电池片串焊机设计.doc

毕业论文题 目太阳能电池片串焊机的设计姓 名学 号学 院专 业电气工程及自动化班 级CS0314202指导教师南京航空航天大学二一六年三月 目 录摘 要1前 言2第一章 串焊机电气控制系统及其原理31.1串焊机总体控制结构31.2常用电气元件及其选用41.2.1空气开关41.2.2热电偶41.2.3固态继电器41.2.4电力调整器4 1.3拉丝区域的电气控制系统5 1.4电池片上料区域的电气控制系统6 1.4.1料盒的送片61.4.2电池片的定位以及抓取6 1.5焊接区域的电气控制系统71.5.1电池片的运输71.5.2流水线以及灯管的加热7 1.6收串区域的电气控制系统8第二章 PLC控制系统的原理及组态9 2.1 PLC控制系统的设计92.1.1 PLC系统的配置原则92.1.2 PLC系统的配置方法9 2.2 PLC自动化系统的配置9 2.3 PLC的组态102.3.1 创建项目102.3.2 机架的组态112.3.3 系统参数的设置11第三章 程序设计及调试133.1 PLC程序设计的基本步骤13 3.2 PLC程序设计133.3 程序的现场调试14结束语16参考文献17 太阳能电池片串焊机的设计摘 要随着中国经济的不断发展，中国社会的人力成本也在逐渐的上升，对于工业生产和制造业这类劳动密集型的产业尤为明显。于是自动化的市场需求也开始逐步的被释放出来。本文结合国内外串焊机最先进的技术，围绕串焊机的电气自动化控制硬件系统、CCD检测系统以及程序设计等方面进行了深入的研究。首先结合串焊机的工艺特点和技术要求，采用了热电偶传感器对灯管以及底板进行实时温度监控；采用了伺服控制技术，对工艺过程中一些重要电机设备的运行进行位置和速度处理；采用了CCD检测技术对电池片进行精确定位。其次，采用了工业计算机，松下公司的PLC以及其他通讯设备设计了串焊机的控制系统，应用了FPWIN GR2软件和LABVIEW软件设计了串焊机的软件系统，并对程序的模块化和标准化进行了深入的研究。关键词：伺服控制技术，CCD检测技术，PLC, 热电偶，串焊机前 言太阳能是未来最清洁、安全和可靠的能源，发达国家正在把太阳能的开发利用作为能源革命主要内容长期规划，光伏产业正日益成为国际上继IT、微电子产业之后又一爆炸式发展的行业。利用太阳能的最佳方式是光伏转换，就是利用光伏效应，使太阳光射到光伏组件上产生电流直接发电。电池串是光伏组件的重要组成部分，因此，电池串生产的正常与否，不但影响到光伏组件任务的完成，而且也影响到组件的效率和质量。串焊机焊接速度快，质量一致性好，表面美观，没有手工焊的焊接不均匀现象，而且其工作效率高，大大减小生产成本，提高产品竞争力。串焊机整个串焊过程包括：备品上料 、CCD电池片外观检测、喷涂助焊剂、焊接台预热、焊带铺设、焊接、成品收集。整个过程均是自动化控制，在提高工厂的自动化程度、节能损耗和减轻工人劳动强度等方面都有着重要的现实意义。 第一章 串焊机电气控制系统及其原理本章首先介绍串焊机电气自动化控制系统的总体结构，然后对系统的各个功能控制部分进行具体的分析和研究，并对电气自动化控制系统的电气原理、硬件结构等方面进行分析和设计，最后对各个控制系统的特点进行简单的描述。1.1 串焊机总体控制结构拉丝区域 串焊机电气控制系统主要由现场各种电气元件、智能仪表和传动装置等组成，这些设备与PLC控制系统进行数据交换，提供现场测量参数和接受控制参数等。串焊机电气控制系统分布如图1.1所示：焊接区域上料区域图1.1 系统分布图串焊机电气自动化控制系统按功能划分，主要分为以下四个区域：（1） 拉丝控制区域，主要包括焊带的输送，截取，助焊剂的喷涂；（2） 电池片上料控制区域，主要包括电池片的抓取，电池片的缺陷检测，电池片的位置定位；（3） 电池片焊接控制区域，主要包括电池片的运输，流水线的加热，电池片的焊接；（4） 电池片焊接控制区域，主要包括电池串的外观检测，电池串的下料。