電池片串焊機設計.doc

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畢業(yè)論文 題 目 太陽能電池片串焊機的設計 姓 名 學 號 學 院 專 業(yè) 電氣工程及自動化 班 級 CS0314202 指導教師 南京航空航天大學 二〇一六年三月 目 錄 摘 要 1 前 言 2 第一章 串焊機電氣控制系統(tǒng)及其原理 3 1.1串焊機總體控制結(jié)構(gòu) 3 1.2常用電氣元件及其選用 4 1.2.1空氣開關 4 1.2.2熱電偶 4 1.2.3固態(tài)繼電器 4 1.2.4電力調(diào)整器 4 1.3拉絲區(qū)域的電氣控制系統(tǒng) 5 1.4電池片上料區(qū)域的電氣控制系統(tǒng) 6 1.4.1料盒的送片 6 1.4.2電池片的定位以及抓取 6 1.5焊接區(qū)域的電氣控制系統(tǒng) 7 1.5.1電池片的運輸 7 1.5.2流水線以及燈管的加熱 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)的設計 9 2.1.1 PLC系統(tǒng)的配置原則 9 2.1.2 PLC系統(tǒng)的配置方法 9 2.2 PLC自動化系統(tǒng)的配置 9 2.3 PLC的組態(tài) 10 2.3.1 創(chuàng)建項目 10 2.3.2 機架的組態(tài) 11 2.3.3 系統(tǒng)參數(shù)的設置 11 第三章 程序設計及調(diào)試 13 3.1 PLC程序設計的基本步驟 13 3.2 PLC程序設計 13 3.3 程序的現(xiàn)場調(diào)試 14 結(jié)束語 16 參考文獻 17 太陽能電池片串焊機的設計 摘 要 隨著中國經(jīng)濟的不斷發(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)合國內(nèi)外串焊機最先進的技術，圍繞串焊機的電氣自動化控制硬件系統(tǒng)、CCD檢測系統(tǒng)以及程序設計等方面進行了深入的研究。 首先結(jié)合串焊機的工藝特點和技術要求，采用了熱電偶傳感器對燈管以及底板進行實時溫度監(jiān)控；采用了伺服控制技術，對工藝過程中一些重要電機設備的運行進行位置和速度處理；采用了CCD檢測技術對電池片進行精確定位。 其次，采用了工業(yè)計算機，松下公司的PLC以及其他通訊設備設計了串焊機的控制系統(tǒng)，應用了FPWIN GR2軟件和LABVIEW軟件設計了串焊機的軟件系統(tǒng)，并對程序的模塊化和標準化進行了深入的研究。 關鍵詞：伺服控制技術，CCD檢測技術，PLC, 熱電偶，串焊機 前 言 太陽能是未來最清潔、安全和可靠的能源，發(fā)達國家正在把太陽能的開發(fā)利用作為能源革命主要內(nèi)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，使太陽光射到光伏組件上產(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的完成，而且也影響到組件的效率和質(zhì)量。串焊機焊接速度快，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、焊接臺預熱、焊帶鋪設、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度等方面都有著重要的現(xiàn)實意義。  第一章 串焊機電氣控制系統(tǒng)及其原理 本章首先介紹串焊機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)等方面進行分析和設計，最后對各個控制系統(tǒng)的特點進行簡單的描述。 1.1 串焊機總體控制結(jié)構(gòu) 拉絲區(qū)域 串焊機電氣控制系統(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，這些設備與PLC控制系統(tǒng)進行數(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輸，流水線的加熱，電池片的焊接； （4） 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 1.2.1 空氣開關 空氣開關，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。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，在功能上相當于刀開關、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)計設備的額定電流約為50A左右，一般取1.2-1.5倍，可選擇60A的3P空氣開關作為電路的主熔斷器。 1.2.2 熱電偶 熱電偶是一種感溫元件，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)使用溫度范圍、所需精度、使用氣氛、測定對象的性能、響應時間和經(jīng)濟效益等綜合考慮。串焊機要求設備流水線加熱至130℃，由此可選擇T型電偶，因其在低溫時穩(wěn)定而且精度高。 