电子电路基于plc的自动焊锡机毕业设计管理资料.docx
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电子电路基于plc的自动焊锡机毕业设计管理资料
基于PLC的自动焊锡机控制系统的设计
摘要
随着现代技术的迅速发展，各种机械的应运而生，自动化已成为了社会发展的必然趋势，自动焊锡机也成为了工业生产中必不可少的产物。
为了提高自动控制系统的可靠性和设备的工作效率，设计了一套以PLC为核心控制器的自动焊锡机控制系统，用来取代以往的较复杂的继电器—接触器控制。
系统的核心部分采用了德国西门子公司生产的S7—200型PLC，因为在核心控制部分采用的是软件程序控制，从而在保证自动焊锡机正常运行这个要求的情况下，大大的提高了自动焊锡机故障检查与维修的方便性和容易性，同时还克服了手动操作带来的一些人为干扰因素，取得了良好的预期效果。
关键词：
PLC，自动焊锡机，西门子
DesignofautomaticsolderingmachinecontrolsystembasedonPLC
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofmoderntechnology,allkindsofmachinerycameintobeing,automationhasbecomeaninevitabletrendofsocialdevelopment,automaticsolderingmachinehasalsobecomeanessentialproductofindustrialordertoimprovethereliabilityoftheautomaticcontrolsystemandequipmentefficiency,thedesignofautomaticsolderingmachinecontrolsystemofaPLCasthecorecontroller,isusedtoreplacethemorecomplexrelay-contactorcontrol.ThecoreofthesystemwiththeproductionofGermany'sSiemensS7-200PLC,asusedinthecorepartofthesoftwareprogramcontrol,thusensuringthecaseofautomaticsolderingmachineuptimerequirements,greatlyimprovestheautomaticsolderingmachinesconvenienceandeaseoftroubleshootingandmaintenance,butalsotoovercomethemanualoperationtobringsomehumandisturbancefactors,achievedthedesiredeffect.
KEYWORDS:
PLC,Automaticsolderingmachine,Siemens
目 录
前 言
众所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。
焊接又与其它工业加工过程不一样，手工焊接时，有经验的焊工可以以根据眼睛所观察到的实际焊缝位置适时地调整焊笔的位置、姿态和行走的速度，以适应焊点及焊接轨迹的变化，所以，焊接工的工作是个有一定技术含量的工作岗位，对工厂来说，要招聘一个熟练的焊接工，就目前的工人心态及工厂对员工的成本核算成为一个正负交错对立的局面，这是手工焊接的一个瓶颈。
所以在这里提出了基于PLC的自动焊锡机的课题研究。
当下，很多的国内外研究单位都在从事自动焊锡机的研究，有很多的方面的问题都要求研究者的考虑，所以在这里提出了基于PLC的控制理论。
首先，在设计理论上有比较成熟的理论依据和实践经验。
其次，基于PLC的控制设计，在操作上更简单，更具人性化，效率高，在实际生产上也具有相当大的意义，提高生产效率的同时也使生产变的简单化，高效化。
在这个设计中我们在基于PLC的基础上，借助于步进电机的实际执行来达到我们需要的控制要求，在设计过程中比较容易熟悉和掌握使用。
所以考虑各种因素我们认为基于PLC的自动焊锡机控制设计的课题很据有实际意义。
我们采用是的仿真模拟来评估实际的应用，所以研究主要内容是着手于软件的编写、外部主电路的规划、采用的编程仿真软件及仿真结果的重点分析，最后就是利用组态王软件和PLC系统的通信，完成控制过程的动态显示效果。
做到这些就可以针对于那些不足的地方加以改正，以达到实用的效果。
第1章概论
课题背景
焊接技术就是高温或高压条件下，使用焊接材料（焊条或焊丝）将两块或两块以上的母材（待焊接的工件）连接成一个整体的操作方法。
焊接是通过加热、加压，或两者并用，使同性或异性两工件产生原子间结合的加工工艺和联接方式。
焊接应用广泛，既可用于金属，也可用于非金属。