1.2 常用电器元件及其选用1.2.1 空气开关空气开关，又名空气断路器，是断路器的一种。是一种只要电路中电流超过额定电流就会自动断开的开关。其主要由触头、灭弧系统和各种脱扣器三个基本部分组成，在功能上相当于刀开关、熔断器、热继电器和欠电压继电器的组合，是一种可以自动切断线路故障的保护电器。断路器的选用原则是：断路器的额定电压和电流要大于线路的正常工作电压和电流，极限通断能力大于或等于线路最大短路电流。经统计设备的额定电流约为50A左右，一般取1.2-1.5倍，可选择60A的3P空气开关作为电路的主熔断器。1.2.2 热电偶热电偶是一种感温元件，是一种仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，并通过电气仪表转换成被测介质的温度。选择热电偶要根据使用温度范围、所需精度、使用气氛、测定对象的性能、响应时间和经济效益等综合考虑。串焊机要求设备流水线加热至130，由此可选择T型电偶，因其在低温时稳定而且精度高。1.2.3 固态继电器固态继电器是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关；是一种两个接线端为输入端，另两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。一般情况下，在低电压要求信号失真小可选用采用场效应管作输出器件的直流固态继器;如对交流阻性负载和多数感性负载，可选用过零型继电器，这样可延长负载和继电器寿命，也可减小自身的射频干扰。如作为相位输出控制时，应选用随机型固态继电器。本设备中应选择负载输出为220V，输入为24V直流的过零型继电器，过零电流值约为30A。1.2.4 电力调整器电力调整器是应用晶闸管（又称可控硅）及其触发控制电路用于调整负载功率的盘装功率调整单元。其与带0-5V、4-20mA的智能PID调节器或PLC配套使用，可用于红外加热。本设备选用了台湾泰矽生产的简易型E系列单相电力调功器，适用于红外灯管加热，输入方式为420MA，无需工作电压，额定电流为25A，超温停止保护，比例式相位控制方式。1.3 拉丝区域的电气控制系统 焊带的输送分为送和拉两个部分，两者缺一不可。 送焊带采用了松下90W的调速电机M91Z90GV4GGA配合其调速器可以有效的控制其送带的速度，通过支架下方的感应器可以控制其停止，电气原理图如图1.2所示： 图1.2 放丝电机 拉焊带由于需要精确控制焊带的长度，故采用了松下400W的伺服电机配合其驱动器MBDDT12135以及松下的脉冲定位模块可以准确的控制焊带拉出的速度与长度，电气原理图如图1.3所示： 图1.3 拉丝电机控制图1.4电池片上料区域的电气控制系统1.4.1 料盒的送片 送料部分的关键在于电池片运动到上位的停止位置以及电池片的分层。电池片向上运动的停止位取决于光纤传感器的位置，如果用一般的调速电机，由于运动的惯性作用，无法准确的停在光纤位，故此处采用日本山社的二相步进电机控制料盒的上下运动。1.4.2 电池片的定位以及抓取 由于电池片需要进行缺陷检测，故抓取机械臂采用了双气缸抓取，利用松下伺服电机的位置控制功能精确的定位至抓取位，放片位以及检测位。在检测位,CCD对电池片进行定位以及缺陷判断，并通过串口通信告知PLC电池片的各个数据(OK,NG,X轴偏移量，Y轴偏移量)。电气原理图如图1.4所示： 图1.4 机械手伺服控制图1.5焊接区域的电气控制系统1.5.1 电池片的运输 电池片的长为156mm,每片电池片的间距为3mm,故采用松下伺服电机控制流水线每次往前传送159mm即可。1.5.2 流水线以及灯管的加热流水线通过铜管加热至焊接所需的温度，并通过热电偶对温度进行实时检测。