（机械电子工程专业论文）smt回流焊设备电控系统的设计开发.pdf

s m t 回流焊电控系统的设计开发 摘要 s m t 是把“表贴”元器件s m c s m d 贴装在p c b 板上的一种表面贴装技 术，是电子组装的发展方向和主流技术。回流焊是这种技术的关键设备。本文 围绕s m t 回流焊温度曲线的控制要求，对s m t 回流焊电控制系统进行了设计 和开发。重点讨论了多温区回流焊的p l c 控制方案、触摸屏控制与显示界面设 计、软件实现，分析了回流焊炉体的数学模型，并针对该模型进行p i d 参数整 定，最后还给出实测温控曲线。 关键词：s m t ，回流焊，温度控制，触摸屏，可编程控制器 t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m f o rs m ts o l d e r - r e f l o wm a c h i n e s a b s t r a c t s m ti st h ea b b r e v i a t i o no fs u r f a c em o u n t i n gt e c h n o l o g y , i nw h i c h s m c s m d ( s u r f a c em o u n tc o m p o n e n t s s u r f a c em o u n td e v i c e ) c a nb em o u n t e do n p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) s m ti st h em a i n s t r e a mt e c h n o l o g ya n da d v a n c e d d e v e l o p m e n td i r e c t i o no fe l e c t r o n i ca s s e m b l i n g t h es o l d e r - r e f l o wm a c h i n e si st h e k e ye q u i p m e n to ft h i st e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , t h ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mf o r s m ts o l d e r - r e f l o wm a c h i n e si sd e s i g n e d ，b a s e do nt h es m ts o l d e rt e m p e r a t u r e c u i t e t h ed i s c u s so fp r o j e c ta b o u tc o n t r o ls y s t e mi sr e s u l t e di nc h o o s i n gp l c p r o j e c t a n dt h em o n i t o u c h ，t h a t i st o u c h - i n p u ts y s t e m ，i st h ei m p o r t a n c eh m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) i nt h i sd e s i g n t h es c r e e nd a t ao fm o n i t o u c ha n d t h ep l ca p p l i c a t i o np r o g r a mo ft h i se l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e ma r et h ee m p h a s e s t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es o l d e r - r e f l o wm a c h i n e si sf o u n da n dap i da d j u s t e ri s u s e di nt h et e m p e r a t u r ec l o s e dl o o ps y s t e m i na l l u s i o nt ot h em a t h e m a t i c a lm o d e l ， t h ep a r a m e t e r so fp i da d j u s t e ri ss e ta f t e rd e b u g g i n g a tt h ee n do