電池片串焊機(jī)設(shè)計(jì)說明

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1、 . 畢業(yè)論文 題 目 太陽能電池片串焊機(jī)的設(shè)計(jì) 姓 名 學(xué) 號 學(xué) 院 專 業(yè) 電氣工程及自動化 班 級 CS0314202 指導(dǎo)教師 航空航天大學(xué) 二〇一六年三月 17 / 21 目 錄 摘 要 1 前 言 2 第一章 串焊機(jī)電氣控制系統(tǒng)及其原理 3 1.1串焊機(jī)總體控制結(jié)構(gòu) 3 1.2常用電氣元件及其選用 4 1.3拉絲區(qū)域的電氣控制系

2、統(tǒng) 5 1.4電池片上料區(qū)域的電氣控制系統(tǒng) 6 1.5焊接區(qū)域的電氣控制系統(tǒng) 7 1.6收串區(qū)域的電氣控制系統(tǒng) 8 第二章 PLC控制系統(tǒng)的原理及組態(tài) 9 2.1 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 9 2.2 PLC自動化系統(tǒng)的配置 9 2.3 PLC的組態(tài) 10 第三章 程序設(shè)計(jì)及調(diào)試 13 3.1 PLC程序設(shè)計(jì)的基本步驟 13 3.2 PLC程序設(shè)計(jì) 13 3.3 程序的現(xiàn)場調(diào)試 14 結(jié)束語 16 參考文獻(xiàn) 17 太陽能

3、電池片串焊機(jī)的設(shè)計(jì) 摘 要 隨著中國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，中國社會的人力成本也在逐漸的上升，對于工業(yè)生產(chǎn)和制造業(yè)這類勞動密集型的產(chǎn)業(yè)尤為明顯。于是自動化的市場需求也開始逐步的被釋放出來。 本文結(jié)合國外串焊機(jī)最先進(jìn)的技術(shù)，圍繞串焊機(jī)的電氣自動化控制硬件系統(tǒng)、CCD檢測系統(tǒng)以及程序設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了深入的研究。 首先結(jié)合串焊機(jī)的工藝特點(diǎn)和技術(shù)要求，采用了熱電偶傳感器對燈管以及底板進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控；采用了伺服控制技術(shù)，對工藝過程中一些重要電機(jī)設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行位置和速度處理；采用了CCD檢測技術(shù)對電池片進(jìn)行精確定位。 其次，采用了工業(yè)計(jì)算機(jī)，松下公司的PLC以及其他通訊設(shè)備設(shè)計(jì)了串焊機(jī)的控制系

4、統(tǒng)，應(yīng)用了FPWIN GR2軟件和LABVIEW軟件設(shè)計(jì)了串焊機(jī)的軟件系統(tǒng)，并對程序的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行了深入的研究。 關(guān)鍵詞：伺服控制技術(shù)，CCD檢測技術(shù)，PLC, 熱電偶，串焊機(jī) 前 言 太陽能是未來最清潔、安全和可靠的能源，發(fā)達(dá)國家正在把太陽能的開發(fā)利用作為能源革命主要容長期規(guī)劃，光伏產(chǎn)業(yè)正日益成為國際上繼IT、微電子產(chǎn)業(yè)之后又一爆炸式發(fā)展的行業(yè)。利用太陽能的最佳方式是光伏轉(zhuǎn)換，就是利用光伏效應(yīng)，使太射到光伏組件上產(chǎn)生電流直接發(fā)電。 電池串是光伏組件的重要組成部分，因此，電池串生產(chǎn)的正常與否，不但影響到光伏組件任務(wù)的完成，而且也影響到組件

5、的效率和質(zhì)量。串焊機(jī)焊接速度快，質(zhì)量一致性好，表面美觀，沒有手工焊的焊接不均勻現(xiàn)象，而且其工作效率高，大大減小生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品競爭力。 串焊機(jī)整個串焊過程包括：備品上料 、CCD電池片外觀檢測、噴涂助焊劑、焊接臺預(yù)熱、焊帶鋪設(shè)、焊接、成品收集。整個過程均是自動化控制，在提高工廠的自動化程度、節(jié)能損耗和減輕工人勞動強(qiáng)度等方面都有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。 第一章 串焊機(jī)電氣控制系統(tǒng)及其原理 本章首先介紹串焊機(jī)電氣自動化控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，然后對系統(tǒng)的各個功能控制部分進(jìn)行具體的分析和研究，并對電氣自動化控制系統(tǒng)的電氣原理、硬件結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，最后對各個控制系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行簡單的描述。