红外灯管通过电力调整器可以调整不同的功率对电池片进行焊接，以使电池片与焊带的拉力能够达到工艺要求。利用松下PLC的AD和DA模块FP2-DA4可以完成对温度的采集和功率的调整。其电气原理图如图1.5所示： 图1.5 灯管加热原理图1.6 收串区域的电气控制系统 因电池串收串存在三个工位（OK,NG,吸串位），因此只有2个工位的气缸无法满足功能，故采用松下400W伺服电机配合人工操作按钮完成对电池串的收取。第二章 PLC控制系统的原理及组态2.1 PLC控制系统的设计2.1.1 PLC系统的配置原则配置PLC系统的一般过程是从粗到细，一个配置完成后又可能再返回来，再逐步完善，直到从多个方案中挑选一个最为满意的方案为止，其配置原则如下：（1） 用类比法大致确定可选用的厂家机型，确定时要遵循继承性及发展性原则；（2） 估算点数，并确定要选用的机型；（3） 按完整性原则计算所需的模块数；（4） 计算各个方案的投入费用，并按经济性原则选择最佳方案；（5） 必要时再进一步作性能计算或进行实物测试，再根据计算或测试结果，对原有的配置作修正。2.1.2 PLC系统的配置方法1.系统I/O点数的计算： 输入点数 Ni= Ei *(Pi-1)式中Ei表示系统所使用的某类输入器件的总数，如用了五个按钮，则为5；Pi表示该类器件可能处于的工作状态，如按钮，一般处于按下和松开两种状态；I表示输入器件的类型总数。 输出点数 N0= Ei *(Pi-1)式中Ei表示系统所使用的某类输出器件的总数；Pi表示该类器件可能处于的工作状态；I表示输出器件的类型总数。而统计模拟量的数量则比较容易，有多少检测量就有多少路输入，有多少控制输出，就有多少路输出。2. 模块数的计算：确定了I/O点数，还要按I/O的物理要求，确定用什么样的模块。对输入点，要按输入信号电压区分，是直流还是交流，信号间有什么隔离要求；对输出模块要考虑输出形式，是继电器、半导体、晶闸管还是公共回路。选定了模块类型，再具体计算模块的种类和数量。I/O模块数确定后，再确定要使用的机架槽位数，进而确定机架数。基于各方面的综合考虑，本文所设计的控制系统采用了松下公司的PLC控制系统。2.2 PLC自动化系统的配置 系统采用了松下FP2系列PLC，主要由2个PP42位置控制模块，2个X64D2 I/O输入模块，1个Y64T I/O输出模块，1个AD8V1模拟量输入单元，1个DA4 模拟量输出单元，1个AD8X模拟量输入模块组成，负责对系统中多个伺服电机、调速电机、红外灯管、以及各种电磁阀，真空发生器的控制。串焊机PLC自动化系统如图2.1所示：图2.1 PLC自动化系统图2.3 PLC的组态硬件组态就是模拟真实的PLC硬件系统，将CPU、电源和信号模块等设备安装到相应的机架上，并对PLC硬件模块的参数进行设置和修改的过程。当用户需要修改模块的参数或地址，需要设置通讯时，都需要做硬件组态。2.3.1 创建项目在新创建一个项目文件时，会自动弹出如图2.2所示的对话框,这一步主要是对CPU型号的选择。 图2.2 新建项目2.3.2 机架的组态根据前文所提，本系统的机架组态应如图2.3所示： 图2.3 PLC单元配置2.3.3 系统参数的设置系统参数的配置主要包括对PLC保持/非保持值、COM端口、编程口、初始化开关等的配置，如图2.4所示： 图2.4 PLC系统寄存器设置由于系统需要与上位机进行通讯，COM端口设置时，应选择计算机链接，各个参数的设置应与上位机的参数一置，习惯上我们都选择分辨率9600，奇校验，停止位1位。第三章 程序设计及调试3.1 PLC程序设计的基本步骤PLC程序设计的基本步骤是： （1）对于较复杂的控制系统，应先绘制系统控制流程图，这样可以清楚的表明动作的顺序和条件。