ft h i sp a p e r , t h e r e i sas o l d e rt e m p e r a t u r ec u r v ea sar e s u l t k e y w o r d ：s m t ，s o l d e r r e f l o w ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r ，m o n i t o u c h ，p l c 插图清单 图卜1s m t 和t h t 元器件安装焊接方式的区别1 图1 2s m t 生产线基本组成示例2 图卜3 回流焊结构示意图3 图卜4 回流焊的理想焊接温度曲线4 图2 一l 直流调压方法：6 图2 2 交流调压方法6 图2 3s m t 回流焊电控系统结构框图一1 0 图2 4h a k k ov 6 触摸屏可以构成的配置1 7 图2 5p c b 链电机调速器2 1 图2 - 6s m t 回流焊硬件配置图2 2 图3 - 1 系统上电电路2 3 图3 2 系统上电自举程序2 4 图3 3 触摸屏的屏幕组织形式2 6 图3 4v s f t 软件界面2 6 图3 5v s f t 软件框架2 6 图3 6s m t 回流焊触摸屏画面流程2 7 图3 7 系统开机画面( 0 ) 2 8 图3 8 系统开机画面( 1 ) 2 8 图3 9 系统定时开机画面2 8 图3 1 0 系统定时开机项目修改画面2 9 图3 - 1 1 系统主控画面3 0 图3 1 2 开关操作的确认过程3 1 图3 - 1 3 温度曲线设定屏一3 2 图3 1 4 温度曲线参数调整屏( 之一) 3 2 图3 - 15p i d 参数调整屏3 3 图3 1 6 温度曲线测试画面一3 3 图3 - 1 7 故障诊断画面3 4 图3 1 8h a k k o 触摸屏与p l c 通讯参数对话框3 5 图3 1 9h a k k o 触摸屏外部( 置换) 命令格式3 6 图3 2 0h a k k o 触摸屏屏幕状态控制命令格式- 3 6 图3 2 1h a k k o 触摸屏外控制命令指定的屏幕号- 3 6 图3 2 2h a k k o 触摸屏外部命令状态字3 7 图3 2 3h a k k o 触摸屏屏幕状态字格式3 7 图3 2 4h a k k o 触摸屏屏幕号外部控制命令格式3 7 i i i 图3 - 2 5 “键盘”部件解锁寄存器3 7 图4 1f p w i ng r 操作界面3 9 图4 2 热风机变频调速程序图4 1 图43 热风机频率设定的调整程序图”4 2 图4 4p c b 链速调整程序图4 2 图4 5p c b 链速测量原理图一4 3 图4 - 6 存放p c b 链节间隔时间的队列一4 3 图4 - 7p c b 链速测量程序4 4 图4 - 8s m t 回流焊温区模型4 5 图4 - 9 过零型交流固态继电器4 6 图4 一l o 固态继电器“调压”、“调功”波形图4 6 图4 1 1 固态继电器“调功”模型4 7 图4 1 2s m t 回流焊温区温度闭环控制结构框图4 7 图4 - 1 3f p 2p l c 的p i d 指令格式4 8 图4 - 1 4f p 2p l c 的p i d 指令参数表4 9 图4 1 5s m t 回流焊某温区温度控制程序图5 0 图5 - 1 热电效应5 2 图5 2 中间导体定律5 3 图5 - 3 熟电偶测温原理5 3 图5 - 4 热电偶的补偿线i 5 4 图5 - 5 依据中间导体定律使用普通导线替代补偿线5 4 图5 - 6p i d 控制系统框图5 5 图5 - 7 回流焊开盖机构示意图5 7 图5 - 8 异步电动机与负载的特性配合5 7 图5 - 9 温度测试曲线一5 8 i v 表格清单 表2 一ln a i sf p 2p l c 功能一览表1 4 表2 2n a i sf p 2p l c 选型一览表1 5 表2 - 3h a k k ov 系列触摸屏选型一览表1 7 表2 - 4h a k k ov 系列触摸屏附件选型一览表1 7 表2 - 5n a i sv f 0s e r i e sv v v f 功能一览表1 9 表2 - 6n a i sv f 0s e r i e sv v v f 选型一览表一2 1 表2 7s m t ( 四温区) 回流焊的i o 分配表2 2 表3 - 1h a k k ov 6 触摸屏“读区域”内容3 5 表3 2 h a k k o v 6 触摸屏“写区域”内容3 6 表3 3 $ m t 回流焊电控系统触摸屏“读”“写”寄存器3 8 表3 4s m t 回流焊电控系统定时开机画面中的寄存器3 8 表3 5 $ m t 回流焊电控系统主控画面中的继电器、寄存器3 8 表4 1p i d 指令模式选择表”4 9 v 独创性声明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金壁王些盍堂或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一同工作过的同志所做的任何 贡献已经在论文中做了说明并表示谢意。 