6、 1.1 串焊機(jī)總體控制結(jié)構(gòu) 拉絲區(qū)域 串焊機(jī)電氣控制系統(tǒng)主要由現(xiàn)場各種電氣元件、智能儀表和傳動裝置等組成，這些設(shè)備與PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，提供現(xiàn)場測量參數(shù)和接受控制參數(shù)等。串焊機(jī)電氣控制系統(tǒng)分布如圖1.1所示： 焊接區(qū)域 上料區(qū)域 圖1.1 系統(tǒng)分布圖 串焊機(jī)電氣自動化控制系統(tǒng)按功能劃分，主要分為以下四個區(qū)域： （1） 拉絲控制區(qū)域，主要包括焊帶的輸送，截取，助焊劑的噴涂； （2） 電池片上料控制區(qū)域，主要包括電池片的抓取，電池片的缺陷檢測，電池片的位置定位； （3） 電池片焊接控制區(qū)域，主要包括電池片的運(yùn)輸，流水線的加熱，電池片的焊接； （4）

7、電池片焊接控制區(qū)域，主要包括電池串的外觀檢測，電池串的下料。 1.2 常用電器元件及其選用 空氣開關(guān)，又名空氣斷路器，是斷路器的一種。是一種只要電路中電流超過額定電流就會自動斷開的開關(guān)。其主要由觸頭、滅弧系統(tǒng)和各種脫扣器三個基本部分組成，在功能上相當(dāng)于刀開關(guān)、熔斷器、熱繼電器和欠電壓繼電器的組合，是一種可以自動切斷線路故障的保護(hù)電器。斷路器的選用原則是：斷路器的額定電壓和電流要大于線路的正常工作電壓和電流，極限通斷能力大于或等于線路最大短路電流。經(jīng)統(tǒng)計(jì)設(shè)備的額定電流約為50A左右，一般取1.2-1.5倍，可選擇60A的3P空氣開關(guān)作為電路的主熔斷器。 熱電偶是一種感溫元件

8、，是一種儀表。它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，并通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。選擇熱電偶要根據(jù)使用溫度圍、所需精度、使用氣氛、測定對象的性能、響應(yīng)時(shí)間和經(jīng)濟(jì)效益等綜合考慮。串焊機(jī)要求設(shè)備流水線加熱至130℃，由此可選擇T型電偶，因其在低溫時(shí)穩(wěn)定而且精度高。 固態(tài)繼電器是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)；是一種兩個接線端為輸入端，另兩個接線端為輸出端的四端器件，中間采用隔離器件實(shí)現(xiàn)輸入輸出的電隔離。固態(tài)繼電器的輸入端用微小的控制信號，達(dá)到直接驅(qū)動大電流負(fù)載。一般情況下，在低電壓要求信號失真小可選用采用場效應(yīng)管作輸出器件的直流固態(tài)繼器;如對交流

9、阻性負(fù)載和多數(shù)感性負(fù)載，可選用過零型繼電器，這樣可延長負(fù)載和繼電器壽命，也可減小自身的射頻干擾。如作為相位輸出控制時(shí)，應(yīng)選用隨機(jī)型固態(tài)繼電器。本設(shè)備中應(yīng)選擇負(fù)載輸出為220V，輸入為24V直流的過零型繼電器，過零電流值約為30A。 電力調(diào)整器是應(yīng)用晶閘管（又稱可控硅）及其觸發(fā)控制電路用于調(diào)整負(fù)載功率的盤裝功率調(diào)整單元。其與帶0-5V、4-20mA的智能PID調(diào)節(jié)器或PLC配套使用，可用于紅外加熱。本設(shè)備選用了泰矽生產(chǎn)的簡易型E系列單相電力調(diào)功器，適用于紅外燈管加熱，輸入方式為4—20MA，無需工作電壓，額定電流為25A，超溫停止保護(hù)，比例式相位控制方式。 1.3 拉絲區(qū)域的

