1 引言 隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，人們對電子設備的需求越來越大、對電子設備的質量要求也越來越高。在電子設備制造中，波峰焊機是一種很重要的焊接設備。因此其控制系統(tǒng)的設計優(yōu)劣直接影響著焊接的質量。早期的電腦回流焊、波峰焊采用了“工業(yè)控制電腦（工控機）+板卡”的控制模式，在當時環(huán)境下給人以“高科技”的感覺。但人們在長期的設備使用生產(chǎn)實踐中，人們發(fā)現(xiàn)此種控制模式的致命缺點是電腦故障和板卡級聯(lián)失效引起的整機控制系統(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化，又有極高的使用可靠性和最低的設備故障率，這成為電子設備制造的突出課題。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。因為可編程控制器(PLC)的可靠性高、抗干擾能力強、性能穩(wěn)定、容易擴展、便于維護和升級。聯(lián)誠選用的是市場占有率最高，性價比最好的西門子S7-200系列PLC作為主控制器來實現(xiàn)對波峰焊機的有效控制。下面就具體介紹該系統(tǒng)的設計方案。 2 基本方案 控制系統(tǒng)結構復雜的波峰焊機主要包括控制器部分和電氣部分?？刂葡到y(tǒng)的核心部分包括上位機和PLC控制、變頻器控制、輸送鏈控制、溫度控制等等。其系統(tǒng)結構圖如圖1所示。 圖1 波峰焊機控制系統(tǒng)基本結構圖 2.1 上位機監(jiān)控 利用工控機(華北工控)或PC機（國內(nèi)品牌機/組裝機）作為上位機。上位機與 PLC下位機分別獨立運行，電腦死機或重新啟動對生產(chǎn)無影響。由它運行監(jiān)控軟件。它操作簡單、思路清晰、界面友好。上位機軟件主要包括以下幾個模塊： (1) 數(shù)據(jù)采集、存儲模塊 上位機每隔一段時間（采集周期由用戶設定）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)過錯誤校驗以后進行存儲并顯示。 (2) 數(shù)據(jù)查詢模塊 上位機存儲的歷史數(shù)據(jù)可以按照不同的規(guī)則進行查詢以供分析，系統(tǒng)的設置參數(shù)也可以進行查詢。 (3) PID參數(shù)整定模塊 雖然PID算法大部分是在下位機完成，但是上位機也可以根據(jù)需要調(diào)整參數(shù)kp、ki、kd的初始值。同時可以設置溫度設定值等。 (4) 通訊模塊 主要負責與PLC的數(shù)據(jù)交換及數(shù)據(jù)格式的轉換。 2.2 溫度控制 溫度控制是波峰焊機控制系統(tǒng)的核心。本方案采用市場占有率最高的西門子S7-200PLC+EM231-TC溫度模塊進行溫度控制。西門子的PLC具有通訊簡單，模擬量模塊價格便宜，整體的性價比相當高的特點。模擬量采集模塊EM231-TC單個模塊能提供多路溫度信號采集，使用很少的模塊就能采集多路溫度信號，大大降低了溫控成本?，F(xiàn)在已經(jīng)進入了無鉛波峰焊時代，對波峰焊的溫度精度控制提出了新的要求。很多工業(yè)控制過程中一般都采用PID控制，特別是對于純滯后、大慣性的溫度控制。PID控制是按照實際溫度和設定溫度偏差的比例、積分、微分產(chǎn)生控制作用，實際運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，達到較高的溫控精度。 西門子PLC S7-200 2.3 步進電機控制 在波峰焊機控制系統(tǒng)中有三種步進電機：鏈幅調(diào)節(jié)步進電機、流量控制步進電機和噴嘴移動步進電機。步進電機是將電脈沖信號變換成角位移的一種機電式數(shù)模轉換器。它受脈沖信號控制，角位移與輸入脈沖個數(shù)構成嚴格的正比例關系，每輸入一個脈沖，步進電機就轉動一定的角度。它具有定位精度高、慣性小、無積累誤差、啟動性能好等特點。因此，它廣泛應用于要求精密定位的旋轉或線性運動的控制系統(tǒng)。PLC輸出的脈沖信號通過步進電機驅動器達到控制步進電機的目的。 2.4 網(wǎng)絡通訊 上位機監(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，上位機通常采用VB等高級編程語言編程。 上位機和PLC連接可以采用兩種方式：PC Access OPC通訊和Modbus通訊。 對于PC Access軟件，是西門子推出的專用于西門子S7-200 PLC和上位機通訊的接口軟件，該軟件采用OPC的方式進行通訊，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，可以采用公開的協(xié)議Modbus，Modbus協(xié)議是MODICON公司為其生產(chǎn)PLC設計的一種通訊協(xié)議。