基于PLC的新型太陽能電池板用超聲波焊接機控制系統設計

□ 周 晶 □ 江 新 □ 徐東建

1.東莞職業技術學院 機電工程系 廣東東莞 523808

2.東莞三星電機有限公司 廣東東莞 523413

3.長江職業學院 武漢 430073

超聲波焊接是太陽能電池板加工過程中的一道必要工序，采用全自動控制的新型焊接機，作業精度高，穩定性好，作業效率提升4倍［1］。其控制系統使用西門子S7300系列的PLC［2］，將機械設備由半自動操作改為全自動控制，實現了穩定、可靠、高效、高精度的焊接。通過定位準確的步進電機控制焊接機的運動，既降低了系統成本，又保證了系統精度。同時，該系統采用開放式設計，為系統升級預留了空間，能夠滿足多種用戶的需求。

1 電池板焊接機概述

太陽能電池板用超聲波焊接機能實現自動貼膠、自動貼鋁帶、自動焊接鋁帶3個功能。

為了實現這些功能，焊接機主要由5個部分組成，如圖1所示。其中鋁帶焊接裝置是工藝流程中最重要的環節，位于貼鋁帶裝置后續操作區域，由兩個相同的焊接機組成，分別位于后段太陽能電池板傳送系統的兩側。在電池板的短邊需要焊接鋁帶的位置都必須先貼上雙面膠，再貼鋁帶，最后焊接。各工藝間采用傳送裝置輸送電池板，機架是整臺設備的基礎，支撐焊接機的全部零部件。

2 電池板焊接機的控制流程

▲圖1 太陽能電池焊接機組成圖

焊接機控制系統是一個半閉環系統，由PLC完成現場控制信號的采集與執行元件的驅動，自動控制系統的流程如圖2所示。

▲圖2 控制系統流程圖

3 PLC的控制部分設計

3.1 PLC的輸入與輸出端子

控制系統選用德國西門子公司生產的S7-300系列的CPU-315。以貼膠模塊為例，為了提高工作效率，在電池板的兩個短邊配備兩個貼膠機，設備工作時，兩邊能同時開始貼膠，因此需要在2個貼膠機上升位和下降位、前進位和后退位配置檢測開關，精確定位貼膠機的位置。同時，電池板的長邊配置4個檢測開關，確定電池板的傳送位置。按照控制系統的要求，PLC的I/O分配見表1。

表1 貼膠模塊I/O接口圖

3.2 控制系統輸入輸出設備

輸入設備用以產生輸入控制信號，主要控制貼膠機構、割刀移動、超聲波焊接機、電池板傳送定位開關等。

輸出設備是由PLC輸出信號驅動的執行元件，包括伺服電機、工作狀態指示燈。

3.3 PLC控制程序模塊

系統要求提供多種工作模式，因此，程序設計的重點在于采用合適的方法解決多選擇的控制［3］。

①設置模塊。將各種操作方式轉化為基本工作模塊，組合各種工作模塊的基本動作，并設置好相關參數。采用模塊化的方式有利于焊接機其它功能的擴展。

②基本動作根據設置好的參數，結合傳感器的信號，完成焊接動作。

設備的控制程序分為主程序、子程序和中斷程序，出于可靠性考慮，對于有安全要求的地方使用外接繼電器和開關，其余用PLC內部繼電器。部分數字量的輸入和程序監控采用觸摸屏，從而實現人機的交互。采用STEP 7編程軟件進行程序梯形圖的編制。

3.4 控制系統設計難點

①貼膠部分。割膠的位置控制、切刀的起點和落點會影響之后貼鋁帶的位置，現采用伺服電機，通過電機編碼器確定位置變化，給出反饋信號，組成一個閉環系統，再進行調整。另外，若采用普通切刀，會出現拉膠現象，影響鋁帶的黏貼；改用鋸齒切刀后，可以一次性快速切斷膠帶。

②焊接部分。鋁帶焊接時，壓頭壓在預焊的鋁帶和鋁膜上滾動前移，同時產生切向振動將表面氧化物去掉，增大接觸面積，達到一定時間后使壓合在一起的鋁帶和鋁膜焊接。焊接時間很短，約1 s左右，時間過長或振動過大都會使焊接強度下降［4］。

超聲焊接所需能量為：

式中：v為焊頭振速；t為焊接時間；A為焊頭的振幅，要根據焊件物性和尺寸選取；f為超聲振動頻率；μ為摩擦因數，取決于焊頭和焊件間表面狀態、焊件夾持的方法等；P為焊頭上所加的垂直壓力，取決于被焊材料的可流動性極限，還與焊件材料的硬度、厚度及焊頭振幅大小有關。

另外，電池板長邊和短邊的鋁帶匯流點易發生移位，改為多次點焊后，焊接性能大大改善，導電性增強。

4 人機界面的設計

在該系統中，使用西門子人機界面編輯軟件WinCCFlexible來設計觸摸屏。WinCCFlexible用于組態用戶界面以操作和監視機器與設備，提供了對面向解決方案概念的組態任務的支持，組態方式靈活多樣，使用方法簡捷。

4.1 自動控制部分

主要根據設定的工藝參數實現焊接功能自動運行，并實時顯示工作狀態，以方便監控。如圖3所示。如果需要調試運行，可以把“半自動運行”按鈕按下變為綠色，再按下所想要操作部位的按鈕，就進入調試狀態。當進行步進與復位操作時，“半自動運行”按鈕是不需要按下的。

▲圖3 自動模式界面

4.2 手動模式

“手動模式”畫面中包括了 “登錄畫面”、“初始畫面”、“手動模式”、“自動模式”等按鈕，按下可轉到相應的操作畫面。以“貼膠手動”為例，按下相應的按鈕可對貼膠部位進行手動操作。

4.3 生產管理模式

設置了用戶管理界面（只能管理員進入，能修改除管理員外的其它用戶名、口令、組和注銷時間）、伺服狀態界面（可顯示電機狀態）、報警信息界面、I/O狀態界面、參數調整界面（貼膠、貼鋁帶、傳送帶、1#和2#焊接機的參數根據實際需要設置不同的值）。

5 結束語

實踐證明，該系統可以用于1 400 mm×1 100 mm規格的薄膜太陽能電池板的鋁帶自動焊接，玻璃厚度為3～6 mm，焊接速度小于2 min/塊。系統運行穩定、可靠，焊接的鋁帶導電性能好，符合廠家提出的要求，據廠家認定，其性能指標已達到國外同類產品的技術水平。焊接機系統的投入使用，有效提高了公司薄膜太陽能電池板生產部門的生產效率，據廠家提供的數據，每年節約成本約100萬元。

［1］ 周晶，江新，徐東建，等.新型太陽能電池板超聲波焊接機設計［J］.機械制造,2014（4）：65-66.

［2］ SIEMENS Ltd..SIMATIC S7-200 System Manual［Z］.2003.

［3］ 陳立定.電氣控制與可編程序控制器的原理及應用［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［4］ 王賀石.超聲波在鋁箔焊接中的應用［J］.制造業自動化,1996（3）.

［5］ 陳思忠，鄭偉成，都文華，等.鋁塑復合管的超聲金屬焊接［J］.應用聲學,2000（4）.