基于铅酸电池电极铸焊设备控制系统设计毕业设计说明书1 精品.docx
《基于铅酸电池电极铸焊设备控制系统设计毕业设计说明书1 精品.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于铅酸电池电极铸焊设备控制系统设计毕业设计说明书1 精品.docx（32页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于铅酸电池电极铸焊设备控制系统设计毕业设计说明书1精品
SJ006-1
CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY
毕业设计说明书
题目：
基于铅酸电池电极铸焊设备控制系统设计
二级学院：
延陵学院
专业：
电气工程及其自动化
班级：
09电Y4
学生姓名：
学号：
指导教师：
职称：
副教授
评阅教师：
职称：
2013年6月
摘要
铅酸电池电极铸造是可完成蓄电池制造的加工设备，无论是在交通、通信、电力、军事还是在航海、航空各个经济领域，铅酸蓄电池都起到了不可缺少的重要作用。
传统的铅酸电池电极铸造采用机械传动作为控制核心，但受到不同环境的差异以及机械元器件的寿命和灵敏可靠性的一系列问题，所以很难保证蓄电池的质量以及生产的效率，因此需要通过一种更可靠的控制系统以及新的流程来解决传统机械传统中所暴露出等等问题，大大的化解庞大系统的复杂度，新型的控制很多，本设计主要提到单片机、PLC这两种可编程控制系统，目前这两种方式在各大产业中使用，具有可靠性高、编程简单、能耗低、功能强调试方便等优点。
本次设计的铅酸电池电极铸造控制设备是基于以上可编程控制系统设计的并采用人机交互，并重点阐述了该系统的硬件、软件的设计方法，经过简单的运行实践表面利用新型控制系统可靠性和实用性良好，完全满足系统设计要求，取得了预期良好的经济效益
关键字：
铅酸电池电极；可编程控制器；人机交互；
Abstract
Manufacturingofleadacidbatteryelectrodeisakindofprocessingequipmentoffabricatingstoragebattery,andleadacidbatteryplaysanimportantroleinmanyareassuchastransportation,correspondence,electricity,military,navigationandaviation.Thetraditionalmanufacturingmethodismakinguseofmechanicaldriveasthecoreofcontrol,however,thequalityofstoragebatteryandproductionefficiencycannotbeguaranteedbecauseofdifferentconditionsandlifespanandsensitivityofmechanicalcomponents,asaresult,anewkindofcontrolsystemandprocessareneededtosolvetheproblemswhicharerevealedintraditionalmachineryandthusresolvethecomplexityofthesystem.Thenewcontrolmethodsarevarious,thisdesignconcludestwoprogrammablecontrolsystemswhicharemicrocontrollerandPLC.Nowadays,thetwosystemsareusedinmajorindustries,whicharereliable,simple,low-efficient,goodfunctionandeasydebugging.Thedesignisbasedontheprogrammablecontrolsystemandemphasizesonthedesignmethodsofhardwareandsoftwareinthissystem.Throughatrialoperation,itdemonstratesthatthesystemisreliableandpractical,whichmeetsthedesignrequirementsandachievegoodeconomicbenefit.
Keywords:
