基于PLC的疊焊機運帶抓取控制系統設計

袁躍梅，徐新宇

（南通理工學院電氣與能源工程學院，江蘇 南通 226004）

太陽能作為一種新型綠色能源已廣泛應用于各行業，為工作生活提供了極大便利[1]。光伏組件作為太陽能發電系統的重要組成元件，它的生產效率顯得尤為重要。DHJ-A新型疊焊機是實現快速生產光伏電池組件的自動焊接疊層工序設備，但現有的疊焊機匯流條拉取精度達不到要求（誤差≤1 mm），抓取擺放位置有偏移[2]，且安全防護等級不完善，對設備運行的穩定性以及光伏組件產量和質量帶來較大的影響。因此，設計一種全自動控制系統程序用來提高安全防護等級和快速拉、抓取匯流條具有重要意義。本設計主要研究設備在不需要人工焊接情況下，自動完成匯流帶運送，包括吸取、移動、放置等。通過匯川PLC編程控制完成運帶抓取的各個功能，同時研究試驗拉伸比能否降低拉取焊帶長度誤差，減小拉取的匯流條誤差，提高抓取的擺放位置，增大太陽能電池片的聚光性，提高安全防護，提升設備運行的穩定性以及操作軟件的簡易性。

1 疊焊機運帶抓取系統總體設計

1.1 結構設計

疊焊機運行時，由工作人員在觸摸屏上選擇初始化模式夾爪、壓固、抓取走到初始位，在觸摸屏上點擊自動模式，按下啟動按鈕，夾爪進行自動夾住匯流條并運行設定的長度值，切刀伸出再下切抬起并縮回。夾爪將切下的匯流條依次運送到真空3、真空2、真空1，夾爪放下匯流條時，壓固壓住匯流條末端，防止夾爪后退時，帶動匯流條設定位置，依次打開真空使匯流條吸在擺放位。當備料完成后抓取單元去抓取擺放位上的匯流條，將它們精確地擺放在托盤上進行疊焊，其平面結構圖如圖1所示。

圖1 平面結構圖

本設計以疊焊機的運帶抓取工序為研究對象，即將匯流條卷放在放料電機上，手動拉匯流條穿過切刀口，前壓壓住匯流條，做好匯流條的放料準備。點動切刀下切再縮回初始位，讓匯流條超出切刀的長度成為初定值，再放上重錘使匯流條始終保持拉直狀態，運帶結構主要由放料、剪切和拉取組成。疊焊機的抓取系統作用是抓取在擺放位的匯流條，利用真空吸嘴吸住匯流條，將匯流條精確地放在托盤上進行疊焊[3]，抓取結構設計圖如圖2所示。

圖2 抓取結構設計圖

1.2 控制器和調節方式選擇

由于疊焊機科技的快速發展及裝備規模的擴大，本設計選擇PLC為控制核心。PLC相當于一臺計算機，包含了CPU、存儲器和定時器等硬件，具有邏輯運算和順序控制等功能。PLC控制器抗干擾能力強，在采集數據的速度和運算精度方面較為出色，能夠適應惡劣的復雜工業環境。除此之外，PLC控制器的可擴展性能好，在系統設計時可預留部分I/O接口，方便之后產品更新和功能拓展等[4]。通過電磁閥脈沖寬度調節的方式實現真空調節抓取在擺放位的匯流條，從而完成匯流條的精確放置及焊接。

2 疊焊機運帶抓取系統硬件設計

2.1 硬件結構分析

如圖3所示為疊焊機運帶抓取系統的硬件結構圖，整個系統由PLC、觸摸屏、拉取/抓取/壓固伺服電機、伺服驅動器等組成。A/D、D/A與拉取/抓取/壓固伺服電機為控制系統的輔助功能，協同操作實現輸送帶抓取的穩定運行。觸摸屏是人機交互系統，將系統速度、位置、工作過程狀態和其他信號傳輸到PLC。PLC作為本系統的控制核心，對每種類型的信號進行分析和計算。作為系統的機械臂，拉取/抓取/壓固伺服驅動器可以接收和處理由PLC傳輸的脈沖信號，并將其轉換為設備的速度、動態和位置。在編碼器的幫助下，可準確地監視和反饋由傳送帶捕獲的運動狀態數據。

圖3 硬件結構圖

2.2 部分器件選取

1）PLC選取。根據1.2中的控制器和調節方式選擇分析，為提高控制系統的控制性能，此次使用Inovance系列AM620中型PLC來充當疊焊機運帶抓取的控制核心。InovanceAM620中型PLC具有體積小、高度擬合的系統配置及強大的功能的特性，滿足對疊焊機運帶抓取運行中所需的所有數據計算和邏輯計算的規劃。

2）傳感器選取。自動化設備不能脫離傳感器的配合，并需要多種傳感器之間相互配合才能保證疊焊機安全、穩定、高效地完成疊焊機控制檢測，主要有光電式傳感器、電磁式傳感器、光幕傳感器、限位開關等。在疊焊機運帶抓取系統中，光電傳感器通過紅外線判斷夾爪、壓固、抓取等的位置情況，電磁式傳感器用來檢測氣缸內的壓強信號及電磁閥是否吸合，光幕傳感器用來提高設備安全防護，防止設備在運行時有人靠近設備，保證各個機構在安全范圍內運行[5]。

3）人機交互系統。本設計選用嵌入式一體化觸摸屏作為運帶抓取的人機交互系統，完成操作者與設備之間的溝通，大大降低了設備的操作難度。操作人員不需要對設備有很深的了解，只需用手指控制觸摸屏即可得到運行效果，運行數據可實時反映在觸摸屏上，具有簡單、便捷、分辨率高等特點。