过去的焊接技术长期停留在人工手动的焊锡机上，使用的热源温度低、能量不集中，无法用于大截面、长焊缝工件的焊接。
并且由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。
然而自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。
自动焊锡机也就应运而生了，自动焊锡机可以三度空间全方位调节，使烙铁和锡线均不需假作业员之手，它完全代替了您的双手，手臂可以调整至您想要的任意焊接之位。
自动送锡系统：
您只需轻踩脚踏开关，锡线将自动的、定速、定量的伸到烙铁头温度：
采用手动数字式温度设定一目了然，自动恒温控制方式。
高度可靠的金属防静电模式设计，焊接敏感组件更安全。
轻巧灵活，不占空间，温度，送锡速度，锡点大小可调。
特别适合各类电子连接器，LED灯串，视频音频线插头，耳机线，电脑数据线，小型线路板及小型电子元器件在线束中间的焊接和对接等。
自动焊锡机一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。
自动焊锡机的意义
现代焊锡机已能焊出无内外缺陷的、机械性能等于甚至高于被连接体的焊缝。
被焊接体在空间的相互位置称为焊接接头，接头处的强度除受焊缝质量影响外，还与其几何形状、尺寸、受力情况和工作条件等有关。
接头的基本形式有对接、搭接、丁字接（正交接）和角接等。
未来的焊锡机，一方面要研制新的焊接方法、焊接设备和焊接材料，以进一步提高焊接质量和安全可靠性，如改进现有电弧、等离子弧、电子束、激光等焊接能源；运用电子技术和控制技术，改善电弧的工艺性能，研制可靠轻巧的电弧跟踪方法。
另一方面要提高焊接机械化和自动化水平，如焊机实现程序控制、数字控制；研制从准备工序、焊接到质量监控全部过程自动化的专用焊机；在自动焊接生产线上，推广、扩大数控的焊接机械手和焊接机器人，可以提高焊接生产水平，改善焊接卫生安全条件。
可编程控制器概述
可编程序控制器（PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。
它具有体积小、功能强、灵活通用与维护方便等一系列的优点。
特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到用户的青睐。
因此在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制的三大支柱之一[1]。
可编程序控制器是一种存储器控制器，支持控制系统工作的程序存放在存储器中利用程序来实现逻辑控制，完成控制任务。
在可编程控制器构成的控制系统中，要实现一个控制任务，首先要针对具体的被控对象，分析它对控制系统的要求，然后编制出相应的控制程序，利用编程器将控制程序写入可编程控制器的程序存储器中。
系统运行时，可编程控制器依次读取程序存储器中的程序语句，对它们的内容加以解释并执行。
根据输入设备的状态和其他条件，可编程控制器将其程序执行结果输出给相应的输出设备，控制被控对象工作。
可编程控制器是利用软件来实现控制逻辑的，能够适应不同的控制任务的需要，通用、灵活、可靠性高[2]。
它是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它的内部存储器可以执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入或输出控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是在继电器控制逻辑基础上，与3C技（ComputerControlCommunication）相结合，不断发展完善的。
目前已从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。
PLC早期主要应用于工业控制，但随着技术的发展，其应用领域正在不断扩大。
可编程控制器（ProgrammableLogicalController）简称PC或PLC，是60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司（DEC）为美国通用公司（GM）研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。
随着计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。
现代PLC已经成为真正的工业控制设备。
最初，PLC主要是用在生产线控制和大型机械的控制上。
但不久，西德的西门子（SIEMENS）公司、BBC公司就开始研制PLC，当时主要是用于轧钢机、升降设备等大型设备上。
70年代初，日本的OMRON也推出了他们的PLC。
三菱、日立、富土、东芝、横河、日电等公司也先后加入了PLC制造者的行列。
