基于西門子PLC S7-200的波峰焊解決方案

1 引言 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)電子設(shè)備的需求越來(lái)越大、對(duì)電子設(shè)備的質(zhì)量要求也越來(lái)越高。在電子設(shè)備制造中，波峰焊機(jī)是一種很重要的焊接設(shè)備。因此其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接影響著焊接的質(zhì)量。早期的電腦回流焊、波峰焊采用了“工業(yè)控制電腦（工控機(jī)）+板卡”的控制模式，在當(dāng)時(shí)環(huán)境下給人以“高科技”的感覺(jué)。但人們?cè)陂L(zhǎng)期的設(shè)備使用生產(chǎn)實(shí)踐中，人們發(fā)現(xiàn)此種控制模式的致命缺點(diǎn)是電腦故障和板卡級(jí)聯(lián)失效引起的整機(jī)控制系統(tǒng)癱瘓， 給廣大客戶造成難以估量的損失。能否找到一種新的電腦控制模式，既有電腦控制的友好界面和高度自動(dòng)化，又有極高的使用可靠性和最低的設(shè)備故障率，這成為電子設(shè)備制造的突出課題。最終，一種新的控制模式誕生了。這就是“PLC+電腦+溫控模塊”的控制方式。因?yàn)榭删幊炭刂破?PLC)的可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、容易擴(kuò)展、便于維護(hù)和升級(jí)。聯(lián)誠(chéng)選用的是市場(chǎng)占有率最高，性價(jià)比最好的西門子S7-200系列PLC作為主控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)波峰焊機(jī)的有效控制。下面就具體介紹該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。 2 基本方案 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的波峰焊機(jī)主要包括控制器部分和電氣部分。控制系統(tǒng)的核心部分包括上位機(jī)和PLC控制、變頻器控制、輸送鏈控制、溫度控制等等。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。 圖1 波峰焊機(jī)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖 2.1 上位機(jī)監(jiān)控 利用工控機(jī)(華北工控)或PC機(jī)（國(guó)內(nèi)品牌機(jī)/組裝機(jī)）作為上位機(jī)。上位機(jī)與 PLC下位機(jī)分別獨(dú)立運(yùn)行，電腦死機(jī)或重新啟動(dòng)對(duì)生產(chǎn)無(wú)影響。由它運(yùn)行監(jiān)控軟件。它操作簡(jiǎn)單、思路清晰、界面友好。上位機(jī)軟件主要包括以下幾個(gè)模塊： (1) 數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)模塊 上位機(jī)每隔一段時(shí)間（采集周期由用戶設(shè)定）向可編程控制器發(fā)送讀溫度命令，然后接收控制器返回的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)錯(cuò)誤校驗(yàn)以后進(jìn)行存儲(chǔ)并顯示。 (2) 數(shù)據(jù)查詢模塊 上位機(jī)存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)可以按照不同的規(guī)則進(jìn)行查詢以供分析，系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)也可以進(jìn)行查詢。 (3) PID參數(shù)整定模塊 雖然PID算法大部分是在下位機(jī)完成，但是上位機(jī)也可以根據(jù)需要調(diào)整參數(shù)kp、ki、kd的初始值。同時(shí)可以設(shè)置溫度設(shè)定值等。 (4) 通訊模塊 主要負(fù)責(zé)與PLC的數(shù)據(jù)交換及數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。 2.2 溫度控制 溫度控制是波峰焊機(jī)控制系統(tǒng)的核心。本方案采用市場(chǎng)占有率最高的西門子S7-200PLC+EM231-TC溫度模塊進(jìn)行溫度控制。西門子的PLC具有通訊簡(jiǎn)單，模擬量模塊價(jià)格便宜，整體的性價(jià)比相當(dāng)高的特點(diǎn)。模擬量采集模塊EM231-TC單個(gè)模塊能提供多路溫度信號(hào)采集，使用很少的模塊就能采集多路溫度信號(hào)，大大降低了溫控成本?