基于西门子PLC S7-200的波峰焊解决方案

1 引言 随着我国经济的发展，人们对电子设备的需求越来越大、对电子设备的质量要求也越来越高。在电子设备制造中，波峰焊机是一种很重要的焊接设备。因此其控制系统的设计优劣直接影响着焊接的质量。早期的电脑回流焊、波峰焊采用了“工业控制电脑（工控机）+板卡”的控制模式，在当时环境下给人以“高科技”的感觉。但人们在长期的设备使用生产实践中，人们发现此种控制模式的致命缺点是电脑故障和板卡级联失效引起的整机控制系统瘫痪， 给广大客户造成难以估量的损失。能否找到一种新的电脑控制模式，既有电脑控制的友好界面和高度自动化，又有极高的使用可靠性和最低的设备故障率，这成为电子设备制造的突出课题。最终，一种新的控制模式诞生了。这就是“PLC+电脑+温控模块”的控制方式。因为可编程控制器(PLC)的可靠性高、抗干扰能力强、性能稳定、容易扩展、便于维护和升级。联诚选用的是市场占有率最高，性价比最好的西门子S7-200系列PLC作为主控制器来实现对波峰焊机的有效控制。下面就具体介绍该系统的设计方案。 2 基本方案 控制系统结构复杂的波峰焊机主要包括控制器部分和电气部分。控制系统的核心部分包括上位机和PLC控制、变频器控制、输送链控制、温度控制等等。其系统结构图如图1所示。 图1 波峰焊机控制系统基本结构图 2.1 上位机监控 利用工控机(华北工控)或PC机（国内品牌机/组装机）作为上位机。上位机与 PLC下位机分别独立运行，电脑死机或重新启动对生产无影响。由它运行监控软件。它操作简单、思路清晰、界面友好。上位机软件主要包括以下几个模块： (1) 数据采集、存储模块 上位机每隔一段时间（采集周期由用户设定）向可编程控制器发送读温度命令，然后接收控制器返回的温度数据，经过错误校验以后进行存储并显示。 (2) 数据查询模块 上位机存储的历史数据可以按照不同的规则进行查询以供分析，系统的设置参数也可以进行查询。 (3) PID参数整定模块 虽然PID算法大部分是在下位机完成，但是上位机也可以根据需要调整参数kp、ki、kd的初始值。同时可以设置温度设定值等。 (4) 通讯模块 主要负责与PLC的数据交换及数据格式的转换。 2.2 温度控制 温度控制是波峰焊机控制系统的核心。本方案采用市场占有率最高的西门子S7-200PLC+EM231-TC温度模块进行温度控制。西门子的PLC具有通讯简单，模拟量模块价格便宜，整体的性价比相当高的特点。模拟量采集模块EM231-TC单个模块能提供多路温度信号采集，使用很少的模块就能采集多路温度信号，大大降低了温控成本。现在已经进入了无铅波峰焊时代，对波峰焊的温度精度控制提出了新的要求。很多工业控制过程中一般都采用PID控制，特别是对于纯滞后、大惯性的温度控制。PID控制是按照实际温度和设定温度偏差的比例、积分、微分产生控制作用，实际运行效果和理论分析表明，这种控制规律可以得到比较满意的结果。如果使用PID+模拟量调压的控制方法，可减少温度的冲击，达到较高的温控精度。 西门子PLC S7-200 2.3 步进电机控制 在波峰焊机控制系统中有三种步进电机：链幅调节步进电机、流量控制步进电机和喷嘴移动步进电机。步进电机是将电脉冲信号变换成角位移的一种机电式数模转换器。它受脉冲信号控制，角位移与输入脉冲个数构成严格的正比例关系，每输入一个脉冲，步进电机就转动一定的角度。它具有定位精度高、惯性小、无积累误差、启动性能好等特点。因此，它广泛应用于要求精密定位的旋转或线性运动的控制系统。PLC输出的脉冲信号通过步进电机驱动器达到控制步进电机的目的。 2.4 网络通讯 上位机监控软件和S7-200可编程控制器之间以及PLC和变频器之间均可用RS-485连接。为了最大化的节省成本，上位机通常采用VB等高级编程语言编程。 上位机和PLC连接可以采用两种方式：PC Access OPC通讯和Modbus通讯。 对于PC Access软件，是西门子推出的专用于西门子S7-200 PLC和上位机通讯的接口软件，该软件采用OPC的方式进行通讯，集成了西门子的PC/PPI的协议，使用该软件稳定可靠。 