電池片串焊機設(shè)計.doc

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畢業(yè)論文題 目太陽能電池片串焊機的設(shè)計姓 名學(xué) 號學(xué) 院專 業(yè)電氣工程及自動化班 級CS0314202指導(dǎo)教師南京航空航天大學(xué)二一六年三月 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31.1串焊機總體控制結(jié)構(gòu)31.2常用電氣元件及其選用41.2.1空氣開關(guān)41.2.2熱電偶41.2.3固態(tài)繼電器41.2.4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61.4.2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)71.5.1電池片的運輸71.5.2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(shè)計92.1.1 PLC系統(tǒng)的配置原則92.1.2 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)102.3.1 創(chuàng)建項目102.3.2 機架的組態(tài)112.3.3 系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置11第三章 程序設(shè)計及調(diào)試133.1 PLC程序設(shè)計的基本步驟13 3.2 PLC程序設(shè)計133.3 程序的現(xiàn)場調(diào)試14結(jié)束語16參考文獻(xiàn)17 太陽能電池片串焊機的設(shè)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(jìn)的技術(shù)，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(shè)計等方面進(jìn)行了深入的研究。首先結(jié)合串焊機的工藝特點和技術(shù)要求，采用了熱電偶傳感器對燈管以及底板進(jìn)行實時溫度監(jiān)控；采用了伺服控制技術(shù)，對工藝過程中一些重要電機設(shè)備的運行進(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)計算機，松下公司的PLC以及其他通訊設(shè)備設(shè)計了串焊機的控制系統(tǒng)，應(yīng)用了FPWIN GR2軟件和LABVIEW軟件設(shè)計了串焊機的軟件系統(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(yīng)，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(wù)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(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(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，最后對各個控制系統(tǒng)的特點進(jìn)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(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(guān)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(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。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(yīng)時間和經(jīng)濟效益等綜合考慮。串焊機要求設(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(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，應(yīng)選用隨機型固態(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。1.2.4 電力調(diào)整器電力調(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420MA，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(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 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(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(guān)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(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(jìn)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(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(jìn)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(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(shè)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(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(jìn)一步作性能計算或進(jìn)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(dǎo)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(jìn)而確定機架數(shù)。基于各方面的綜合考慮，本文所設(shè)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(fù)責(zé)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(shè)備安裝到相應(yīng)的機架上，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，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(yīng)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(shè)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)需要與上位機進(jìn)行通訊，COM端口設(shè)置時，應(yīng)選擇計算機鏈接，各個參數(shù)的設(shè)置應(yīng)與上位機的參數(shù)一置，習(xí)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(shè)計及調(diào)試3.1 PLC程序設(shè)計的基本步驟PLC程序設(shè)計的基本步驟是： （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； （2）設(shè)計梯形圖是程序設(shè)計的關(guān)鍵一步，也是比較困難的一步。要設(shè)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(shè)計的實踐經(jīng)驗； （3）用PLC程序設(shè)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(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)計一般來講，在設(shè)計程序之前要尋找一個合適的算法。算法設(shè)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(shè)計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)計過程：（1） 過程分析 在串焊機抓取過程中，機械手應(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(shè)計程序中首先對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(shè)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(shè)備甚至造成危害，因此應(yīng)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(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。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(shè)計的過程。在這臺設(shè)備上運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，使用PID算法對溫度進(jìn)行實時監(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)于串焊機的研究和設(shè)計還能作進(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(dǎo)和嚴(yán)格要求，從課題選擇、方案論證到具體設(shè)計和調(diào)試，無不凝聚著張老師的心血和汗水，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(shè)計能夠順利的完成，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用專業(yè)知識，并在設(shè)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(xiàn)1 張連華. 電器PLC控制技術(shù)及應(yīng)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(shè)置. 電工技術(shù),2003.4 吳作明. PLC開發(fā)與應(yīng)用實例詳解. 北京:航空航天大學(xué)出版社,2007.5 徐鋒. PLC應(yīng)用技術(shù). 西安:西安電子科技大學(xué)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(yīng)用技術(shù). 北京:科學(xué)出版社,2010.8 魏學(xué)業(yè). 傳感器與檢測技術(shù). 北京:人民郵電出版社,2012. 18