应用功能，并在自动化控制领域得到广泛的应用。随着社会的进步和科技的发展，人们越来越多的使用具有高技术含量的产品，因而PLC也就得到了广阔的发展空间。就目前来说，基于PLC技术的控制系统的开放程度越来越扩大化，并能够嵌入一系列较为先进和广泛应用的算法，用于提高PLC控制器的应用水平和应用范围。同时在面对日趋激烈的PLC发展挑战方面，其发展趋势正逐步向模块化和组件化进行。为了降低PLC的经济成本和人力成本，同时增加其控制的可靠性和稳定性，对其进行必要的策略制定，并以此为依据在其中嵌入先进的算法模式和组件具有重要意义。
电气工程专业同样关乎到国民经济和安宁稳定的重要因素之一，其发展直接影响到国家的长治久安，自建国以来，尤其是改革开放以来，一直受到各级政府、民间组织和个人的重视。而电气工程的自动化水平也能够大大提高其市场竞争力，为了满足其自动化控制程度，将PLC技术引入到电气工程中，与传统电气系统相结合，并投入广泛使用，大大加速了其生产效率，并提高了工作质量。基于此，本文主要介绍PLC技术在电子工程重点应用情况，以达到一定的参考意义。
1 PLC概述
1.1 发展历程
PLC控制技术与继电器控制、计算机控制及单片机控制有着本质的区别。其中，继电器控制设备主要采用硬接线逻辑，并通过继电器出头的动作表现。计算机控制技术则用于环境要求较高的实验室，同时具有丰富的计算机语言。单片机控制主要涉及到数据采集和工业控制，在配置上较为简单。而PLC控制技术与上述三者相比，利用代理内部存储器，并以程序方式将控制逻辑存储在内存中，通过半导体电路实现控制逻辑。不但如此，PLC能够在复杂的工业环境下进行工作，尽管控制语言较计算机相比较为单薄，但能够发挥较为良好的性能。同时，它更加适合工业现场的过程控制，也具有较高的可靠性和稳定性。
PLC技术最早由美国通用汽车公司在20世紀60年代，基于继电器控制系统体积大、耗电多等缺陷背景下，进行公开招标并研制成功，最后投入生产。随后的几十年发展过程中，诸如德国、日本等发达国家也相继引入PLC控制技术。包括西门子、松下等国际知名企业。在早期的PLC控制系统中，指令系统较为简单，通常只能完成顺序控制，并且只能够进行逻辑计算、计数和定时等功能。到了20世纪80年代，微机化PLC得到了发展，在理念、设计和价格上都发生了巨大的改变，同时又增加了函数运算、高速计数、浮点运算和中断计数等功能，使其应用领域和应用范围不断扩大和完善。
1.2 发展及应用现状
PLC控制技术自开发以来，经过了几十年的不断摸索，不但在传统的制造领域发挥着不可替代的作用，在其它诸如化工、能源、信息和机器人等领域都发挥着良好的优势和作用。其在电气工程专业中的应用主要有反应快、可靠性强、接线简单、功能强、灵活通用、体积小、重量轻、易于实现机电一体化等特点。
其在电气工程专业主要完成顺序控制、开关量控制以及闭环控制等功能。其中顺序控制是其核心的功能，也是发展最为成熟的功能；开关量控制属于电气工程专业另外一种辅助系统工艺流程控制，包括断路器控制和自动切换两种形式；闭环控制则包括泵类电机闭环系统和调速器控制系统。就目前来说，无论是PLC功能的发挥，还是不同类型，都在各自的领域发挥着重要作用。
2 PLC控制系统关键技术
现以某一电气工程领域基于PLC控制技术的控制系统为例，进行系统设计，并加以说明和介绍。
2.1 结构研究
PLC控制系统基本结构主要包括中央处理器、存储器、输入/输出接口及电源等部分，根据需要还可添加其它的辅助设备，如辅助控制设备等。中央处理器主要用于对数据进行分析，并对键入的用户程序和数据等信息进行接收、存储和处理；存储器的主要功能是对系统程序或者用户程序进行存储和修改；输入/输出接口与外界设备进行连接，进行数据或者信号的接受和发送；电源则对系统进行总的开——关电控制。图1为S7-300型的PLC控制系统结构图。