学位论文作者签名：伤驭尉签字日期：少年，月夕 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金理王些盔堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权金壁王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后使用本授权书) 魏红尉名：笋，g 弓 签字魄哆鼽月夕日签字日期：1 年1 2 月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：滁州职业技术学院电话：0 5 5 0 3 0 6 2 8 2 0 通讯地址：安徽滁州职业技术学院机电系邮编：2 3 9 0 0 0 致谢 本论文是在导师尹志强教授的热情关怀和悉心指导下完成的。从论文的选 题到方案的确立，我的导师尹志强教授都倾注了大量的心血和辛勤的劳动，对 本论文进行了详细的审定，在此，向尹老师表示衷心的感谢和诚挚的敬意。 课题实施过程中也得到了滁州职业技术学院机电系教职工的大力协助，课 题调试过程中得到了原深圳誉高电子设备有限公司黄厚明工程师的大力支持， 在此表示深深的谢意。 课题实施过程中还得到了家人和朋友的大力鼓舞，谨以此文献给我的爱人 和关心此文的朋友。 最后向百忙中评审本论文的各位专家、教授致以诚挚的谢意l 第一章绪论 1 1 项目来源 1 1 1s m t 概述 s m t 是s u r f a c e m o u n t i n g t e c h n o l o g y 的英文缩写。在我国电子行业标准中， 将s m t 叫做表面组装技术，也常叫做表面装配技术或表面安装技术。它是电 子产品实现“轻、薄、短、小”，多功能、高可靠、低成本的主要技术手段之一。 s m t 是电子装联技术的主要发展方向，已成为世界电子整机组装技术的主流【l 】。 s m t 工艺技术的特点可以通过和传统的通孔插装技术t h t ( t h r o u 【g hh o l e m o u n tt e c h n o l o g y ) 相比较来体现。从组装工艺技术的角度看，s m t 与t h t 的 根本区别在于“贴”和“插”的区别。二者的差别还体现在基板、元器件、组 态形态和组装工艺方法各个方面。 t h t 采用有引线元器件，在印制板p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 上设计好电 路连接导线和安装孔，通过把元器件引线插入p c b 上预先钻好的通孔中暂时固 定后，在基板的另一面采用波峰焊等软钎焊技术进行焊接，形成可靠的焊点， 建立长期的机械和电气连接【l 】。元器件和焊点分布在基板的两侧。采用这种方 法，由于有了引线，当电路密集到一定程度后就无法缩小体积了，并且由于引 线的电感效应和通孔的电容也会限制t h t 电路速度的进一步提高。 n l t 元件t h t 器件 妄k 羔妄赵 。 s m t 元件s m t 器件 图卜1s m t 和t h t 元器件安装焊接方式的区别 s m t 则是把片状结构的元器件s m c s m d ( s u r f a c em o u n tc o m p o n e n t s s u r f a c em o u n td e v i c e ) 或适合表面组装的小型化元器件，按照电路要求放置在 p c b 板的表面( 现已普遍地把贴装s m c s m d 的p c b 称作表面安装印制板 s m b ，但后文仍称p c b ) ，用回流焊或波峰焊等焊接工艺装配起来，构成具有 一定功能的电子部件的组装技术。s m t 的焊点和元器件在p c b 板的同一面， 这样，在p c b 板上保留的少量通孔主要用来连接电路板两面的导线。孔径也小 很多，因此可以使电路板的装配密度极大提高，同时提高电路的高频特性。 1 1 2s m t 工艺1 1 3 1 s m t 工艺过程一般包括：丝印( 或点胶) 、贴装( 固化) 、回流焊接、清洗、 检测、返修等工艺环节。 图卜2 为s m t 生产线基本组成示例。 图卜2s m t 生产线基本组成示例【1 】 丝印：其作用是将焊膏或贴片胶漏印到p c b 的焊盘上，为元器件的焊接做 准备。所用设备为丝印机( 丝网印刷机) ，位于s m t 生产线的最前端。 