leadacidbatteryelectrode;programmablecontroller;man-machineinteraction
第1章引言
1.1课题的来源
近年来，随着科学技术高速的发展，现代化的工业生产开始趋向商品化、社会化和国际路线。
所以加工设备制造的商品已经不单单是面向本国消费，而是要发展面向出口创汇，逐渐形成目前流行的外向型经济。
因其低廉的价格、易得的原料、可靠的性能、容易回收以及适合大电流放点等特点，高效产量的铅酸电池已经解决了目前铅酸电池在市场的需求，但是许多停滞的工业化企业仍保留传统的制造方法，由于市面上的大多铅酸电池面临目前铅酸电池电极铸焊是一种多工序、多物料、复杂的作业，因此造成生产过程中的因素会很多，特别是在一些工序在生产中货收到环境特性的变化，比如说温度、湿度、震度等等，因此在产品生产过程中的质量控制会受到人员、设备、环境、材料、方法等因素，只有保证每一工序都满足质量的要求，才能保证整个生产过程的最终质量。
但是目前传统的制造技术很难达到现在的产业质量要求，铅酸电池经常出现热失控、电压浮动、电池失水等问题，大大的降低铅酸电池的寿命以及使用安全，因此在铅酸电池电极铸焊的过程中实施合理的、科学的、有效的质量控制是十分必要的。
1.2铅酸电池生产设备国内外发展趋势
每道工序的工艺要求不同，所用设备也不同；对于相同的工序，不同的设备所达到的工艺要求也不尽相同。
虽然设备相同，但是操作人员不同，环境不同，所得到的结果也不相同。
因此，对于生产工艺和每道工序的要求必须了如指掌，对所用设备更是要懂得其结构、性能及原理。
目前国内外铅酸电池铸焊设备的电池汇流排的焊接方式有3种，分别为手工焊接、半自动铸焊和全自动焊接。
手工焊接肯定是要被淘汰的，半自动焊接占地大，劳动强度大，环境差，质量不稳定，工效略高于手工焊接。
全自动铸焊是目前的发展方向，占地小，环境好，质量稳定，工效与半自动焊接相当。
全自动铸焊机的缺点是工效不高，应当加以改进，增加多头夹具，提高自动化水平以增加生产效率。
1.3本文研究的内容
面对现在企业中传统的电极铸焊设备，设备数量大，复杂度比较高，对于操作人员的要求也同样如此，所以在环境变化、人员操作时间长所造成的质量下降、合格率达不到预期的标准，成为了现在制造中最为头疼的地方。
一个智能化的控制系统越来越成为现在人们探求的新课题，采用可编程元件可实现铅酸电池电极铸焊的智能化控制、监测及执行。
可编程元件的智能化的电极铸焊设备控制系统可以大大的提高传统机械传动中出现的元器件老化，控制精度低的问题，不但能使控制系统简单化，并且可以如期的保证产量与质量。
现在国内外很多企业开始研发智能化的电极铸焊设备，设备容量小、安装方便、便于拆卸以及检修。
第2章铅酸电池电极铸焊设备控制系统设计方案
2.1系统任务描述
2.1.1控制系统要求
1、该控制系统要求满足以下几点要求：
铅炉温度可在500℃～550℃之间可控制，误差±2℃；
2、冷却水箱温度可以显示；
3、采用上位机显示工作状态，并可进行参数设置；
2.1.2铅酸电池电极铸焊设备生产工艺概述
对电极铸焊设备系统进行控制，是为了满足铅炉对温度的要求。
所以，温度是系统的基本控制对象。
对于铅炉来说温度的高低主要取决于环境温度的高低以及设备自身的稳定性。
考虑到在动态情况下，铸焊设备的加工与实际温度和设定温度之间的平衡关系有关：
实际温度>设定温度，则开始加工；
实际温度<设定温度，则停止加工；
实际温度=设定温度，则保持不变。
通过温度值来通知系统的工作与停止，系统的主要动作由气缸完成，利用冷却装置能快速的进行下一步工序以及提高电池的生产率，同时横向刮刀可以去除铅料上的毛刺，提高产品的质量，形成整体美观性。
利用预先制定的铸焊槽可以方便的达到预期的电极排列，其次铸焊各个极板之间的电流关系，达到之前要求制定的电压等级，并且插入电极棒，用于外电路的正负接入，最后通入稀硫酸，封装完成整个铅酸电池的制造流程。
2.1.3控制系统方式选择
当前控制系统领域较为成熟的控制技术主要有三种，分别是传统继电器控制和单片机控制系统以及PLC控制系统。
方案1
首先继电器控制是一种自动电器控制，它适用于远距离接通和分断交、直流小容量控制电路，并在电力驱动系统中供控制、保护及信号转换用。
控制继电器的输入量通常是电流、电压等电量，也可以是温度、压力、速度等非电量，输出量则是触点动作时发出的电信号或输出电路的参数变化。
继电器的特点是当其输入量的变化达到一定程序时，输出量才会发生阶跃性的变化。
因为继电器控制是依靠机械触点的吸合动作来完成控制的继电器控制系统,工作频率低,工作速度慢，与此同时继电器控制是利用时间继电器的滞后动作来完成时间上的顺序控制。