2.2 控制技术
一般PLC控制技术在电气工程中的工作原理与计算机相似，通过上电初始化；随后进行CPU自我诊断过程；进而进行网络信息处理过程；当准备工作结束，进行用户程序扫描，并开始输入/输出信息处理过程；若发现不安全或者不合理，则需要从CPU自诊断过程重新开始。对其中的编程语言可采用顺序功能图或者梯形图进行解说。顺序功能图是为满足逻辑控制而开发设计；梯形图则应用最为广泛，采用因果关系，方便、灵活、快捷。
PLC控制系统组成主要包括硬件部分和软件部分。硬件部分主要是PLC系统的技术载体，通常在这些硬件上发挥着不同的功能；软件部分则负责系统的功能，从而控制其进行不同的操作。
2.3 设计原则与设计步骤
在PLC控制系统的设计阶段，需要保证满足控制对象的工艺要求，并能够进行可靠性工作；同时保证PLC在所给条件下发挥最大的优势，经济、合理、提高性价比等原则，同时还要开发其扩展性，以在未来进行升级或者二次开发操作。最后的成品必须保证简单、实用，在日常的维护和修理上也要安全可靠。
电气工程中PLC控制系统设计过程主要包括以下几个步骤：
（1）对控制需求进行分析；
（2）确定输入/输出设备；
（3）选取合适CPL，以保证合理的分析效率；
（4）I/O合理分配，并绘制连接图；
（5）程序设计，先画流程图，再进行程序编写，力求简单、全面；
（6）模拟调试，在内部进行内侧；
（7）现场安装与配线装备；
（8）联机调试，进行工作地点实际操作；
（9）整理技術文档和日志。
2.4 硬件选择设计
对于PLC系统在硬件上的选取，需要遵循电气工程独有的特点，不但能够满足控制要求，还需要经济、合理、避免浪费。需要进行选择的硬件主要包括机型选择、I/O模块和点数选择、存储容量选择及特殊功能模块选择等。机型要满足电气工程现场的控制要求，属于控制主体；I/O模块及点数不但能够进行现阶段的合理工作，同时还能够进行未来的升级操作；存储容量则根据电气工程现场所需要存储的数据容量选取，可适当扩大；在特殊功能的模块选取过程中，包括A/D转换、D/A转换、高速计算等，在不同部门需要进行不同的论证和选取。如公式1所示，为其动态前馈控制器的简化公式。
3 应用实例
3.1 冲床应用
PLC控制系统在冲床中的应用，主要在于对冲床控制系统由原先的继电器控制发展到PLC为主的控制系统。而在应用的过程中，需要保证其能够完成控制任务，同时确定PLC输入点和最小化操作；并能使控制系统不断完善和使用便捷。在这一过程中，需要对其中所涉及到的控制原理进行研究并熟识；其次，应该采用各种渠道，以减少PLC输入点数量，包括简化操作和串联方式等；最后选择合适输出负载的电源类型，并允许新旧两种控制方式邮寄到结合，以共同完成生产任务。
3.2 注塑机应用
作为在注塑机改造活动中的重要工具，PLC控制技术占据不可替代的位置。在改造过程中，不但能满足其日常的生产工作，同时，基于PLC控制技术的注塑机改造也有较大的发展前景。在这一过程中，需要对其工作原理进行熟练掌握，进而提出合理改进方案。其中的核心任务是完成模块选取和I/O点数选取。例如：可采用2点模拟输入和4点K型热电偶输入等，并保证程序编制合理。
3.3 火电厂应用
PLC技术在火电厂中的应用，不但实现了火电厂发电系统的自动化控制，同时还节省了大量的人力和财力，并提高了生产效率。其中主要应用于煤炭的运输过程的控制，取得了长足的进展。
4 发展趋势
4.1 抗干扰性能增加
在未来PLC的发展道路上，电气工程专业的生产环境会越来越恶劣，其生产工况也越来越复杂，因此对于PLC控制技术的可靠性和抗干扰能力也需要得到相应的提高和发展，并将成为其主要的发展方向。