点胶：它是将胶水滴到p c b 的固定位置上，其主要作用是将元器件固定到 p c b 板上。所用设备为点胶机，位于s m t 生产线的最前端或检测设备的后面。 贴装：其作用是将表面组装元器件准确安装到p c b 的固定位置上。所用设 备为贴片机，位于s m t 生产线中丝印机的后面。 固化：其作用是将贴片胶融化，从而使表面组装元器件与p c b 板牢固粘接 在一起。所用设备为固化炉，位于s m t 生产线中贴片机的后面。 回流焊接：其作用是将焊膏融化，使表面组装元器件与p c b 板牢固粘接在 一起。所用设备为回流焊炉，位于s m t 生产线中贴片机的后面。 清洗：其作用是将组装好的p c b 板上残留的对人体有害的焊接残留物如助 焊剂等除去。所用设备为清洗机，位置可以不固定，可以在线，也可不在线。 检测：其作用是对组装好的p c b 板进行焊接质量和装配质量的检测。所用 设备有放大镜、显微镜、在线测试仪( i c t ) 、飞针测试仪、自动光学检测( a o i ) 、 x r a y 检测系统、功能测试仪等。位置根据检测的需要，可以配置在生产线合 适的地方。 返修：其作用是对检测出现故障的p c b 板进行返工。所用工具为烙铁、返 修工作站等。配置在生产线中任意位置。 1 1 3s m t 回流焊设备 回流焊设备是s m t 生产线的最基本组成。 回流焊也称再流焊，是英文r e f l o ws o l d e r i n g 的直译。回流焊是通过重新 熔化预先分配到印制板焊盘上的焊料，实现表面组装元器件的引脚或焊端与印 制板之间的机械与电气连接【l 】。在回流焊之前，用丝印机把适当、适量的焊锡 膏漏印到p c b 的焊盘上，用贴片机把s m c s m d 元器件贴到相应位置上，把贴 2 好元器件的电路板送入回流焊设备中，焊锡膏经历了干燥、预热、熔化、润湿、 冷却，将元器件焊到印制板上。 回流焊设备有两类基本结构，一类是单温区回流焊，另一类是多温区回流 焊。 单温区回流焊炉，是根据回流焊温度曲线( 参见图卜4 ) 控制温区温度随时间 变化，p c b 板在炉内则是静止不动。这种单温区回流焊优点是投资小、温度容 易跟踪设定曲线，缺点是温度周期性变化因而生产周期长、能耗高，一般适应 于单件或小批量生产。 多温区回流焊则是根据回流焊温度曲线将焊炉划分为若干个不同温度的温 区，p c b 板匀速穿越各个温区从而实现预热、回流、冷却等各个过程。下图为 多温区回流焊结构示意图。 图1 - 3 回流焊结构示意图 多温区回流焊特点是各温区为相对独立的恒温控制，控制算法相对简单。 其最大优点就是效率高、适应工业大批量连续生产。但多温区回流焊各温区间 的物理间隔使得各温区间有一定的温度差，对p c b 板会有一定的热冲击和热应 力不利影响【4 】，因此可采用更多温区的来减小这种温差。 由于回流焊具有“再流动”、“自定位”特点，使得对前导贴片工序的要求 放宽；回流焊焊接质量好、省焊料、产品一致性好，使得回流焊设备成为s m t 工艺的主流设备和关键设备。 1 1 4s m t 回流焊设备技术要求 决定s m t 焊接质量关键技术是，控制加热过程的“温度一时间”关系，称 焊接温度曲线，如图卜4 所示。回流焊的设计制造都是围绕这个焊接温度曲线 展开工作的。 预热区：将p c b 组件从室温加热至1 5 0 c 左右，使焊锡膏中的溶剂挥发。 在1 5 0 1 6 0 c 保温，让p c b 板充分均匀预热，减轻焊接时的热冲击应力，且活 性剂开始起作用去除焊接对象表面的氧化层。 3 2 3 0 1 8 3 1 5 0 常温 图卜4 回流焊的理想焊接温度曲线【1 】 5 1 【6 】 再流区：温度超过焊料熔点3 0 4 0 左右，熔膏完全熔化并润湿元器件 焊端与焊盘。控制再流区的温度和时间是保证焊接质量的关键：时间长、温度 高容易“热”坏元器件，时间短、温度低则易形成虚焊、假焊等现象。所以再 流区是一个重要的“工艺窗口”。 冷却区：使焊接对象迅速降温，形成焊点，完成焊接。 1 2 课题任务 本课题的任务就设计套多温区回流焊电控系统，能满足不同焊接对象对 温度曲线的要求。总体要求如下： ( 1 ) 控制系统简单、可靠，基本免维护。 ( 2 ) 操作简便，界面友好，最好是“一键”启动。有足够用的信息指示，但 又要尽可能少的信息输出，避免“信息”泛滥。 ( 3 ) 温度曲线可任意设定，并可存储，有多种预设温度曲线可供调用，开机 默认上次使用的温度曲线。 ( 4 ) 热风机可在线连续调速。 ( 5 ) p c b 链速可在线连续可调。 ( 6 ) 有后备电源，防止电网突然停电“吞板”。 ( 7 ) 附加功能1 ：能够配合“测试小乌龟”记录下实测的温度曲线。 ( 8 ) 附加功能2 ：定时开机、定时关机有数据接口。 