另外，可以采用公开的协议Modbus，Modbus协议是MODICON公司为其生产PLC设计的一种通讯协议。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构。它描述了控制器请求访问其它设备的过程，回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录，制定了消息域结构和内容的公共格式。上位机和PLC的通信使用主－从结构，采用请求－响应方式，主站发出带有从站地址的请求报文，具有该地址的从站收到后发出响应报文进行应答。 Modbus协议有ASCII和RTU两种报文传输模式，在设置每个站的串口通信参数时，Modbus网络上所有的站都必须选择相同的传输模式和串口参数。本系统中我们采用RTU模式进行传输。如图2所示RTU通信帧的基本结构。 图2 RTU通信帧的基本结构 在下位机S7-200 PLC中使用Modbus从站协议进行设计，西门子PLC有标准的Modbus子程序，不用专门编程。在用户程序中调用Modbus从站指令。如图3所示，MBUS_INIT指令用来设置或改变Modbus通信参数。该指令应只在一个扫描周期内执行，一般用在首次扫描时工作一个扫描周期的SM0.1的常开触点来驱动它。程序中只能使用一条MBUS_SLAVE指令，每次扫描都应调用该指令，以响应接收到的通信请求。 图3 Modbus从站协议指令 对于变频器，联诚推荐的是高性价比的西门子MM4或者G110变频器。既可以采用模拟量的控制方式，也可以采用通讯的方式。PLC与西门子的变频器之间的通信可以使用西门子的USS协议，如果对于第三方的变频器，也可以使用基于自由口通讯的Modbus协议和自定义协议。这样本方案可以选用其他变频器，如东元变频器和电机，有利于控制成本。USS是西门子公司为变频器开发的通信协议，可以支持变频器同PC或PLC之间建立通信连接，常适合于规模较小的自动化系统。它以主从方式构成工业监控网站，在网络内有一个主站，1～31个从站，各站点有唯一的标识码识别。 这种结构的特点是：用单一的、完全集成的系统来解决自动化问题。所有的西门子变频器都可以采用USS协议作为通信链路。数字化的信息传递，提高了系统的自动化水平及运行的可靠性，解决了模拟信号传输所引起的干扰及漂移问题。通信介质采用RS-485屏蔽双绞线，最远可达1000m，因此可有效地减少电缆的数量，从而可以大大减少开发和工程费用，并极大地降低客户的启动和维护成本；通信效率较高，可达187.5kbit/s。对于有10个调速器，每个调速器有6个过程数据需刷新的系统，PLC的典型扫描周期为几百毫秒，采用与PROFIBUS相似的操作模式，总线结构为单位站、主从存取方式，报文结构具有参数数据与过程数据，前者用于改变调速器的参数，后者用于快速刷新调速器的过程数据，如启动停止、速度给定、力矩给定等。具有极高的快速性和可靠性。利用西门子变频器的主机上提供的USS接口，仅在终端机中插入一RS-485通信板，就可实现变频器的全部远程控制。 3 软件设计 波峰焊机控制系统采用模块化的设计方法。整个系统分为监控子系统和温控子系统。其中监控子系统主要完成对各个输入点的监视，若有异常情况发生，迅速做出处理，并对输出进行控制，并且根据系统的状态进行故障处理和报警。同样，温控子系统主要完成的功能有：定时选通A/D转换器对温度信号进行采样、滤波、标度变换、存储；定时对处理好的采样值进行PID计算，输出控制脉冲；接受中断请求，处理上位机发送的命令、状态，上传温度值等等。 4 应用效果分析 波峰焊机控制系统的核心是温度控制。只要控温精度上去了，就可以说此控制系统已经达到基本要求了。联诚提供的全套PID温度控制解决方案能够实现控制温度的+/-2°C。 本方案波峰焊机控制系统利用西门子公司的S7-200系列PLC作为下位机控制器，它的抗干扰能力强、稳 定、可靠。上下位机运互不影响，解决了电脑死等问题对生产的影响。 在华南地区诸多波峰焊厂家应用良好，专业的解决方案得到了广大用户的认可。