4.2 网络数字化提高
随着信息时代的到来，网络信息化和数字化得到了长足的进展，所有基于数字技术的方法和科学技术都得到了相应的提高，包括PLC控制技术。为了体现PLC原有的数字编程特点和先进性能，在未来的发展道路上，对于PLC网络数字化的发展必不可少。
5 结束语
综上所述，鉴于PLC技术的稳定性和可靠性方面所具有的优势，其在电气工程方面得到了广泛的应用和发展，同时，在应用和发展的过程中，系统的设计流程也得到了诸多的进步，包括冲床、注塑机以及发电厂方面，通过引入先进的思想与技术，都得到了应用和发展。然而PLC技术仍是一项不断进步和有待发展的技术，伴随着社会的进步。其在可靠性、稳定性以及数字化程度方面都需要发展和进步，本文就此也做了一定的阐述，对于此类问题具有一定的借鉴意义。
参考文献：
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PLC关键技术 篇3
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的自动控制装置, 具有体积小、组装维护方便、可靠性高及抗干扰能力强等特点。它不仅能实现逻辑控制, 而且还具有数据处理、通信及网络等功能, 因此, PLC在工业控制各个领域的应用非常广泛[2]。然而, 由于PLC是按照巡回扫描的方式进行工作的, 所以其程序设计方法与一般微控制器不同, 具有一定的特殊性, 特别是在实现复杂控制算法方面尤为如此。笔者在深入研究和实验的基础上, 总结出了PLC实现模糊控制算法的关键技术。
1 模糊控制算法主程序 (1)
PLC模糊控制系统结构如图1所示。传感器和变送器取得测量信号, 经A/D转换和模糊控制算法运算得到控制信号, 再经D/A转换和驱动后, 通过执行器实现被控变量的自动调节[2]。
由于PLC是按照巡回扫描方式工作的, 它在程序的末尾或开头与外设进行信息交换, 输入信息存入输入映像区, 输出信息从输出映像区传送给外设。所以, 对于来自现场的数据只能按照定时采集的方式进行处理, 即在每一扫描周期的开始或结束将现场数据采集到PLC中, 存放在PLC的存储单元内, 供程序调用。而闭环控制系统是按照香农定理确定采样周期的, 这个采样周期与PLC的巡回扫描周期不可能一致。为了能够进行定时采样, 或者说在PLC的巡回扫描周期内能进行输入输出信息交换, 就必须对PLC的编程技术进行研究。
PLC具有中断处理功能。它的中断处理方式主要包括输入中断、定时中断及计数中断等。对于输入中断, 只要PLC指定的输入端有信号输入 (即外设开关接通) , 不管扫描进行到何处, PLC将立即停止当前程序, 转去执行中断处理子程序;定时中断也称为间隔定时器中断, 它是利用PLC内部定时器设置定时时间并进行递减计时, 当达到设定时间 (即定时器设定值递减为零) , PLC立即停止当前程序, 转去执行中断处理子程序;计数中断是一种高速计数中断模式, 即对PLC指定输入端输入的脉冲信号进行高速计数, 当达到设定次数 (即计数器设定值为零) 时, PLC就中断当前程序, 转去执行中断处理子程序。因此, 利用PLC的中断处理功能, 就可以实现数据的定时采集和处理。
PLC实现模糊控制算法的程序主要包括现场数据采集程序、A/D转换控制程序、数字滤波程序、偏差计算程序、偏差变化率计算程序、数据查表程序、控制量求取程序及D/A转换控制程序等。若采用间隔定时器中断模式, 则将间隔定时器置于主程序中, 用于采样定时, 即将定时器的定时时间设置为采样周期;在中断处理程序中, 完成数据的A/D转换、数字滤波、偏差计算、偏差变化率计算、数据查表、控制量求取及控制量输出等功能。