4 ( 9 ) 附加功能3 ： o 回附加功能4 ： 1 3 本文内容安排 具有联网功能。 记录产量。 本文共分六章。围绕回流焊温度曲线的控制要求，选取合理先进的方案、 选择控制元器件，达到控制要求。重点讨论了多温区回流焊的p l c 控制方案、 触摸屏控制与显示界面设计、软件实现，分析了回流焊炉体的数学模型，并针 对该模型进行p i d 参数整定，最后还给出实测温控曲线。 第一章“绪论”，主要介绍了选题的背景、课题的任务和实现方法 第二章“电控系统方案组成与工作原理”，是本文的基础，主要讨论电控系 统的方案选择和最终控制系统的组成，介绍了系统的各功能模块作用及其相互 关系。 第三章“操作界面的设计”，主要讨论开机电路的实现及触摸屏用户界面的 设计。 第四章“f p - 2p l c 用户应用程序设计”，主要讨论了开关量i o 的程序实 现及模拟量程序设计，介绍了固态继电器的脉宽调制实现控温的原理。 第五章“电控系统的调试”，简单讨论开关量程序的调试，重点讨论温度闭 环控制系统的数学模型与参数调整，并给出测试结果。 。 第六章“结论”，总结了控制系统的设计特点与调试结果，指出系统进一步 技改的方向。 5 第二章电控系统方案组成与工作原理 2 1 方案选择与确定 在选择方案之前，我们有必要梳理一下多温区回流焊的控制对象、启停按 钮、操作界面及各种信号。 2 1 1 多温区回流焊控制对象 1 ) 电加热元件。回流焊的加热方法有多种，按加热机制分为汽相回流焊、 红外回流焊、激光回流焊、热风回流焊等。其中热风微循环回流焊是一种效果 较好的回流焊技术。尽管各技术所使用的加热元件有所不同，但电加热元件的 电路模型都是电阻，控制各温区温度的本质方法就是控制各温区电加热元件的 发热功率按照公式 t t 2 p = 1 2 r 或p = 二一 r 可知调整电加热元件的功率就是要调整流过电热元件r 上的电流i 或其两端电 压u ，工业上，一般用调压方式获得。 为了“及时”调节电热功率，理想情况是用直流连续调压方法，如图2 1 ( 口) 所示。考虑到发热元件的热惯性，也可用直流斩波调压法，如图2 - l ( 6 ) 所示。 直流调压需要有直流( 可控) 电源，这在大功率条件下，直流电源投资较大。 ( 口) 直流连续调压( 可控整流) ( 直流斩波调压 图2 - 1 直流调压方法 j ，骇，玖锄m ， 。j 坳 1 7 坳? j 场 八、厂、厂、厂、如) _ vv vv ( 口) 交流可控调压( 交流斩波调压 图2 - 2 交流调压方法 由于炉体的热惯性时间常数远远大于工频交流的周期，工业上，一般用交 流调压方法来调节电热功率。图2 - 2 0 ) 是用双向可控硅获得的交流可控调压波 6 形，它最大的缺点是“污染电网”、有射频干扰，所以用图2 - 2 ( 6 ) 所示的交流斩 波调压法来调节电热功率比较合适。为了满足“热惯性时问常数远远大于斩波 周期”这个条件，宜采用无触点开关来控制电热元件的频繁通断，故多采用固 态继电器作为控制元件。 2 ) 回流风扇电机，俗称热风机。为了使温区不至于“局部过热”，一般还 要使用风扇来强迫热空气的流动，获得均匀加热环境。为了控制循环空气，要 求热风机转速可调整，故用变频器作为热风机的调速器。通过变频器控制口， 能够及时方便地调整热风机转速。 3 ) 冷却风扇电机和抽风电机，分别简称冷风机和抽风机。回流焊回流区后 面设置冷风机的目的为了使焊接对象迅速降温、形成焊点，对电机不作调速要 求。在回流焊入口处和出口处一般要各设置一个抽风机，目的是为了抽去焊料 熔融时挥发出的有害或无害的气态溶剂，也不要求电机调速。所以冷风机和抽 风机只需要用接触器控制其通断、启停即可。 4 ) 驱动p c b 链的电机。p c b 板是用一种传输链来运输并穿越整个回流焊 的。它的快慢直接影响到p c b 板的加热曲线。所以，对p c b 链的速度要求比 较严格，要求速度稳定并可调速，一般都是用一个独立的、带速度反馈的闭环 调速器来调速。 2 1 2 多温区回流焊启停按钮、控制界面及各种信号 。 1 ) 温度设定与显示界面。焊接温度曲线是回流焊的关键参数曲线，要求可 任意设置，以满足不同工艺要求。如果采用警通的按钮一继电一接触控制方式， 势必是按钮数量庞大，还要有数显配合。这种设定方式输入信号多，接线繁琐， 数据转换与存储马烦，不利于简化操作界面。 因此，需要另辟蹊径。与后面的控制器相结合考虑，温度设定操作界面可 以使用触摸屏作为设定操作界面。触摸屏在作为输入设定装置的同时还可以作 为整个系统的显示器使用，及时地显示系统各种信息包括设定曲线和实测曲线。 另外，触摸屏的数据容易转换、存储，与控制器串口通讯不占用系统的i o 点， 接线简便，可大大简化控制器外围电路。 2 ) 启停按钮。既然采用了触摸屏作为人机接口，因此，整个电控系统的绝 大部分操作按钮，除了极少数按钮如系统上电、紧急停止按钮外都可在触摸屏 上设定。