，F(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了無(wú)鉛波峰焊時(shí)代，對(duì)波峰焊的溫度精度控制提出了新的要求。很多工業(yè)控制過(guò)程中一般都采用PID控制，特別是對(duì)于純滯后、大慣性的溫度控制。PID控制是按照實(shí)際溫度和設(shè)定溫度偏差的比例、積分、微分產(chǎn)生控制作用，實(shí)際運(yùn)行效果和理論分析表明，這種控制規(guī)律可以得到比較滿意的結(jié)果。如果使用PID+模擬量調(diào)壓的控制方法，可減少溫度的沖擊，達(dá)到較高的溫控精度。 西門子PLC S7-200 2.3 步進(jìn)電機(jī)控制 在波峰焊機(jī)控制系統(tǒng)中有三種步進(jìn)電機(jī)：鏈幅調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)、流量控制步進(jìn)電機(jī)和噴嘴移動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)變換成角位移的一種機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器。它受脈沖信號(hào)控制，角位移與輸入脈沖個(gè)數(shù)構(gòu)成嚴(yán)格的正比例關(guān)系，每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度。它具有定位精度高、慣性小、無(wú)積累誤差、啟動(dòng)性能好等特點(diǎn)。因此，它廣泛應(yīng)用于要求精密定位的旋轉(zhuǎn)或線性運(yùn)動(dòng)的控制系統(tǒng)。PLC輸出的脈沖信號(hào)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的目的。 2.4 網(wǎng)絡(luò)通訊 上位機(jī)監(jiān)控軟件和S7-200可編程控制器之間以及PLC和變頻器之間均可用RS-485連接。為了最大化的節(jié)省成本，上位機(jī)通常采用VB等高級(jí)編程語(yǔ)言編程。 上位機(jī)和PLC連接可以采用兩種方式：PC Access OPC通訊和Modbus通訊。 對(duì)于PC Access軟件，是西門子推出的專用于西門子S7-200 PLC和上位機(jī)通訊的接口軟件，該軟件采用OPC的方式進(jìn)行通訊，集成了西門子的PC/PPI的協(xié)議，使用該軟件穩(wěn)定可靠。 另外，可以采用公開(kāi)的協(xié)議Modbus，Modbus協(xié)議是MODICON公司為其生產(chǎn)PLC設(shè)計(jì)的一種通訊協(xié)議。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)。它描述了控制器請(qǐng)求訪問(wèn)其它設(shè)備的過(guò)程，回應(yīng)來(lái)自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄，制定了消息域結(jié)構(gòu)和內(nèi)容的公共格式。上位機(jī)和PLC的通信使用主－從結(jié)構(gòu)，采用請(qǐng)求－響應(yīng)方式，主站發(fā)出帶有從站地址的請(qǐng)求報(bào)文，具有該地址的從站收到后發(fā)出響應(yīng)報(bào)文進(jìn)行應(yīng)答。 Modbus協(xié)議有ASCII和RTU兩種報(bào)文傳輸模式，在設(shè)置每個(gè)站的串口通信參數(shù)時(shí)，Modbus網(wǎng)絡(luò)上所有的站都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。本系統(tǒng)中我們采用RTU模式進(jìn)行傳輸。如圖2所示RTU通信幀的基本結(jié)構(gòu)。 圖2 RTU通信幀的基本結(jié)構(gòu) 在下位機(jī)S7-200 PLC中使用Modbus從站協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，西門子PLC有標(biāo)準(zhǔn)的Modbus子程序，不用專門編程。在用戶程序中調(diào)用Modbus從站指令。如圖3所示，MBUS_INIT指令用來(lái)設(shè)置或改變Modbus通信參數(shù)。該指令應(yīng)只在一個(gè)掃描周期內(nèi)執(zhí)行，一般用在首次掃描時(shí)工作一個(gè)掃描周期的SM0.1的常開(kāi)觸點(diǎn)來(lái)驅(qū)動(dòng)它。程序中只能使用一條MBUS_SLAVE指令，每次掃描都應(yīng)調(diào)用該指令，以響應(yīng)接收到的通信請(qǐng)求。 