时间继电器内部的机械结构易受环境温度和湿度变化的影响,造成定时的精度不高不太符合500度的生产环境，同时继电器控制是利用时间继电器的滞后动作来完成时间上的顺序控制。
时间继电器内部的机械结构易受环境温度和湿度变化的影响,造成定时的精度不高，这些都会影响产品的质量甚至会造成工作人员的安全问题，考虑到这些问题，传统继电器优先排除，不做具体的规模设计。
方案2
首先先简单介绍下单片机：
单片机是一种集成系统电路芯片，它采用了超大规模集成电路技术将具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。
从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。
该方案由单片机、温度传感器、变换器、AD模块、按钮、控制驱动电路、加热装置、冷却装置、气动元件、气缸组成。
本方案采用模拟温度传感器作为测温元件，对所需要的温度进行测量，传感器将测到的温度变为相对应的电阻值，然后通过变送器将非模拟量变为单片机可以识别的模拟量，最后通过模数转换器将模拟信号转换成数字信号，传给单片机，
单片机将温度值进行处理之后最后通过触摸屏进行显示，当温度值超过设置值时，系统开始工作。
如图2-1所示
图2.1单片机系统控制框架
方案3
首先先简单介绍下PLC：
PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
是工业控制的核心部分。
图2.2PLC系统框图
该方案由PLC、温度检测转换电路、按钮、上位机、加热恒温电路、冷却装置、气缸。
如图2-2所示
结论：
第一个方案优先排除，接下来的两个方案进行对比比较，PLC控制系统和单片机控制系统相比，用单片机比用PLC，其成本要低一些（大约能省80%左右）。
但是单片机由于集成度比较高，面对500℃的铅炉很容易造成单片机热化，以及铅酸电池电极制造是属于工业制造业，对于产品的产量以及质量要求必须按照国家制造业标准，系统的稳定性是十分重要，单片机很难适应长期灵活编写的系统，而且系统维修成为单片机一个比较头痛的问题，面对这样受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响以及无法避免的抗干扰能力差，故障率高，不易扩展，对环境依赖性强，开发周期长，一个单片机的研发不经过很长时间是很难投入到产业中等一系列问题，单片机系统控制需要PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比单片机要低很多。
一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。
如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适，更重要的是PLC抗干扰能力强，故障率低，易于设备的扩展，便于维护，开发周期短等优点，符合铅酸电池制造业。
因此在铅酸电池电极铸焊设备控制系统方式的选择上，采用PLC控制系统。
第3章铅酸电池电极铸焊设备的电气原理设计
本次设计是以PLC为核心组成的铅酸电池电极铸焊设备，系统中必须有前向通道作为电信号的输入通道，用来采集输入信息。
温度的测量，需要传感器，利用传感器将温度转换成电信号后，再经A/D转换为数字量后才能由计算机进行有效处理。
然后用液晶屏进行显示。
将己经包片好的极群由极群盒内取出，放入夹具内，然后再把夹具放入刷耳、切耳机上，由刷耳及切耳，一次成型。
然后将夹具放入脱模入池壳装置上，启动运行开关。
本设计自动合闭操作门→模具加热→极群焊接→模具冷却→脱模入壳等系列流程一次完成。
3.1温度检测转换电路
温度检测转换电路是用来检测当前铅炉的温度然后将500-550度的温度值传送到PLC中，最后将温度值显示在屏幕上，以及检测当前冷却装置的温度，然后将相对应的温度值同样显示在屏幕上。
方便操作人员了解铅炉的工作情况。
首先必须有一个温度传感器，用来测量铅炉的温度，然后将传感器接入到变送器中，将非模拟量变为可以识别的模拟量，其次需要一个转换电路，因为传感器所测量到的信号为模拟信号，需要将模拟信号转换为数字信号，然后将数字信号传送到PLC中。
转换电路可以用A/D模块进行转换，为了能达到预期设计的效果，必须对各个硬件进行选型。
3.1.1温控传感器的选择
温控传感器是温度检测系统中的重要组成部分，由各种温度敏感元件将被测温度信号转换成容易测量的电信号作输出，给显示仪表显示温度值，或供控制和报警使用。