4）伺服系統。本控制系統使用伺服電機驅動放料、拉取、抓取Y和Z四個軸，并使用步進電機驅動壓固。從而確保系統能夠高效、穩定地運行，并實現各個機構之間的協調，同時配以SV635N伺服驅動器，可實現位置/速度控制、速度/轉矩控制、位置/轉矩控制三者控制方式的切換，大大提高其控制精度和適用范圍，使其不僅可用于工業生產和實驗室研究等精度要求穩定的地方，在對速度和張力控制有要求的場合也可以使用。

2.3 控制電路圖設計

在實現疊焊機運帶抓取的精準控制要求時，合理的電氣控制圖設計也是一個非常重要環節，如圖4所示為主電路圖。本設計使用了五臺伺服電機，分別驅動放料、拉取、壓固、抓取Y、抓取Z的軸運行，壓固由傳統的固定壓固轉換為以電機和氣缸的運動，大大降低設備的運行成本。

圖4 主電路圖

3 疊焊機運帶抓取系統軟件設計

3.1 軟件總體設計

本設計將PLC作為設備的控制核心，通過掃描的運作方式來執行程序，利用PLC規劃疊焊機運帶抓取運行中所需的全部數據計算和邏輯計算等問題，通過運帶控制模塊實現對疊焊機的伺服電機的控制。同時，PLC中的IO模塊實時檢測疊焊機運帶抓取的運動狀態并反饋給觸摸屏，使操作員能夠更好地了解運帶抓取的運行信息，從而保證設備在生產過程中能夠安全穩定地運行。為了實現設備的多樣性功能，除了在上位機上開發出配套的工序切換程序，還需搭配不同功能的末端執行器，將設備運行過程中電壓和電流進行實時反饋，進而完成控制，保證設備的正常運行。控制系統的總體結構圖如圖5所示。

圖5 控制系統的總體結構圖

控制系統主程序流程圖如圖6所示，利用觸摸屏、伺服驅動器、伺服電機等裝置建立流程圖中的工作流程。當系統進入運行狀態時，首先進入初始化程序運行部分所需的參數數據，與此同時ABS掃描讀取伺服電機的即時數據，若是讀取失敗將會延長讀取時間，若延長時間后仍然無法讀取數據，將結果反饋至人機交互系統由人工處理。

圖6 控制系統主程序流程圖

3.2 觸摸屏界面設計

觸摸屏界面作為一種人機交互平臺，承擔了操作者與設備之間溝通的任務，大大降低了設備的操作難度。本設計的觸摸屏界面包括主界面、手動界面、參數界面、報警界面及光幕界面，圖7（a）為觸摸屏主界面圖，圖7（b）為觸摸屏手動界面圖。上電后，等待觸摸屏出現主界面，點擊各界面按鈕，就會自動跳到相應的界面。當設備組裝好后，通過手動界面對設備進行手動I/O對點及進行傳感器的手動試驗，完成伺服電機的正轉和反轉點動，保證電機的正常使用。

圖7 觸摸屏界面

4 疊焊機運帶抓取系統仿真與試驗

4.1 軟件仿真

隨著疊焊機技術的不斷發展，仿真與試驗已成為各種復雜系統研發工作中必不可少的驗證手段，通過仿真檢查設備的性能是否完好，是否存在錯誤和問題，提高研發效率，減少設備的損失。

疊焊機的運帶抓取的軟件仿真是在無電情況下，利用匯川InoProShop和InoTouch Editor組態建立計算機和物體的虛擬模型來進行觸摸屏與程序的離線仿真，仿真界面圖如圖8所示。

圖8 仿真界面圖

4.2 實際調試

經過仿真調試后，設備是否能通電實際運行，是完成設計的關鍵步驟。在對電路各部分元器件組裝檢查無誤和電路連接檢查確認良好后進行上電運行，實際拉取運行圖如圖9所示。利用觸摸屏檢測匯流條的備料周期，由自動程序中的計時器在前壓抬起時開始計時，到夾爪回起始位，周期時間為9.8 s。觸摸屏實際監控圖如圖10所示。

圖9 實際拉取運行圖

圖10 觸摸屏實際監控圖

4.3 結果及分析

在疊焊機的運帶抓取運行中，拉取焊帶的長度由于各種因素而造成誤差，對疊焊的光伏組件質量有一定影響。因此，降低設備拉取焊帶的長度誤差有很大意義。本設計提出一種拉伸比的設計方案來降低誤差。拉取運行距離（X）為：

式中：L為拉取長度設置值；R%為拉伸比；r為補差值。根據方案，測量在不同拉伸比值的數值如表1所示。由表中數值可以驗證，備料周期在10 s之內，拉伸比能夠降低誤差在1 mm以內。如圖11所示是拉伸比為1%、1.5%、2%時的測量值曲線圖。當拉伸比為一定時，隨著拉取長度的增大誤差值也會增大；當拉取長度一定時，隨著拉伸比的增大誤差值隨之減小。

表1 拉取長度測量數據表

圖11 曲線圖

5 結束語

本設計以提高焊帶長度拉取和減少備料周期為目的，根據實際要求，從系統結構、硬件設計、軟件設計等方面，設計了一種基于PLC的疊焊機運帶抓取控制系統。該系統以匯川AM600中型PLC為控制核心，利用光電式傳感器和電磁式傳感器進行位置檢測，實現拉取焊帶長度的精準定位；根據光幕傳感器檢測是否有人靠近設備，從而提高了設備安全性。本系統采用梯形圖語言編寫控制程序，實現了系統的自動控制運行。利用匯川InoProShop和InoTouch Editor組態建立仿真，通過仿真驗證系統的穩定性，通過觸摸屏狀態監控等功能，進行了系統運行試驗。試驗證明，拉伸比能將拉取焊帶的誤差降到1 mm以內以及備料周期控制在10 s之內。