10、電氣控制系統(tǒng) 焊帶的輸送分為送和拉兩個部分，兩者缺一不可。 送焊帶采用了松下90W的調(diào)速電機(jī)M91Z90GV4GGA配合其調(diào)速器可以有效的控制其送帶的速度，通過支架下方的感應(yīng)器可以控制其停止，電氣原理圖如圖1.2所示： 圖1.2 放絲電機(jī) 拉焊帶由于需要精確控制焊帶的長度，故采用了松下400W的伺服電機(jī)配合其驅(qū)動器MBDDT12135以及松下的脈沖定位模塊可以準(zhǔn)確的控制焊帶拉出的速度與長度，電氣原理圖如圖1.3所示： 圖1.3 拉絲電機(jī)控制圖 1.4電池片上料區(qū)域的電氣控制系統(tǒng) 送料部分的關(guān)鍵在于電池片運(yùn)動到上位的停止位置以及電池片

11、的分層。電池片向上運(yùn)動的停止位取決于光纖傳感器的位置，如果用一般的調(diào)速電機(jī)，由于運(yùn)動的慣性作用，無法準(zhǔn)確的停在光纖位，故此處采用日本山社的二相步進(jìn)電機(jī)控制料盒的上下運(yùn)動。 由于電池片需要進(jìn)行缺陷檢測，故抓取機(jī)械臂采用了雙氣缸抓取，利用松下伺服電機(jī)的位置控制功能精確的定位至抓取位，放片位以及檢測位。在檢測位,CCD對電池片進(jìn)行定位以及缺陷判斷，并通過串口通信告知PLC電池片的各個數(shù)據(jù)(OK,NG,X軸偏移量，Y軸偏移量)。電氣原理圖如圖1.4所示： 圖1.4 機(jī)械手伺服控制圖 1.5焊接區(qū)域的電氣控制系統(tǒng) 電池片的長為156mm,每片電池片的間距為3

12、mm,故采用松下伺服電機(jī)控制流水線每次往前傳送159mm即可。 流水線通過銅管加熱至焊接所需的溫度，并通過熱電偶對溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。 紅外燈管通過電力調(diào)整器可以調(diào)整不同的功率對電池片進(jìn)行焊接，以使電池片與焊帶的拉力能夠達(dá)到工藝要求。 利用松下PLC的AD和DA模塊FP2-DA4可以完成對溫度的采集和功率的調(diào)整。其電氣原理圖如圖1.5所示： 圖1.5 燈管加熱原理圖 1.6 收串區(qū)域的電氣控制系統(tǒng) 因電池串收串存在三個工位（OK,NG,吸串位），因此只有2個工位的氣缸無法滿足功能，故采用松下400W伺服電機(jī)配合人工操作按鈕完成對電池串的收取。

13、 第二章 PLC控制系統(tǒng)的原理及組態(tài) 2.1 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 配置PLC系統(tǒng)的一般過程是從粗到細(xì)，一個配置完成后又可能再返回來，再逐步完善，直到從多個方案中挑選一個最為滿意的方案為止，其配置原則如下： （1） 用類比法大致確定可選用的廠家機(jī)型，確定時(shí)要遵循繼承性及發(fā)展性原則； （2） 估算點(diǎn)數(shù)，并確定要選用的機(jī)型； （3） 按完整性原則計(jì)算所需的模塊數(shù)； （4） 計(jì)算各個方案的投入費(fèi)用，并按經(jīng)濟(jì)性原則選擇最佳方案； （5） 必要時(shí)再進(jìn)一步作性能計(jì)算或進(jìn)行實(shí)物測試，再根據(jù)計(jì)算或測試結(jié)果，對原有的配置作修正。 1.系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)的計(jì)算：

14、 輸入點(diǎn)數(shù) Ni=? Ei *(Pi-1) 式中Ei表示系統(tǒng)所使用的某類輸入器件的總數(shù)，如用了五個按鈕，則為5；Pi表示該類器件可能處于的工作狀態(tài)，如按鈕，一般處于按下和松開兩種狀態(tài)；I表示輸入器件的類型總數(shù)。 輸出點(diǎn)數(shù) N0=? Ei *(Pi-1) 式中Ei表示系統(tǒng)所使用的某類輸出器件的總數(shù)；Pi表示該類器件可能處于的工作狀態(tài)；I表示輸出器件的類型總數(shù)。 而統(tǒng)計(jì)模擬量的數(shù)量則比較容易，有多少檢測量就有多少路輸入，有多少控制輸出，就有多少路輸出。 2. 模塊數(shù)的計(jì)算： 確定了I/O點(diǎn)數(shù)，還要按I