温度传感器的种类繁多，如热电偶传感器、热敏电阻传感器、电阻温度检测器（RTD）传感器和IC温度传感器以及PT传感器。
热电偶的缺点是检测灵敏度不高．优点是较宽的使用范围；热敏电阻器制作的温度传感器，它的优点是在较小的温度范围内具有很好的温度检测能力，缺点就是输出值的线性度比较差，因此需要线性补偿。
综上要精确检测500度以内的温度，上述各类温度传感器都不符合。
另外，IC温度传感器的分散性太大，进行高精度测量必须校正，不足之处在于温度范围有限（55℃～150℃）。
铂（PT）测温电阻的电阻温度系数分散性小，其精度高、线性好、灵敏度也比较高，用它制作的温差计性能优良，现在市面上的PT传感器以PT100和PT1000为主，PT100和PT1000的工作原理都一样，但是不同点在于：
1.在0摄氏度时的电阻不一样,PT100是100欧,PT1000是1000欧;2.温度范围不一样,PT100是-200至850度,PT1000是-50至300度,PT1000无法测量500度范围的温度，,所以综上考虑采用PT100温控传感器能更好的适用设计要求。
同样PT100传感器也满足冷却装置温度检测电路。
设计中对于温度的误差要求为正负2度，所以PT100的精度选择为B型完全能符合设计要求，对于传感器的探测头大小没有硬性的规定，所以这里确定为直径为4mm，长度为50mm，引线的长度为了留有一定的余量，所以引线的长度确定为2000mm，但是由于考虑到引线的长度会影响测量的精度，造成一定的误差，所以在传感器的接线方式上采用3线制，采用三线式接法可消除引线线路电阻带来的测量误差，所以传感器选型确定为STT-R-A1-B4-C50-D4-E3F2G0H0-L2-PB-T指定-W0-S0。
3.1.2变送器的选择
变送器的作用就是让传感器输出的非模拟量变为可以识别的模拟量，上面所选的传感器的接线方式为3线制，所以变送器必须有3线接口，能与传感器配接。
并且变送器的电源最好与PLC的电源大小相同，省去不必要的电源模块。
而且变送器可以将非模拟量变为电流量或者电压量，考虑到设计的环境，电压量的波动比较大，会造成2次误差，电流量比较稳定，适合设计的要求，所以变送器选型确定为MIK-PCT300,将PT100的3根接线接入到MIK-PCT300的接线口上.
3.1.3A/D转换器的选择
模数转换器是连接模拟和数字世界的一个重要接口。
A/D转换器将现实世界的模拟信号变换成数字位流以进行处理、传输及其他操作。
A/D转换器的选择是至关重要的。
所选择的A/D转换器应能确保模拟信号在数字位流中被准确地表示，并提供一个具有任何必需的数字信号处理功能的平滑接口，这一点很重要。
目前的高速A/D转换器已被应用于各种仪表、成像以及通信领域中。
对用户而言，所有这些应用都有着相似的要求，即以较低的价格实现更高的性能。
A/D转换器的种类很多，如SAR型A/D转换器、闪存型A/D转换器、流水线型A/D转换器，由于考虑到温度是500度，转换为2进制为9位，因为SAR型A/D通常具有10～16位的分辨率。
SAR的架构基于一个比较器。
若要获得n位的分辨率，逐次逼近转换器就必须执行n次比较器操作，并把每一次的结果都存储在寄存器中。
一个12位转换器需要12个时钟周期来完成一次转换。
而且这种转换器的优点是硅片尺寸小、功耗低且精度高。
本设计的温度为500度-550度，转换为2进制为10位，三菱PLC有独立的AD模块，分辨率为12进制的高精度模拟量输入，匹配度高，而且可选的型号与模拟量的
图3.1FX2N-2AD与PCT300以及PT100的接线图
输入通道相关，考虑温度检测电路需要2个通道，所以AD模块的选型确定为FX2N-2AD。
FX2N-2AD可混合使用电压输入和电流输入，2个通道的输入特性相同，之前选型的变送器为电流输入。
下图3.1为FX2N-2AD与MIKPCT300以及PT100的接线图。
因为FX2N-2AD与FX2N-2DA与三菱PLC的接线方式是一样的，都是通过延伸电缆进行链接，下图3.2可理解为为FX2N-2AD与三菱PLC的连接图
图3.2三菱PLC与FX2N-2AD的接线方式
如图3.3为温度值/模拟量对应关系，不同的温度对应不同的电流值，因为PT100的上限为850度且FX2N-2AD模块的输入模拟电流上限为40mA,考虑到安全问题，将20mA作为600度对应的模拟量，整体提高了安全系数。
图3.3温度值/模拟量线性关系
3.2上位机监控
上位机俗称PC机，上位机监控的作用是用来显示系统的工作情况，并把这些工作情况及时的反映到屏幕上，并且要发出控制指令。
“友好”的屏幕画面，高效的主机处理能力，让越来越多的工业所匹配。