70年代中期，美国和西德首先出现了微电脑化的小型PLC。
由于PLC是为工业控制所生产的通用性很强，适合于大批量生产的装置，所以成本迅速下降;加上其是专为工业控制所设计，所以具有极好的抗干扰性能;并且他的使用和维护都极为方便，实现了低水平的操作、高性能的控制，所以在机械制造业深受欢迎。
小型PLC开始步入诸如塑料注塑机、包装机械、橡胶机械、纺织机械等轻工机械的控制领域，其成本的低廉和性能的优良对直接使用微机作为控制单元的做法构成了强有力的挑战，更有全面取代传统继电器控制屏的趋势。
据国外资料介绍:
1982年美国PLC用户中，有48%来自自动程序操作部门（如汽车、拖拉机工业、机械工业等）、13%来自石油化工业、9%来自食品饮料业、7%来自冶金工业、其余部分来自造纸、采矿、污水处理等部门‘“。
近年来，随着我国对外开放，日、美、西德等国生产的PLC己通过多种途径进入了我国，引起了各方面的重视并得到应用[3]。
如宝钢工程应用了数百台PLC，首钢、武钢、开滦煤矿也分别应用了美国和德国的PLC。
CPU连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。
CPU的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通信请求、执行CPU自诊断测试及写输出等内容[4]。
PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。
它一直周而复始地循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。
用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，PLC也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分内容。
典型的PLC在一个周期中可完成以下4个扫描过程[5]。
。
为保证设备的可靠性，及时反应所出现的故障，PLC都具有自监视功能。
自监视功能主要由时间监视器完成。
WDT是一个硬件定时器，每一个扫描周期开始前都被复位。
WDT的定时可由用户修改，一般在100～200ms之间。
其它的执行结果错误可由程序设计者通过标志位进行处理。
。
一般小型系统没有这一扫描过程，配有网络的PLC系统才有通信扫描过程，这一过程用于PLC之间及PLC与上位计算机或终端设备之间的通信。
。
机器处于正常运行状态下，每一扫描周期内部包换扫描过程。
该过程在机器运行中是可控的，即用户可以通过软件进行设定。
用户程序的长短，会影响过程所用的时间[6]。
。
机器在正常运行状态下，每一时间，每个扫描周期内都包含这个扫描过程。
该过程在机器运行中是否被执行是可控的。
CPU在处理用户程序时，使用的输入值不是直接从输入点读取的运算的结果也不直接送到实际输出点，而是在内存中设置了两个映像寄存器：
一个为输入映像寄存器，另一个为输出映像寄存器。
用户程序中所用的输入值是输入映像寄存器的值，运算结果也放在输出映像寄存器中。
在输入扫描过程中，CPU把实际输入点的状态锁入到输入映像寄存器；在输出过程中，CPU把输出映像寄存器的值锁定到实际输出点。
为了现场调试方便，PLC具有I/O控制功能，用户可以通过编程器封锁或开放I／O。
封锁I／O就是关闭I／O扫描过程[7]。
在读输入阶段，CPU对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入输入映像寄存器中。
紧接着转入用户程序执行阶段，CPU按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，根据输入映像寄存器和输出映像寄存器的状态执行用户程序，同时将执行结果写入输出映像寄存器中。
在程序执行期间，即使输入端子状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变—输入端子状态变化只能在下一个工作周期的输入阶段才被集中读入[8]。
由上述分析得出循环扫描有如下特点：
（1）扫描过程周而复始地进行，读输入、写输出和用户程序是否执行是可控的。
（2）输入映像寄存器的内容是设备驱动的，在程序执行过程中的一个工作周期内输入映像寄存器的值保持不变，CPU采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像积存的值来控制程序的执行。
（3）程序执行完后的输出映像寄存器的值决定了下一个扫描周期的输出值，而在程序执行阶段，输出映像寄存器的值即可以作为控制程序执行的条件，同时又可以被程序修改用于存储中间结果或下一个扫描周期的输出结果。
此时的修改不会影响输出锁存器的现在输出值，这是与输入映像寄存器完全不同的。
（4）对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。