1.2.3 固態(tài)繼電器 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開關；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，達到直接驅(qū)動大電流負載。一般情況下，在低電壓要求信號失真小可選用采用場效應管作輸出器件的直流固態(tài)繼器;如對交流阻性負載和多數(shù)感性負載，可選用過零型繼電器，這樣可延長負載和繼電器壽命，也可減小自身的射頻干擾。如作為相位輸出控制時，應選用隨機型固態(tài)繼電器。本設備中應選擇負載輸出為220V，輸入為24V直流的過零型繼電器，過零電流值約為30A。 1.2.4 電力調(diào)整器 電力調(diào)整器是應用晶閘管（又稱可控硅）及其觸發(fā)控制電路用于調(diào)整負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。本設備選用了臺灣泰矽生產(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，比例式相位控制方式。 1.3 拉絲區(qū)域的電氣控制系統(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 拉焊帶由于需要精確控制焊帶的長度，故采用了松下400W的伺服電機配合其驅(qū)動器MBDDT12135以及松下的脈沖定位模塊可以準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 拉絲電機控制圖 1.4電池片上料區(qū)域的電氣控制系統(tǒng) 1.4.1 料盒的送片 送料部分的關鍵在于電池片運動到上位的停止位置以及電池片的分層。電池片向上運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，由于運動的慣性作用，無法準確的停在光纖位，故此處采用日本山社的二相步進電機控制料盒的上下運動。 1.4.2 電池片的定位以及抓取 由于電池片需要進行缺陷檢測，故抓取機械臂采用了雙氣缸抓取，利用松下伺服電機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 機械手伺服控制圖 1.5焊接區(qū)域的電氣控制系統(tǒng) 1.5.1 電池片的運輸 電池片的長為156mm,每片電池片的間距為3mm,故采用松下伺服電機控制流水線每次往前傳送159mm即可。 1.5.2 流水線以及燈管的加熱 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行實時檢測。 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行焊接，以使電池片與焊帶的拉力能夠達到工藝要求。 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伺服電機配合人工操作按鈕完成對電池串的收取。 第二章 PLC控制系統(tǒng)的原理及組態(tài) 2.1 PLC控制系統(tǒng)的設計 2.1.1 PLC系統(tǒng)的配置原則 配置PLC系統(tǒng)的一般過程是從粗到細，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型，確定時要遵循繼承性及發(fā)展性原則； （2） 估算點數(shù)，并確定要選用的機型； （3） 按完整性原則計算所需的模塊數(shù)； （4） 計算各個方案的投入費用，并按經(jīng)濟性原則選擇最佳方案； （5） 必要時再進一步作性能計算或進行實物測試，再根據(jù)計算或測試結(jié)果，對原有的配置作修正。 2.1.2 PLC系統(tǒng)的配置方法 1.系統(tǒng)I/O點數(shù)的計算： 輸入點數(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)的計算： 確定了I/O點數(shù)，還要按I/O的物理要求，確定用什么樣的模塊。對輸入點，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、半導體、晶閘管還是公共回路。選定了模塊類型，再具體計算模塊的種類和數(shù)量。I/O模塊數(shù)確定后，再確定要使用的機架槽位數(shù)，進而確定機架數(shù)。 基于各方面的綜合考慮，本文所設計的控制系統(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模擬量輸入模塊組成，負責對系統(tǒng)中多個伺服電機、調(diào)速電機、紅外燈管、以及各種電磁閥，真空發(fā)生器的控制。串焊機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)就是模擬真實的PLC硬件系統(tǒng)，將CPU、電源和信號模塊等設備安裝到相應的機架上，并對PLC硬件模塊的參數(shù)進行設置和修改的過程。當用戶需要修改模塊的參數(shù)或地址，需要設置通訊時，都需要做硬件組態(tài)。 