并且通过MCGS软件可以制作各种让人满意的设备工作画面。
本系统需要将铅炉的温度以及冷却装置的温度展现在屏幕上，设计可以通过MCGS软件制作出符合工业标准的组态画面，达到设计要求,最终确定上位机的型号为IBMT61。
3.3气动回路
气动回路是用来为蓄电池电极铸焊提供动作，整个设备的加工动作离不来气动回路，不同的气动回路会产生不同的动作。
本设计本设计气动需要控制自动合闭操作门→模具加热→极群焊接→刮铅板刮铅→模具冷却→脱模入壳等系列流程。
至少有8个动作，所以要配对8个气缸和8个电磁阀。
但是PLC与气缸是不能直接相连的，必须通过电磁阀来控制气缸的行动的方向，首先先介绍下电磁阀：
在气动系统中，电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动。
电磁阀的作用就是在控制系统中按照控制的要求来控制气体的流动方向，可以通过不同定制的电磁阀来控制一个气体多路的运动方向，就如同三项电路中的继电器线圈的通断，只不过是动力源不同而已。
而阀体是控制算法得以实现的重要设备。
但是不是所有的电磁阀都能与PLC进行相连，原因是要看电磁阀的线包电压等级，再看线包的功率，再查查PLC模块的带负载能力，如果PLC的带负载能力和输出电压等级和电磁阀的相匹配，那用PLC输出直接驱动电磁阀就可以了，如果电压等级不匹配或是PLC的带负载能力不够，那么电磁阀就不能直接与PLC进行相连。
为了解决这样的问题可以加中间继电器过渡一下，PLC输出信号控制继电器线包，电磁阀的控制信号从继电器的触点上取。
图3.5D-A93与PLC接线图
具体的实现的方法是利用电磁阀是用来控制气缸的，PLC程序可以通过电磁阀线圈的电信号来反馈，气缸的可以滑动的指示灯应该是感应开关，是用来感应气缸位置的，当感应到气缸到达极限时给PLC信号，让PLC控制下一步动作，为了让感应开关和PLC触点直连，感应开关必须是小功率、小电流，最终确定感应开关的型号为D-A93磁性开关，最大开关电流为100mA，最大容量为10W，符合设计要求，因为系统需要8个气缸，每个气缸需要2个磁性开关，所以需要配备16个D-A93磁性开关，图3.5为感应开关与PLC的接线图。
气缸活塞有磁石，当活塞到达感应开关位置时，感应开关会给出反馈信号，传到PLC，进而程序会继续下一步，实现自动化。
图3.4气动回路图
本设计中的有些气缸需要双向移动，不单单定向的移动，所以电磁阀的位数在考虑之中，本设计采用的5SV130-8-B、5SV410-15-B该产品特性：
1、四口三位手转阀，有三种中央功能可供选择；2、换向转动轻盈，手感好，定位准确；3、有效流通面积大，压力损失小；4、有面板及底部两种安装形式可供选择，面板安装附安装螺母;5、驱动电压为直流24V，所以不需要中间继电器，节约成本。
但是单纯的电磁阀控制气缸会产生前后压差变化，从而影响流量稳定，所以本设计中必须配备调速阀，可以选择AS3201F-02-08S和AS4201F-04-10S。
通过查询可知电磁阀功率小可以直接与PLC配对，通过电磁阀的通断来传送气体给气缸，达到预期的效果。
空气压缩机的选择必须劲量的满足气缸运动的负载动力，这里选择的压缩空气压力（恒压0.8Mpa），用气量约为0.3立方米∕min∕台。
压缩气体输送管道：
耐压强度达到1.6Mpa以上，无缝管管道，直径≥φ30mm。
如上图3.4所示为气动回路图，因为设计中所用的电磁阀和气缸都是单相的，因此下图可以反映其它气动回路，表3.1为气动回路器件明细表。
表3.1气动回路明细表
序号
符号
名称
型号
数量
1
Y1
门气缸
SC50-500-S
1
2
Y2、Y3
模架气缸（左、右）
SC50-200-S
2
3
Y4
刮铅渣板气缸
SC40-250-S
1
4
Y5
刮铅板、顶出气缸
SC50-250-S
1
5
Y6
夹具支架气缸
SC100-500-S-20
1
6
Y7
压盒气缸
SDSC100-40-S-10
1
8
Y8
脱模顶出气缸
SC50-250-S
1
9
GC
气源处理三件套
GC600-20
1套
10
YV1
门气缸电磁阀
5SV310-8-B
1
11
YV2、YV3
模架气缸（左、右）电磁阀
5SV310-8-B
2
12
YV4
刮铅渣板气缸电磁阀
5SV310-8-B
1
13
YV5
刮铅板、顶出气缸电磁阀
5SV310-8-B
1
14
YV6
夹具支架气缸电磁阀
5SV410-15-B
1
15
YV7
压盒气缸电磁阀
5SV410-15-B
1
17
YV8
脱模顶出气缸电磁阀
5SV310-8-
升级会员 