15、/O的物理要求，確定用什么樣的模塊。對輸入點(diǎn)，要按輸入信號電壓區(qū)分，是直流還是交流，信號間有什么隔離要求；對輸出模塊要考慮輸出形式，是繼電器、半導(dǎo)體、晶閘管還是公共回路。選定了模塊類型，再具體計(jì)算模塊的種類和數(shù)量。I/O模塊數(shù)確定后，再確定要使用的機(jī)架槽位數(shù)，進(jìn)而確定機(jī)架數(shù)。 基于各方面的綜合考慮，本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用了松下公司的PLC控制系統(tǒng)。 2.2 PLC自動化系統(tǒng)的配置 系統(tǒng)采用了松下FP2系列PLC，主要由2個PP42位置控制模塊，2個X64D2 I/O輸入模塊，1個Y64T I/O輸出模塊，1個AD8V1模擬量輸入單元，1個DA4 模擬量輸出單元，1個AD8X模擬量

16、輸入模塊組成，負(fù)責(zé)對系統(tǒng)中多個伺服電機(jī)、調(diào)速電機(jī)、紅外燈管、以及各種電磁閥，真空發(fā)生器的控制。串焊機(jī)PLC自動化系統(tǒng)如圖2.1所示： 圖2.1 PLC自動化系統(tǒng)圖 2.3 PLC的組態(tài) 硬件組態(tài)就是模擬真實(shí)的PLC硬件系統(tǒng)，將CPU、電源和信號模塊等設(shè)備安裝到相應(yīng)的機(jī)架上，并對PLC硬件模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改的過程。當(dāng)用戶需要修改模塊的參數(shù)或地址，需要設(shè)置通訊時(shí)，都需要做硬件組態(tài)。 在新創(chuàng)建一個項(xiàng)目文件時(shí)，會自動彈出如圖2.2所示的對話框,這一步主要是對CPU型號的選擇。 圖2.2 新建項(xiàng)目 根據(jù)前文所提，本系統(tǒng)的機(jī)架組態(tài)應(yīng)如圖2.3所示： 圖2.3

17、 PLC單元配置 系統(tǒng)參數(shù)的配置主要包括對PLC保持/非保持值、COM端口、編程口、初始化開關(guān)等的配置，如圖2.4所示： 圖2.4 PLC系統(tǒng)寄存器設(shè)置 由于系統(tǒng)需要與上位機(jī)進(jìn)行通訊，COM端口設(shè)置時(shí)，應(yīng)選擇計(jì)算機(jī)，各個參數(shù)的設(shè)置應(yīng)與上位機(jī)的參數(shù)一置，習(xí)慣上我們都選擇分辨率9600，奇校驗(yàn)，停止位1位。 第三章 程序設(shè)計(jì)及調(diào)試 3.1 PLC程序設(shè)計(jì)的基本步驟 PLC程序設(shè)計(jì)的基本步驟是： （1）對于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，應(yīng)先繪制系統(tǒng)控制流程圖，這樣可以清楚的表明動作的順序和條件。對于簡單的控制系統(tǒng)，可以省去這一半；

18、 （2）設(shè)計(jì)梯形圖是程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步，也是比較困難的一步。要設(shè)計(jì)好梯形圖，首先需要非常熟悉控制要求，同時(shí)還要有一定的電氣設(shè)計(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)； （3）用PLC程序設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境將程序下載到PLC,并檢查程序是否正確； （4）對程序進(jìn)行調(diào)試和修改，直到滿足功能要求； （5）待操作臺，控制柜等現(xiàn)場施工完成后，就可以進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。如不滿足要求，再修改程序或者檢查接線，直到滿足要求。 3.2 PLC程序設(shè)計(jì) 一般來講，在設(shè)計(jì)程序之前要尋找一個合適的算法。算法設(shè)計(jì)除了尋找可能解決問題的方法，還有個算法優(yōu)化的問題，步驟越少，時(shí)間越短，占用的硬件資源越少，這個算法就越好。而使用