由于输出映像寄存器的值可以作为程序执行的条件，所以程序的下一个扫描周期的集中输出结果是与编程顺序有关的，即最后一次的修改决定了下一个周期的输出值，这是编程人员要注意的问题[9]。
各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟，这是PLC的主要缺点。
各PLC厂家为了缩小延迟采取了很多措施，编程人员应对所使用型号的PLC的延迟时间的长短很清楚，它是进行PLC选型时的重要指标。
自动焊锡机的发展方向
全自动焊锡机，顾名思义是一种焊锡焊接设备，所以除了机械手运动功能外，其主要还是要完成焊锡作业。
所以焊锡机器人的核心部分是焊接系统。
焊锡系统主要构成为自动送锡机构和温控、发热体、烙铁头。
目前国内市场主流可见的优林、阿波罗及一些国内等品牌焊锡机器人已经成功应用于汽车电子、数码、电子、电声、LCD、线路板等生产行业，并突破了线材行业的USB自动焊接方案。
现在很多的国家都在研究自动焊锡机器人，基于PLC的理论基础，从另外的科学点出发，找出更加优化实用性强的产品。
在当今的社会，自动焊锡机的应用已经涉及到了我们生活的方方面面，也为我们的正常生活带来了不可或缺的方便，所以，加快研究更加先进的自动焊锡机使我们的责任。
随着自动焊锡机器人的出现，将会在科学生产领域再一次刮起一次旋风，是很多的平时比较繁杂甚至是危险的焊锡工作带来了一次解放。
自动焊锡机器人是借助过去的自动焊锡机的理论基础，在新的要求新的科技的帮助下应运而生的产物。
此外，焊锡机器人能够有更高的生产效率，提供多种编程指令，采用专门设计的烙铁头，配合精密的控制系统，使烙铁的加温曲线更加平滑，焊接质量更为稳定。
更加难能可贵的是，现在的自动焊锡机从工艺上更加精益求精，比如在产品的第一次生产他们会主动的记录焊接的相关数据并打印出来，以供工作人员参考，由此，自动焊锡机已将以往需要几次工序的过程一次完成，大大提高了工作效率。
所以，自动焊锡机以后将会向更加智能化、更加人工模拟化的方式转变，通过的系统的管理，实现最优控制，最优生产[10]。
课题要求
本次的设计的主要内容如下所述。
自动焊锡机的控制过程为：
启动机器，除渣机械手电磁阀得电上升，机械手上升到位碰SQ7，停止上升；左行电磁阀得电，机械手左行到位碰SQ5，停止左行；下降电磁阀得电，机械手下降到位碰SQ8，停止下降；右行电磁阀得电，机械手右行到位碰SQ6，停止右行。
托盘电磁阀得电上升，上升到位碰SQ3，停止上升；托盘右行电磁阀得电，托盘右行到位碰SQ2，托盘停止右行；托盘下降电磁阀得电，托盘下降到位碰SQ4，停止下降，工件焊锡，焊锡时间到；托盘上升电磁阀得电，托盘上升到位碰SQ3，停止上升；托盘左行电磁阀得电，托盘左行到位碰SQ1，托盘停止左行；托盘下降电磁阀得电，托盘下降到位碰SQ4，托盘停止下降，工件取出，延迟5s后自动进入下一循环。
第2章硬件设计
系统框架图
此次设计主要是由PLC控制电机的动作来实现我们要达到的目的，其中包括上升下降控制电机和左行右行控制电机。
另外还有四组限行开关，包括除渣机械手上下左右限行开关和焊锡操作盘上下左右限行开关。
整个控制系统是由PLC中心控制操作的，在机械手和焊盘工作时主要是上升下降左行右行，他们之间的关系表示如图2-1所示。
图2-1控制系统框图
焊锡机示意图
如图2-2所示，SB1为启动按钮，SB2为停止按钮，SQ1为焊盘左行限位开关，SQ2为焊盘右行限行开关，SQ3为焊盘上升限位开关，SQ4为焊盘下降限位开关，SQ5为机械手左行限位开关，SQ6为机械手右行限位开关，SQ7为机械手上升限位开关，SQ8为机械手下降限位开关，Y0为机械手上升，Y1为机械手下降，Y2为机械手左行，Y3为机械手右行，Y4为焊盘上升，Y5为焊盘下降，Y6为焊盘左行，Y7为焊盘右行。
图2-2自动焊锡机示意图
焊锡机主电路图
整个控制过程主要是四个电机的正反转，包括除渣机械手的上下左右移动以及焊盘机械手的上下左右移动，在外部三相电输入带动下，通过电机的转向的改变来完成控制系统的要求动作，其中包括8个接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7、KM8，KM1和KM2控制机械手上升下降的电机正反转，KM3和KM4控制机械手左行右行的电控的正反转，KM5和KM6控制焊盘机械手上升下降的电机正反转，KM7和KM8控制焊盘机械手左行右行的电机正反转，整个系统主电路图如图2-3所示。
图2-3系统主电路图
图2-3中KM1和KM2为控制机械手上下移动电机的继电器常开开关，KM3和KM4是控制机械手左右移动电机的几点去常开触点，KM5和KM6是控制焊盘机械手上下移动电机的常开触点，KM7和KM8是控制焊盘机械手左右移动电机的常开触点。
当继电器吸合，相对应的触点将会做出相应的动作，然后电机也会进行正反转来达到系统给予的目标动作。
控制系统对应设备及功能