对于简单的控制系统，可以省去这一半； （2）设计梯形图是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先需要非常熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验； （3）用PLC程序设计开发环境将程序下载到PLC,并检查程序是否正确； （4）对程序进行调试和修改，直到满足功能要求； （5）待操作台，控制柜等现场施工完成后，就可以进行联机调试。如不满足要求，再修改程序或者检查接线，直到满足要求。3.2 PLC程序设计一般来讲，在设计程序之前要寻找一个合适的算法。算法设计除了寻找可能解决问题的方法，还有个算法优化的问题，步骤越少，时间越短，占用的硬件资源越少，这个算法就越好。而使用流程图表示系统的基本流程，能直观反映工程设计的基本组成框架以及相互约束关系，给编写流程带来极大的方便。下面以电池片的定位与抓取为例，详细分析PLC程序设计过程：（1） 过程分析 在串焊机抓取过程中，机械手应在抓取位，放片位以及检测位三个工位之间来回行走，同时等待各个位置的完成指令以完成顺序控制，下料气缸同时位于2个位置，其行走示意图如图3.1所示：图3.1 机械手行走示意图(2) 程序设计程序中首先对3个位置进行赋值，通过接收启停信号来决定机械手的行走方向和启停时间；其具体流程图如图3.2所示： 图3.2 行走方向流程图3.3程序的现场调试现场调试是指在工业场所所有设备都安装好，所有连线都接好的实际调试，也是PLC程序的最后调试。调试时，不正确的操作易损害设备甚至造成危害，因此应逐步加电、开机、加载。具体过程如下：（1） 检查接线，核对地址，确保准确无误；（2） 检查与测试指示灯；（3） 检查手动动作与逻辑之间的控制关系；（4） 半自动工作，调试时可一步一步推进，直到完成整个控制周期；（5） 自动工作，在完成半自动调试后，可进一步调试自动工作，并多观察几个工作循环，以确保系统正常工作；（6） 参数的设定；（7） 完成上述所有调试后，再进行一些异常条件的检查，看看一些难以避免的非法操作是否会出现问题。第四章 结束语本文主要介绍了串焊机电气控制硬件系统，PLC系统的配置和组态以及PLC程序设计的过程。在这台设备上运用了很多自动化控制技术，比如使用位置控制模块带多轴伺服电机，使用PID算法对温度进行实时监控等。这些功能的使用大大提高了设备的精度以及速度。关于串焊机的研究和设计还能作进一步的改进和优化，例如：自动化检测装置采用的是RS232作为其通信借口，这种接口的通信方式是比较传统的，并且传输速度很有限，可以用USB作为通信接口代替RS-232；取片机械手可以采用旋转机械臂，这样可以双边上料，大大提高生产效率。在此，还要感谢赵文兵老师的悉心指导和严格要求，从课题选择、方案论证到具体设计和调试，无不凝聚着张老师的心血和汗水，导师的精心指导和无私的关怀。在此向赵文兵老师表示深深的感谢和崇高的敬意。不积跬步何以至千里，本设计能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。正是有了他们的悉心帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利完成，在此向全体老师表示由衷的谢意。感谢他们的辛勤栽培。参 考 文 献1 张连华. 电器PLC控制技术及应用. 北京: 机械工业出版社, 2007.2 宋伯生. PLC系统配置及软件编程. 北京:中国电力出版社,2008.3 廖常初. PLC模拟量输入模块的选择与设置. 电工技术,2003.4 吴作明. PLC开发与应用实例详解. 北京:航空航天大学出版社,2007.5 徐锋. PLC应用技术. 西安:西安电子科技大学出版社,2007. 6 陈伯时. 电力拖动自动控制系统（运动控制系统）. 北京:机械工业出版社,2006 7 颜嘉男. 伺服电机应用技术. 北京:科学出版社,2010.8 魏学业. 传感器与检测技术. 北京:人民邮电出版社,2012. 18