考虑到频繁操作的原因，“手动开机一停止一自动定时开机”转换开关也 设于触摸屏之外。 3 ) 各种输入信号。回流焊的重要参数就是各温区的温度。为了及时、准确 跟踪温度的设定，需要对温度进行反馈。考虑到回流焊的温度变化范围，一般 用热电偶作为回流焊的温度传感器。热电偶的输出通常是毫伏数量级的模拟量 电压，在与控制器接口时要考虑到放大、转换等问题。回流焊的另一个重要参 7 数就是p c b 的链速。在对p c b 链速进行闭环控制时，要有速度反馈信号，它 与调速器自成一体，不馈入系统控制器。但为了在触摸屏上生成一个实时温度 曲线，还需要将p c b 链速信号馈入系统控制器，至于馈入系统控制器的p c b 速度信号究竟用模拟量还是用数字量，需要配合控制器来考虑。除此之外，回 流焊的其它输入信号都是开关量输入信号，如掉板保护、变频器故障信号、出 口计数光眼等等。 4 ) 控制器输出信号。第一类重要输出信号就是控制各温区固态继电器通断 占空比的脉宽调制( p w m ) 信号。第二类重要输出信号是控制热风机变频器输出 频率的控制信号。为了减少d a 占用较多输出口地址，因此对热风机交频器也 是用p w m 信号控制其输出频率的。现在许多变频器都可以接受p w m 信号作 为控制输出频率的控制信号。第三类重要输出信号是控制p c b 链速的模拟电压 信号。由于p c b 链速一般用专门的调速器调节，这个专门的调速器是用模拟电 压来控制转速的，故系统控制器需要对此输出一个模拟量电压。第四类输出信 号是各个接触器、继电器、电磁阀的开关量信号。第五类输出信号是向触摸屏 传输各种输出数据，生成各种图文信息，这类信号不占用i o 点 2 1 3 控制方案比较与确定 从硬件上讲，目前工业自动化控制系统一般有：继电器一接触控制方式、 以可编程控制器p l c 核心控制器的控制方式、以及基于计算机技术的p c b a s e d 控制方式。 传统的继电一接触式开关控制与可编程控制器p l c 逻辑控制相比，明显存 在着体积大、功耗大、噪声大、动作慢、寿命短等缺点。p l c 以其强大的逻辑 运算功能、控制灵活( 可编程) 、基本不需要维护( 平均无故障时间m t b f 长) 等 显著优点，首当其冲地占领开关量控制领域。 现代的p l c 的功能已大大超过了早期的p l c 。功能不再局限于简单的逻辑 控制，而且具有定时计数、步进控制、插补运算( 运动控制) 、p i d 调节、p w m 、 数据处理、通信联网、甚至是模糊控制等功能；在驱动能力方面，也大为增强， 现代的p l c 基本可接受现场各种传感器、继电器信号，可直接驱动电磁阀、接 触器之类的执行器件。 p l c 不仅在逻辑控制领域大显神手，而且在闭环控制等调节技术中也显示 出巨大的优点。很多厂商的p l c 基本都具有p i d 调节功能。与传统的运算放大 器构成的p i d 调节器相比，p l c 中的p i d 参数整定方便( 有的p l c 能够自动寻 找最优p i d 参数) 、不存在“温漂”问题。这些p l c 一般还具有a d 和( 或) d a 转换接口，可以直接接受模拟信号、驱动模拟执行器。 因此，p l c 是目前控制系统中一种典型的通用控制器。p l c 控制已成为工 业控制的重要手段之一，与c a d c a m 、工业机器人技术一起成为实现现代自 8 动化生产的三大支柱。可以说工业上传统设备的技改、新设备的设计首先要考 虑的就是p l c 。 p l c 之所以能够获得广泛而深入的应用，很大程度上是得益于计算机技术 的迅猛发展。事实上p l c 就是专门为工业环境设的工业计算机。由于各p l c 厂商出自利益考虑，目前p l c 编程语言还未能做到相互兼容。但随着计算机技 术的迅猛发展，在工业控制中“软p l c ”已开始崭露头角。有理由相信，p c 大规模进入工业控制领域将成为不争的事实。这种基于计算机技术( p c b a s e d ) 的控制技术最终目标是将办公、调度、生产控制统一于一个操作平台下，将不 同厂商的软、硬件部件集成到一个自动化系统中，实现无缝、垂直集成，成为 真正的“管理、控制”一体化。p c - b a s e d 控制系统，将使得系统的性价比大为提 高、人机界面更加友好。但目前，p c - b a s e d 控制系统的信息集成费用仍然很高、 其性价比还没有完全达到与p l c 控制系统的性价比相抗衡的地步，所以本方案 中仍选用技术成熟的p l c 作为系统的控制器。 对于s m t 回流焊还有温控表组成的控制方案可供选择，因其控制精度低， 对操作人员依赖性强，早在淘汰范围之列。