根据控制过程中要实现上升下降左行右行等控制要求，对控制所需的外部设备初步设计如表2-1所示。
表2-1I/O点分配
输入点
输出点
启动按钮
机械手电机上升
停止按钮
机械手电机下降
机械手上升限行开关
机械手电机左行
机械手下降限行开关
机械手电机右行
机械手左行限行开关
焊盘电机上升
机械手右行限行开关
焊盘电机下降
焊盘上升限行开关
焊盘电机左行
焊盘下降限行开关
焊盘电机右行
焊盘左行限行开关
工件焊接
焊盘右行限行开关
I/O点数统计
I/O点数是PLC的一项重要指标。
合理选择I/O点数既可使系统满足控制要求，又可使系统总投资最低。
PLC的输入输出总点数和种类应根据被控对象所需控制的模拟量、开关量、输入输出设备情况来确定，一般一个输入输出元件要占用一个输入输出点。
考虑到今后的调整和扩充，一般应在估计的总点数上再加上20%—30%的备用量。
该系统有11个数字输入点6个数字输出点。
I/O储存器容量的估算
PLC常用的内存有EPROM、EEPROM和带锂电池供电的RAM。
一般微型和小型PLC的存储容量是固定的，介于1—2KB之间。
用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等[11]。
因此在程序设计之前只能粗略地估算。
根据经验，每个I/O点及有关功能元件占用的内存量大致如下：
开关量输入元件：
10—20B/点
开关量输出元件：
5—10B/点
定时器/计数器：
2B/个
模拟量：
100—150B/个
通信接口：
一个接口一般需要300B以上[12]
根据上面算出的总字节数再考虑增加25%左右的备用量，就可估算出用户程序所需的内存容量，从而选择合适的PLC内存。
该系统有11个数字输入点6个数字输出点，需内存280B，有定时器6个，计时器2个，需内存16B，考虑余量后需要内存370B。
CPU功能与结构的选择
PLC的功能日益强大，一般PLC都具有开关量逻辑运算、定时、计数、数据处理等基本功能，有些PLC还可扩展各种特殊功能模块，如通信模块、位置控制模块等，选型时可考虑以下几点：
功能与任务相适应，PLC的处理速度应满足实时控制的要求、PLC结构合理、机型统一、在线编程和离线编程的选择。
全自动洗衣机控制所要求的控制功能简单，小型PLC就能满足要求了[13]。
该控制系统CPU模块可采用CPU-224（AC/DC/继电器）模块，它可控制整个系统按照控制要求有条不紊地进行。
同时由于该模块采用交流220V供电，并且自带14个数字量输入点和10个数字量输出点，完全能满足全自动洗衣机控制系统的要求，所以不再需要另外的电源模块、数字量和输出模块[14]。
综上所述此次设计选用西门子S7-200型PLC。
I/O地址分配
经过上面所有的分析得出以及题目控制要求的表述，我们得出所有的I/O口的分配地址和对应的外部设备。
由控制要求列出自动焊锡机的输入分配表，如表2-2所示。
表2-2自动焊锡机输入/输出地址分配表
输入地址
对应的外部设备
输出地址
对应的作用
启动按钮SB1
机械手上升Y0
机械手上升限位开关SQ7
机械手左行Y2
机械手左行限位开关SQ5
机械手下降Y1
机械手下降限位开关SQ8
机械手右行Y3
机械手右行限位开关SQ6
焊盘上升Y4
焊盘上升限行开关SQ3
焊盘右行Y7
焊盘右行限位开关SQ2
焊盘下降Y5
焊盘下降限位开关SQ4
焊盘左行Y6
焊盘左行限位开关SQ1
工件焊接
停止按钮SB2
外部接线图
根据全自动焊锡机的控制要求，对系统控制的I/O点数进行了统计和PLC型号进行了选择。
本课题是基于PLC的控制，所以在外部接线图中必须要有所有的I/O分配地址点、接触器的名称及对应动作关系。
现根据以上的统计和选择的PLC的外部接线设计如图2-4所示。
图2-4外部接线图
在图2-4中，显示出了所有的输入输出地址分配，所有的系统动作名称，还有PLC上的接线点和系统中使用到的限位开关。
第3章软件设计
内部元件地址分配表
在设计自动焊锡机时用到了一些内部元件，用他们对系统的控制进行更佳的完善，包括两个定时器T37、T38，分别是对工件焊接时间进行计时和工件焊接完成取下焊接好的工件后的延迟时间计时。
现在对控制中要用到的内部元件地址分配表归纳如表3-1所示。
表3-1内部元件地址分配表
定时器
对应的作用
T37
工件焊接时间计时
T38
每次动作完成延迟时间计
PLC顺序功能图设计
顺序功能图，它是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，顺序功能图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，他是一种通用的技术语言，通过他的绘制在直观上看系统的流程更加清晰透明。
此外，绘制顺序功能图为后期的程序编写提
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