系统启动后, PLC内部定时器开始计时, 当达到按照采样周期所设定的定时时间时, 立即中断主程序, 转去执行中断处理子程序。同时, 间隔定时器返回到初始设定值并重新进行递减计时, 重复上述过程, 完成数据的定时 (采样周期) 采集、处理和控制。
2 数字滤波程序
数字滤波的方法很多, 笔者将以平均值滤波为例, 介绍利用PLC软件设计数字滤波程序的方法和步骤:
a.选取用于存放A/D转换数据的数据存储单元, 其个数取决于控制精度的要求。
b.按照FIFO原则, 建立一个堆栈的结构。
c.将经过A/D转换的数据按顺序存放在所选的存储单元中, 首先利用数据传送指令, 将已获取的数据依次向前传送, 最末存储单元的数据自动丢失;然后将新进来的数据, 存放到第一个数据单元中。
d.对上述存储单元中的数据求平均值, 其结果作为本采样周期的采样值。
例如, 取4个数据分别存放在DM0000、DM0001、DM0002、DM0003存储单元中。在执行中断处理程序时, 首先将DM0002中的数据传送到DM0003存储单元中 (DM0003存储单元的数据自动丢失) 、DM0001中的数据传送到DM0002存储单元中、DM0000中的数据传送到DM0001存储单元中;其次, 将当前采样周期A/D转换数据传送到DM0000存储单元中;最后, 将4个存储单元中的数据求平均值, 并作为本采样周期的采样值。可以看出, 采用上述方法处理后, 参与运算的数据是当前采样周期采集的数据与前几个采样周期所采集的数据的平均值, 这样可以大大减小因硬件或扰动所带来的误差。
在实际程序设计中, 还需要利用PLC的比较指令对当前采样周期采集的数据进行限幅处理。如果某采样周期受到强烈扰动, 数据明显超出正常范围, 就必须剔除该数据, 用一个合理的估计值替代并进行运算。
3 查表程序设计方法的研究
在利用PLC编程语言编写模糊控制算法程序时, 首先要在离线状态下制作模糊控制表, 然后按一定的规则将模糊控制表存入PLC的数据存储单元中。当系统运行时, 通过在线查表及必要的运算求出控制量, 实现模糊控制。在这个过程中, 查表程序的设计具有关键性的作用。由于PLC与一般微控制器的编程语言不同, 因而, 其程序设计方法具有一定的特殊性。下面以二维模糊控制器为例, 介绍查表程序的设计方法。
设二维模糊控制器的两个输入分别为偏差e和偏差变化率ec, 输出量为被控参数的控制量u, 偏差、偏差变化率和控制量的整数论域均为[-6, +6]。可以求出, 模糊控制表 (表1) 将有169个元素构成, 并按照13行13列排列。
为了便于PLC的运算和查表, 首先将负数论域均转换为正数论域, 即将[-6, +6]论域分别加上6转变为[0, +12]论域, 于是得到偏差e、偏差变化率ec和控制量u的论域分别为:e=[0, +12], ec=[0, +12], u=[0, +12]。
选择PLC中的连续数据存储区域, 如DM0000、DM0001、DM0002、…、DM0167、DM0168, 共计169个存储单元。其中DM0000、DM0001~DM0012对应模糊控制表的第1行;DM0013、DM0014~DM0025对应模糊控制表的第2行, 依此类推, 共计13行, 每行有13个元素。
由表1可以看出, 偏差e和偏差变化率ec的论域与数字存储单元的编号之间存在如下关系:
存储单元编号=e+13×ec
由上式可以看出, 只要求出e和ec, 就可计算出存储单元编号, 然后利用PLC的间接寻址指令就可以获取存储单元中所存储的数据, 将该数据乘以比例因子即可得到输出量u。
4 偏差变化率计算程序