至于以单片机、专用集成电路 a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 或现场可编程门阵列f p g a ( f i d d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 等可编程逻辑器件p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 构成的嵌入式控制系统因其开发周期长，可维护性相对较差等原因也不在本系 统方案考虑之列。 2 1 4 最终方案 本系统最终的方案是，以触摸屏为人机接口，以p l c 为控制核心，以各种 行程开关、传感器为信号采集系统，以固态继电器、变频器、调速器、接触器 为驱动器，配合用户程序构成一个完整的回流焊电控系统。 2 2 系统功能划分 回流焊的重点任务是控制各温区的温度、控制p c b 链速，二者配合形成所 需的焊接温度曲线。整个控制系统是由硬件系统和软件系统协调工作完成的。 回流焊电控系统结构如图2 - 3 所示。 2 2 1 硬件系统功能 1 ) 可编程控制器p l c 它是整个电控系统的核心，是用户程序得以存储、 运行的物质基础。可编程控制器接受各种现场参数信号和来自触摸屏的各种操 作指令，经用户程序进行逻辑运算和复杂的控制规律运算，输出p w m 形式的 模拟量信号分别控制固态继电器的通断和热风机变频器的频率，输出模拟电压 以控制p c b 链速，输出开关量形式的信号控制继电器、接触器的通断。 9 图2 - 3s m t 回流焊电控系统结构框图 2 ) 人机接口本系统的人机接口主要是触摸屏，其次还有系统的启停按钮 及一个声光报警器。触摸屏一般通过p l c 串口与之通讯，既可向p l c 传输各 种设置参数和操作指令，也可接受p l c 的各种输出信息并在屏上显示。触摸屏 主要用来设置各温区的温度参数、各种调整按钮。开机时显示开机画面，工作 时显示主控界面、指示系统工作状态、实时显示一些重要的工作参数，并可通 过主控界面上的按钮进入下一级操作界面，如温度设置操作界面等。故障时， 除声光报警外，通过触摸屏可显示自诊断的文本信息。 3 ) 电加热系统通过控制固态继电器的通断占空比来调节加热元件的发 热功率。固态继电器的通电周期为固定值，占空比由温度闭环控制程序通过p i d 运算获得。稳态时，通过温度传感器时刻监视温度的变化，及时调整固态继电 器的通断占空比以维持电热系统的“产热一耗热”平衡，从而使各温区控温点 的温度维持在期望值上( 基本) 不变。动态时，大幅度调整固态继电器的通断占 空比以跟踪温度设定。 按照事物的连续性原理，各温区控温点之间的温度应该在这两个控温点的 温度范围之内，例如，如果第三温区中心点的温度维持在1 6 0 。c ，第四温区中 心点的温度维持在2 3 0 ( 2 ，则第三温区与第四温区之间的各点温度就应在 1 6 0 ( 2 2 3 0 c 内( 线性或非线性分布) 。事实上，多温区回流焊就是基于“温度 空间连续分布”这个假设基础上而成功设计的。 4 ) 热风循环系统热空气微循环的目的就是要使两个温区控温点之内的 其它点的温度按照某种规律分布( 大致为线性) 。使回流焊在空间上沿p c b 运输 方向形成一个与焊接温度曲线相吻合的曲线。这样当p c b 板匀速穿越回流焊 1 0 时，站在p c b 板上看，它就得一个随时间变化的焊接温度曲线。控制热风循环 系统的本质是控制热风机变频调速。一般来说，热风机速度只和设定温度相关 联，无需频繁调节。也就是说，热风机的速度与实际反馈的温度无关，只受设 定温度控制，这样可以大大简化控制算法。不过为了获得更加吻合的焊接温度 曲线，要求热风机频率可以在线人工设定。 5 ) p c b 链速的调速系统p c b 链带动p c b 板匀速穿越回流焊，从而对p c b 板形成一个随时问变化的焊接温度曲线。p c b 链速直接影响着焊接温度曲线的 横向坐标的伸缩。对p c b 链的调速是用一个独立的、带速度反馈的闭环调速器 实现的。系统控制器p l c 输出模拟电压以控制p c b 链速。在控制算法上，p c b 链速与温度控制实现“解耦”控制，可在触摸屏上任意调整p c b 链速。 6 ) 信号采集系统首先是温度模拟信号，由于温度传感器( 热电偶) 的输出 信号为毫伏数量级电压，所以要考虑信号放大、信号的a d 转换、热电偶的冷 端补偿、抗干扰等问题。由于许多p l c 生产厂的p l c 都带有专门的热电偶模 块，可以直接接受热电偶的输出信号，并可用软件实现适当的补偿，抗干扰能 力很强。因此，热电偶可以直接馈入p l c ，在p l c 与热电偶之间无需外加放大 电路和a d 转换电路。其次是p c b 链速信号，本文后面将详细讨论一种简易 测p c b 链速信号的方法( 参见4 3 3p c b 链速的测量) ，从本质讲它馈入的是 一个“高频”开关信号。