2.3.1 創(chuàng)建項目 在新創(chuàng)建一個項目文件時，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 新建項目 2.3.2 機架的組態(tài) 根據(jù)前文所提，本系統(tǒng)的機架組態(tài)應如圖2.3所示： 圖2.3 PLC單元配置 2.3.3 系統(tǒng)參數(shù)的設置 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、初始化開關等的配置，如圖2.4所示： 圖2.4 PLC系統(tǒng)寄存器設置 由于系統(tǒng)需要與上位機進行通訊，COM端口設置時，應選擇計算機鏈接，各個參數(shù)的設置應與上位機的參數(shù)一置，習慣上我們都選擇分辨率9600，奇校驗，停止位1位。 第三章 程序設計及調(diào)試 3.1 PLC程序設計的基本步驟 PLC程序設計的基本步驟是： （1）對于較復雜的控制系統(tǒng)，應先繪制系統(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； （2）設計梯形圖是程序設計的關鍵一步，也是比較困難的一步。要設計好梯形圖，首先需要非常熟悉控制要求，同時還要有一定的電氣設計的實踐經(jīng)驗； （3）用PLC程序設計開發(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，就可以進行聯(lián)機調(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程序設計 一般來講，在設計程序之前要尋找一個合適的算法。算法設計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，時間越短，占用的硬件資源越少，這個算法就越好。而使用流程圖表示系統(tǒng)的基本流程，能直觀反映工程設計的基本組成框架以及相互約束關系，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，詳細分析PLC程序設計過程： （1） 過程分析 在串焊機抓取過程中，機械手應在抓取位，放片位以及檢測位三個工位之間來回行走，同時等待各個位置的完成指令以完成順序控制，下料氣缸同時位于2個位置，其行走示意圖如圖3.1所示： 圖3.1 機械手行走示意圖 (2) 程序設計 程序中首先對3個位置進行賦值，通過接收啟停信號來決定機械手的行走方向和啟停時間；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)場調(diào)試是指在工業(yè)場所所有設備都安裝好，所有連線都接好的實際調(diào)試，也是PLC程序的最后調(diào)試。調(diào)試時，不正確的操作易損害設備甚至造成危害，因此應逐步加電、開機、加載。具體過程如下： （1） 檢查接線，核對地址，確保準確無誤； （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系； （4） 半自動工作，調(diào)試時可一步一步推進，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)的設定； （7） 完成上述所有調(diào)試后，再進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。 第四章 結(jié)束語 本文主要介紹了串焊機電氣控制硬件系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)的配置和組態(tài)以及PLC程序設計的過程。在這臺設備上運用了很多自動化控制技術，比如使用位置控制模塊帶多軸伺服電機，使用PID算法對溫度進行實時監(jiān)控等。這些功能的使用大大提高了設備的精度以及速度。 關于串焊機的研究和設計還能作進一步的改進和優(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；取片機械手可以采用旋轉(zhuǎn)機械臂，這樣可以雙邊上料，大大提高生產(chǎn)效率。 在此，還要感謝趙文兵老師的悉心指導和嚴格要求，從課題選擇、方案論證到具體設計和調(diào)試，無不凝聚著張老師的心血和汗水，導師的精心指導和無私的關懷。在此向趙文兵老師表示深深的感謝和崇高的敬意。 不積跬步何以至千里，本設計能夠順利的完成，也歸功于各位任課老師的認真負責，使我能夠很好的掌握和運用專業(yè)知識，并在設計中得以體現(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謝意。感謝他們的辛勤栽培。 參 考 文 獻 [1] 張連華. 電器PLC控制技術及應用. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2007. [2] 宋伯生. PLC系統(tǒng)配置及軟件編程. 北京:中國電力出版社,2008. [3] 廖常初. PLC模擬量輸入模塊的選擇與設置. 電工技術,2003. [4] 吳作明. PLC開發(fā)與應用實例詳解. 北京:航空航天大學出版社,2007. [5] 徐鋒. PLC應用技術. 西安:西安電子科技大學出版社,2007. [6] 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)（運動控制系統(tǒng)）. 北京:機械工業(yè)出版社,2006 [7] 顏嘉男. 伺服電機應用技術. 北京:科學出版社,2010. [8] 魏學業(yè). 傳感器與檢測技術. 北京:人民郵電出版社,2012.  18