利用PLC计算偏差时, 其结果可能是正数, 也可能是负数, 这就导致存储在存储单元中的数据可能是原码, 也可能是补码。因此, 在计算偏差变化率时, 首先必须判断存储单元中的数据是否为补码, 否则将会出现错误的结果。下面以二维模糊控制器设计为例, 介绍偏差变化率计算程序的设计方法 (设当前采样时刻的偏差为e (k) , 前一采样时刻的偏差为e (k-1) ) 。
若e (k) >0, 存储单元中的数据为偏差值原码, 而e (k-1) 与e (k) 的大小关系为e (k) >e (k-1) , e (k) =e (k-1) , e (k)
如果e (k) ≥e (k-1) , 并且e (k-1) ≥0, 则直接进行减法运算, 偏差变化率是正数;
如果e (k) ≥e (k-1) , 并且e (k-1) <0, 则存储e (k-1) 单元中的数据为补码, 这种情况一般不会出现, 即使出现, 其运算结果也将产生溢出;
如果e (k) ≤e (k-1) , 并且e (k-1) ≥0, 则直接进行减法运算, 偏差变化率是负数;
如果e (k) ≤e (k-1) , 并且e (k-1) <0, 则e (k-1) 的补码大于e (k) 。此时, 需先将e (k-1) 变成原码, 然后进行加法运算, 偏差变化率将是正数。
若e (k) <0, 则存储单元中的偏差数据为补码, 而e (k-1) 与e (k) <0之间的大小关系为e (k) >e (k-1) , e (k) =e (k-1) , e (k)
如果e (k) ≥e (k-1) , 并且e (k-1) ≥0, 则先进行减法运算, 然后再将计算结果转换成原码, 偏差变化率是负数;
如果e (k) ≥e (k-1) , 并且e (k-1) <0, 则直接进行减法运算, 偏差变化率是正数;
如果e (k) ≤e (k-1) , 并且e (k-1) ≥0, 则e (k) 存储单元中的数据为补码, 这种情况一般不会出现, 即使出现, 其运算结果将产生溢出;
如果e (k) ≤e (k-1) , 并且e (k-1) <0, e (k-1) 和e (k) 存储单元的数据均为补码, 并且e (k-1) 的补码大于e (k) 的补码, 此时, 首先进行减法运算, 然后将运算结果转换成原码, 偏差变化率是负数。
按照上述处理方法, 并合理运用PLC的进位标志就可以编写出偏差变化率的计算程序。
5 锅炉液位模糊参数自适应PID控制
依据上述研究成果, 利用PLC梯形图语言编写了模糊参数自适应PID控制算法程序[3~5], 并在长春工程学院电气与信息工程学院的过程控制实验室进行了锅炉液位控制实验。
实验系统主要是由小型锅炉、循环水泵、高位溢流水箱、水槽、切换阀组及管道等组成的供排水系统, 采用OMRON的CPM2A小型PLC作为控制器。其主要实验条件为:
系统工作时, 通过液位传感器和变送器, 将液位信号转换为1~5V电压信号送入A/D转换器MAD02中, 经A/D转换后存入PLC数据存储单元;通过与给定信号比较运算得到偏差信号, 经PLC进行模糊运算、处理后, 得到输出控制信号u (k) ;将u (k) 经D/A转换形成标准的4~20m A电流信号送往电动调节阀中, 通过电动调节阀调节管道的流量, 从而实现锅炉液位的自动调节。
设定锅炉的液位变化范围为0~400mm, 对应液位检测变送器的输出信号为1~5V, A/D转换器的输出信号为0~256 (十进制) 。当给定值为80H时, 对应液位为200mm, 测得实验数据为:稳态误差Ess=2.1mm;超调量δ=14%;调节时间ts=28s;峰值时间tp=13.5s。
6 结束语