此協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結構。它描述了控制器請求訪問其它設備的過程，回應來自其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄，制定了消息域結構和內(nèi)容的公共格式。上位機和PLC的通信使用主－從結構，采用請求－響應方式，主站發(fā)出帶有從站地址的請求報文，具有該地址的從站收到后發(fā)出響應報文進行應答。 Modbus協(xié)議有ASCII和RTU兩種報文傳輸模式，在設置每個站的串口通信參數(shù)時，Modbus網(wǎng)絡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模式進行傳輸。如圖2所示RTU通信幀的基本結構。 圖2 RTU通信幀的基本結構 在下位機S7-200 PLC中使用Modbus從站協(xié)議進行設計，西門子PLC有標準的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指令用來設置或改變Modbus通信參數(shù)。該指令應只在一個掃描周期內(nèi)執(zhí)行，一般用在首次掃描時工作一個掃描周期的SM0.1的常開觸點來驅動它。程序中只能使用一條MBUS_SLAVE指令，每次掃描都應調(diào)用該指令，以響應接收到的通信請求。 圖3 Modbus從站協(xié)議指令 對于變頻器，聯(lián)誠推薦的是高性價比的西門子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，有利于控制成本。USS是西門子公司為變頻器開發(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)模較小的自動化系統(tǒng)。它以主從方式構成工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)站，在網(wǎng)絡內(nèi)有一個主站，1～31個從站，各站點有唯一的標識碼識別。 這種結構的特點是：用單一的、完全集成的系統(tǒng)來解決自動化問題。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)的自動化水平及運行的可靠性，解決了模擬信號傳輸所引起的干擾及漂移問題。通信介質采用RS-485屏蔽雙絞線，最遠可達1000m，因此可有效地減少電纜的數(shù)量，從而可以大大減少開發(fā)和工程費用，并極大地降低客戶的啟動和維護成本；通信效率較高，可達187.5kbit/s。對于有10個調(diào)速器，每個調(diào)速器有6個過程數(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，總線結構為單位站、主從存取方式，報文結構具有參數(shù)數(shù)據(jù)與過程數(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)速器的過程數(shù)據(jù)，如啟動停止、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上提供的USS接口，僅在終端機中插入一RS-485通信板，就可實現(xiàn)變頻器的全部遠程控制。 3 軟件設計 波峰焊機控制系統(tǒng)采用模塊化的設計方法。整個系統(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)主要完成對各個輸入點的監(jiān)視，若有異常情況發(fā)生，迅速做出處理，并對輸出進行控制，并且根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)進行故障處理和報警。同樣，溫控子系統(tǒng)主要完成的功能有：定時選通A/D轉換器對溫度信號進行采樣、濾波、標度變換、存儲；定時對處理好的采樣值進行PID計算，輸出控制脈沖；接受中斷請求，處理上位機發(fā)送的命令、狀態(tài)，上傳溫度值等等。 4 應用效果分析 波峰焊機控制系統(tǒng)的核心是溫度控制。只要控溫精度上去了，就可以說此控制系統(tǒng)已經(jīng)達到基本要求了。聯(lián)誠提供的全套PID溫度控制解決方案能夠實現(xiàn)控制溫度的+/-2°C。 本方案波峰焊機控制系統(tǒng)利用西門子公司的S7-200系列PLC作為下位機控制器，它的抗干擾能力強、穩(wěn) 定、可靠。上下位機運互不影響，解決了電腦死等問題對生產(chǎn)的影響。 在華南地區(qū)諸多波峰焊廠家應用良好，專業(yè)的解決方案得到了廣大用戶的認可。