19、流程圖表示系統(tǒng)的基本流程，能直觀反映工程設(shè)計(jì)的基本組成框架以及相互約束關(guān)系，給編寫流程帶來極大的方便。下面以電池片的定位與抓取為例，詳細(xì)分析PLC程序設(shè)計(jì)過程： （1） 過程分析 在串焊機(jī)抓取過程中，機(jī)械手應(yīng)在抓取位，放片位以及檢測位三個工位之間來回行走，同時(shí)等待各個位置的完成指令以完成順序控制，下料氣缸同時(shí)位于2個位置，其行走示意圖如圖3.1所示： 圖3.1 機(jī)械手行走示意圖 (2) 程序設(shè)計(jì) 程序中首先對3個位置進(jìn)行賦值，通過接收啟停信號來決定機(jī)械手的行走方向和啟停時(shí)間；其具體流程圖如圖3.2所示： 圖3.2 行走方向流程圖 3.3程序的現(xiàn)場調(diào)試 現(xiàn)場

20、調(diào)試是指在工業(yè)場所所有設(shè)備都安裝好，所有連線都接好的實(shí)際調(diào)試，也是PLC程序的最后調(diào)試。調(diào)試時(shí)，不正確的操作易損害設(shè)備甚至造成危害，因此應(yīng)逐步加電、開機(jī)、加載。具體過程如下： （1） 檢查接線，核對地址，確保準(zhǔn)確無誤； （2） 檢查與測試指示燈； （3） 檢查手動動作與邏輯之間的控制關(guān)系； （4） 半自動工作，調(diào)試時(shí)可一步一步推進(jìn)，直到完成整個控制周期； （5） 自動工作，在完成半自動調(diào)試后，可進(jìn)一步調(diào)試自動工作，并多觀察幾個工作循環(huán)，以確保系統(tǒng)正常工作； （6） 參數(shù)的設(shè)定； （7） 完成上述所有調(diào)試后，再進(jìn)行一些異常條件的檢查，看看一些難以避免的非法操作是否會出現(xiàn)問題。

21、 第四章 結(jié)束語 本文主要介紹了串焊機(jī)電氣控制硬件系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)的配置和組態(tài)以及PLC程序設(shè)計(jì)的過程。在這臺設(shè)備上運(yùn)用了很多自動化控制技術(shù)，比如使用位置控制模塊帶多軸伺服電機(jī)，使用PID算法對溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控等。這些功能的使用大大提高了設(shè)備的精度以及速度。 關(guān)于串焊機(jī)的研究和設(shè)計(jì)還能作進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化，例如：自動化檢測裝置采用的是RS232作為其通信借口，這種接口的通信方式是比較傳統(tǒng)的，并且傳輸速度很有限，可以用USB作為通信接口代替RS-232；取片機(jī)械手可以采用旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂，這樣可以雙邊上料，大大提高生產(chǎn)效

22、率。 在此，還要感文兵老師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求，從課題選擇、方案論證到具體設(shè)計(jì)和調(diào)試，無不凝聚著老師的心血和汗水，導(dǎo)師的精心指導(dǎo)和無私的關(guān)懷。在此向文兵老師表示深深的感和崇高的敬意。 不積跬步何以至千里，本設(shè)計(jì)能夠順利的完成，也歸功于各位任課老師的認(rèn)真負(fù)責(zé)，使我能夠很好的掌握和運(yùn)用專業(yè)知識，并在設(shè)計(jì)中得以體現(xiàn)。正是有了他們的悉心幫助和支持，才使我的畢業(yè)論文工作順利完成，在此向全體老師表示由衷的意。感他們的辛勤栽培。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 連華. 電器PLC控制技術(shù)及應(yīng)用. : 機(jī)械工業(yè), 2007. [2] 宋伯生. PLC系統(tǒng)配置及軟件編程. :中國電力,2008. [3] 廖常初.PLC模擬量輸入模塊的選擇與設(shè)置. 電工技術(shù),2003. [4] 吳作明. PLC開發(fā)與應(yīng)用實(shí)例詳解.:航空航天大學(xué),2007. [5]徐鋒. PLC應(yīng)用技術(shù). :電子科技大學(xué),2007. [6] 伯時(shí). 電力拖動自動控制系統(tǒng)（運(yùn)動控制系統(tǒng)）. :機(jī)械工業(yè),2006 [7] 顏嘉男. 伺服電機(jī)應(yīng)用技術(shù). :科學(xué),2010. [8] 學(xué)業(yè). 傳感器與檢測技術(shù). :人民郵電,2012.