笔者以小型PLC为控制器, 在对模糊控制算法关键技术研究的基础上, 编写了锅炉液位模糊参数自适应PID控制程序, 并将其应用于长春工程学院电气与信息工程学院的过程控制实验系统的锅炉液位控制。在线运行过程中通过模数转换、偏差和偏差变化率计算、模糊运算及数据查表等完成了对PID参数的在线自校正, 实现了锅炉液位的定值控制。实验结果表明:无论是动态指标, 还是静态指标, 都比常规PID控制优越, 并且实现了PID参数在线自整定。
参考文献
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PLC分路器关键生产工艺的研究 篇4
平面光波导 (PLC) 分路器主要用于终端到用户点的分支及节点连接, 在以无源光网络 (PON) 技术为主力的通信市场得到了极为广泛的应用。相比熔融拉锥型分路器, PLC分路器的技术成熟, 在性能上具有以下特点:损耗对传输光波长不敏感;分光均匀;结构紧凑、体积小;单只器件分路通道多;多路成本低, 且分路数越多, 成本优势越明显[1]。近几年, 国内PLC分路器生产厂商呈现爆炸式增长, 但随着PLC分路器价格的持续走低, 许多厂商为了降低成本, 牺牲了PLC分路器的品质, 使其难以满足YD/T2000.1—2009《平面光波导集成光路器件第1部分:基于平面光波导 (PLC) 的光功率分路器》标准要求以及各大运营商自行制定的各项标准要求, 更别谈满足Telcordia的Bellcore GR-1209-CORE和Bellcore GR-1221-CORE两个国际标准要求了。特别是PLC分路器产品经常在Telcordia标准规定的高温高湿存储环境试验中失败。为此, 本文重点研究了PLC分路器的关键生产工艺, 以期使生产的产品满足Telcordia标准中苛刻的高温高湿环境实验要求。
1 PLC光分路器的结构和性能要求
PLC光分路器主要由芯片、单芯尾纤 (以下简称单芯) 、多芯光纤阵列 (FA) 三部分组成, 这三部分通过调芯精确地对准后牢固黏结成为PLC无壳裸器件, 如图1所示, 再根据应用场合加上适合的保护外壳成为PLC分路器。
在PLC分路器的各种标准的要求中都基本包括了波长、光学性能 (插入损耗、插损均匀性、回波损耗、方向性) 、环境性能 (高低温、湿热、水浸泡、盐雾等) 和机械性能 (跌落、震动、扭转、抗拉) 等方面。其中除光学性能涉及到调芯的效果和原材料的质量外, 其它各项指标要求均与封装时的黏结强度有关。由于PLC分路器的三个主要部分之间全部是使用紫外固化胶进行黏结的, 而这种胶极易在潮湿的环境中失效, 因此PLC分路器经常在Telcordia标准规定的高温高湿存储环境试验中失效。该高温高湿存储环境试验条件为75℃, 90%RH, 或85℃, 85%RH环境下存储168h到5 000h不等 (通常取2 000h) , 要求插入损耗变化小于0.5dB。国内厂商通常把该试验称为双85试验, 也作为检验PLC性能的常规试验, 但国内双85试验通常持续时间仅为168 h, 而极少采用2 000 h。为了达到与Telcordia标准规定的高温高湿存储环境试验相同的试验周期2 000h, 我们参照电子行业的环境试验标准, 通过计算将该试验条件等同于121℃, 2个大气压 (0.2 MPa) , 湿度100%, 96h, 下文将以此作为PLC光分路器生产工艺改进的对比试验条件。
2 PLC光分路器生产工艺的改进
2.1 生产工艺概述
PLC光分路器三部分中单芯尾纤的制作相对比较简单, 目前市场上毛细管的生产工艺已经十分成熟, 只需购买合适规格的毛细管, 将光纤插入毛细管的中心孔, 然后用353热固化胶固化, 再进行研磨即可。由于目前国内没有生产晶元的能力, 晶元基本是进口的, 再对晶元进行切割、研磨, 因此PLC分路器中使用的芯片都是直接购买的。FA的制作相对来说比较复杂, 需购买加工好的各种规格的V形槽及盖板, 将光纤按顺序排列到相应的V形槽中 (如图2a) 所示) , 加盖, 然后点胶固化, 最后进行端面研磨, 应保证光纤均落入V形槽中, 盖板压平, 否则光纤高低不平将会影响PLC分路器的性能。FA制作时使用紫外固化胶固定的有盖板区 (以下简称前胶区) 、盖板外光纤 (尾胶区) 、尾部带纤 (如图2b) 所示) 三个胶区部分。