圖3 Modbus從站協(xié)議指令 對(duì)于變頻器，聯(lián)誠(chéng)推薦的是高性價(jià)比的西門子MM4或者G110變頻器。既可以采用模擬量的控制方式，也可以采用通訊的方式。PLC與西門子的變頻器之間的通信可以使用西門子的USS協(xié)議，如果對(duì)于第三方的變頻器，也可以使用基于自由口通訊的Modbus協(xié)議和自定義協(xié)議。這樣本方案可以選用其他變頻器，如東元變頻器和電機(jī)，有利于控制成本。USS是西門子公司為變頻器開(kāi)發(fā)的通信協(xié)議，可以支持變頻器同PC或PLC之間建立通信連接，常適合于規(guī)模較小的自動(dòng)化系統(tǒng)。它以主從方式構(gòu)成工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)站，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有一個(gè)主站，1～31個(gè)從站，各站點(diǎn)有唯一的標(biāo)識(shí)碼識(shí)別。 這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：用單一的、完全集成的系統(tǒng)來(lái)解決自動(dòng)化問(wèn)題。所有的西門子變頻器都可以采用USS協(xié)議作為通信鏈路。數(shù)字化的信息傳遞，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化水平及運(yùn)行的可靠性，解決了模擬信號(hào)傳輸所引起的干擾及漂移問(wèn)題。通信介質(zhì)采用RS-485屏蔽雙絞線，最遠(yuǎn)可達(dá)1000m，因此可有效地減少電纜的數(shù)量，從而可以大大減少開(kāi)發(fā)和工程費(fèi)用，并極大地降低客戶的啟動(dòng)和維護(hù)成本；通信效率較高，可達(dá)187.5kbit/s。對(duì)于有10個(gè)調(diào)速器，每個(gè)調(diào)速器有6個(gè)過(guò)程數(shù)據(jù)需刷新的系統(tǒng)，PLC的典型掃描周期為幾百毫秒，采用與PROFIBUS相似的操作模式，總線結(jié)構(gòu)為單位站、主從存取方式，報(bào)文結(jié)構(gòu)具有參數(shù)數(shù)據(jù)與過(guò)程數(shù)據(jù)，前者用于改變調(diào)速器的參數(shù)，后者用于快速刷新調(diào)速器的過(guò)程數(shù)據(jù)，如啟動(dòng)停止、速度給定、力矩給定等。具有極高的快速性和可靠性。利用西門子變頻器的主機(jī)上提供的USS接口，僅在終端機(jī)中插入一RS-485通信板，就可實(shí)現(xiàn)變頻器的全部遠(yuǎn)程控制。 3 軟件設(shè)計(jì) 波峰焊機(jī)控制系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。整個(gè)系統(tǒng)分為監(jiān)控子系統(tǒng)和溫控子系統(tǒng)。其中監(jiān)控子系統(tǒng)主要完成對(duì)各個(gè)輸入點(diǎn)的監(jiān)視，若有異常情況發(fā)生，迅速做出處理，并對(duì)輸出進(jìn)行控制，并且根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行故障處理和報(bào)警。同樣，溫控子系統(tǒng)主要完成的功能有：定時(shí)選通A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采樣、濾波、標(biāo)度變換、存儲(chǔ)；定時(shí)對(duì)處理好的采樣值進(jìn)行PID計(jì)算，輸出控制脈沖；接受中斷請(qǐng)求，處理上位機(jī)發(fā)送的命令、狀態(tài)，上傳溫度值等等。 4 應(yīng)用效果分析 波峰焊機(jī)控制系統(tǒng)的核心是溫度控制。只要控溫精度上去了，就可以說(shuō)此控制系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到基本要求了。聯(lián)誠(chéng)提供的全套PID溫度控制解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)控制溫度的+/-2°C。 本方案波峰焊機(jī)控制系統(tǒng)利用西門子公司的S7-200系列PLC作為下位機(jī)控制器，它的抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn) 定、可靠。上下位機(jī)運(yùn)互不影響，解決了電腦死等問(wèn)題對(duì)生產(chǎn)的影響。 在華南地區(qū)諸多波峰焊廠家應(yīng)用良好，專業(yè)的解決方案得到了廣大用戶的認(rèn)可。