2.2 第一次生产工艺试验
在第一次生产工艺试验中我们采用了常规调芯固化工艺 (即初固化240s, 加热固化2h, 深固化12h, 加热老化12h) , PLC分路器各组成部分使用的固化胶牌号如表1所示。我们将所制得的试验产品 (均为裸器件) 送检, 其中1×32产品50只, 1×8产品8只, 1×16产品20只, 对比高温高湿环境试验前后数据, 插入损耗变化小于0.5dB的PLC分路器产品只占30%。我们对不良的器件端面进行了观察, 发现所有出现较大插入损耗变化的器件在显微镜下其光纤端面上会出现椭圆形或树枝状黑色印记, 如图3所示;当显微镜只打照射光, 没有投射光时, 观察发现FA内部有水印, 而这种渗水情况基本均出现在FA端, 单芯端未发现;用手轻扳, FA与芯片就会分离。对此, 我们认为是器件的黏结强度大大降低造成的, 经查造成器件黏结不良的根本原因可能是FA光纤未封闭好, 水汽沿着光纤渗透到FA与芯片的连接端面造成调芯胶失效, 从而导致器件插入损耗变化较大甚至失效。
2.3 第二次生产工艺试验
基于第一次生产工艺试验结果的分析, 我们在第二次生产工艺试验中从两个方面进行了改进, 一是通过改变固化条件、胶层厚度等, 提高调芯胶的牢固程度, 二是更换FA前胶及尾胶所用固化胶牌号, 提高其对水汽的封堵效果。我们将所制得的试验产品 (均为裸器件) 送检, 共送检了15种固化胶组合生产的PLC分路器产品, 共计1×8产品150只, 对比高温高湿环境试验前后数据, 插入损耗变化小于0.5dB的PLC分路器产品的所占比例略有提高。其中以表2所示的两种固化胶组合生产的PLC分路器产品高温高湿环境试验通过率较高, 约为70%。与第一次生产工艺试验相比, 我们在第二次生产工艺试验中采用的调芯固化工艺并无改变, 仅改变了调芯胶及FA尾胶的固化胶牌号, 以及在相同牌号FA前胶中掺杂适当比例的石英粉末, 但是观察端面仍发现部分器件的光纤端面周围出现细微的点状黑色印记, 这说明还是有少量水汽深入端面胶层, 只是没影响到传输端面, 因此该生产工艺还需进一步改进。
注:1) 胶中掺杂纳米石英粉末。
2.4 第三次生产工艺试验
基于第二次生产工艺试验结果的分析, 我们在第三次生产工艺试验中在两种FA尾胶中掺杂了纳米石英粉末, 掺杂时既要保证一定比例的石英粉末添加, 也要保证固化胶的流动性, 否则FA会出现空胶、气泡等现象, 这些缺陷会严重影响FA的性能, 导致高低温时PLC分路器性能劣化。我们将所制得的试验产品 (均为裸器件) 送检, 共送检了两种固化胶组合生产的PLC分路器产品各30只, 对比高温高湿环境试验前后数据, 100%满足了插入损耗变化小于0.5dB试验要求。
3 结论
通过上述三次生产工艺试验, 我们对PLC分路器的关键生产工艺进行了改进, 改进的生产工艺并未改变原有PLC调芯固化工艺, 只对调芯和FA的生产材料及工艺过程进行少许改动。其中采用的掺杂纳米石英粉末增加了黏结面积, 从而使黏结性能更可靠, 提高器件的可靠性, 使其通过高温高湿的严酷考验。改进的生产工艺中所改用固化胶的价格与原固化胶价格基本一致, 且纳米石英粉末的价格也十分低廉, 这样既保证了厂家原有的生产效率, 又不增加生产成本, 就可以使PLC分路器的耐环境性能大大提高, 提高了产品的竞争力。
参考文献