最后是其它各种开关量输入信号，它们分别是掉板保 护信号、变频器故障信号、出口计数信号、市电信号、系统上电信号等，它们 都可以直接馈入p l c 系统中。 7 ) 开关量输出系统。主要是抽风机、冷风机、开盖电机等接触器的控制及 声光报警控制。 8 ) 后备电源系统( 图中未示出)为防止市电突然停电造成p c b 板无法顺 利出炉而“热损坏”的故障发生，系统使用了u p s 电源作为系统的在线备用电 源。当市电突然停电时，p c b 链条电机、p l c 、触摸屏等不问断供电，保证将 回流焊炉内所有p c b 板都能顺利“吐”出，同时声光报警。在系统没有恢复市 电情况下，当所有p c b 板都吐出后一定时间内，如果系统仍没有得到停机指令 将自动“硬”关机，或因u p s 电源耗尽而提前非正常关机。 2 2 2 软件系统功能 软件系统包括系统软件和应用软件两部分。 系统软件是p l c 生产厂家编制用于控制p l c 本身运行的软件，对用户不透 明，相当于个人计算机中的操作系统，负责p l c 的运行管理、存储管理和p l c 系统自检，解释用户程序，并向用户程序提供功能调用。 应用软件是用户根据控制要求编写的用户程序，一般是通过专门的编程软 件或编程器编制后经p l c 的编程口下载到p l c 中。我们讨论的软件系统功能 就是指的这部分功能。 本控制系统应用软件按功能划分可分为七大模块，分别是逻辑控制模块、 温度控制模块、热风机调速模块、p c b 链调速模块、温度曲线测试模块、参数 设置、存储和调用模块、自诊断功能模块。这里仅是从功能相对独立性上进行 划分的，事实上这七大模块是相互联系的，彼此间存在数据交换与通讯。其中 以温度控制最为复杂，也是回流焊的关键技术所在。 逻辑功能块主要实现以下功能：开机、关机、风扇电机启停、抽风电机启 停、冷却风扇电机启停、开盖电机开盖或合盖、p c b 板入口出口计数、p c b 板 掉板报警、变颓器故障报警、市电掉电报警。 温度控制模块按照温区又分若干块，但各温区的控制算法是一样的。它们 都是用来自触摸屏上的设置参数作为给定值与各自温区的温度反馈信号构成一 个个数字式温度闭环控制系统，采用p i d 调节算法，输出p w m 信号驱动固态 继电器以控制各温区的温度。 热风机调速模块比较简单，直接以触摸屏上的设置参数经适当的比例变换 控制p w m 的脉宽，并成为变频器的频率控制信号。p c b 链调速模块与此相似， 也是直接用触摸屏上的设置参数经比例变换作为d a 转换模块的数字输入量， d i a 转换器输出模拟电压以控制p c b 调速器的控口电压。 热风机调速与p c b 链调速均可在线独立调节。需要注意的是，这些调速的 设定参数一经设定便与温度设定参数一同存储，从而形成关联“记录”。 参数设置、存储和调用模块。在触摸屏的设置界面上，可以对各温区温度 给定值、p c b 链速设定值、上层热风机转速设定值、下层热风机转速设定值分 别进行任意设定。触摸屏上设定值通过指定p l c 内部继电器、寄存器而存储。 重要参数用保持型继电器和寄存器存储，这样在系统失电后仍可以保存数据， 实现了数据的存储。请注意，为了调用方便，这些数据是作为一组“整体记录” 存储在p l c 数据区内的，并给这组数据命名，形如“参数1 组”。同样，在p l c 存储器内另外再开辟若干组相同存储结构的区域作为“参数2 组”、“参数3 组”、的存储区域。参数调用有两种方式，一种是进入参数设置界面直接选 择参数组名即可调用本组所有参数，另一种是开机时自动选择上次的参数组， 即以上次关机时的参数作为本次开机的默认值。 另外，要注意的是各温区的温度设定值一般都会有一个最大值限制。工艺 上要求这个最大值能满足无铅回流焊的温度特点。无铅回流焊因焊料熔点温度 较高，其工艺窗口温度相应提升，因而要求温度设定最大限制值要略大于无铅 回流焊工艺窗口的峰值温度。 温度曲线测试模块。为了验证实际温度曲线与工艺焊接温度曲线是否吻合， 通常在新p c b 板投入生产前除了要重新设定( 或调用) 温度曲线外，更重步是 验证这个新的曲线与工艺曲线的吻合程度。在s m t 生产现场，一般是用一个 专门测试仪进行测试。测试仪是利用一个俗称“小乌龟”的p c b 板穿越回流焊 1 2 炉，小乌龟身上附着热电偶，热电偶通过尾随的导线将采集到的炉内( 一维) 空 间上各点的温度传递出来，并记录在存储器内，最后通过个人计算机上的专用 软件在p c 屏上生成温度测试曲线。这种“离线”生成测试温度曲线的方法比 较马烦。本系统的温度曲线测试模块将小乌龟传递出来的温度信号输入p l c 经 运算直接在触摸屏上生成测试温度曲线。 自诊断功能模块。根据现场各种输入信号和机器的工作状态经逻辑运算产 生故障判断，并做出指示。当故障发生时，根据故障的轻重缓急可作“容错” 处理或停机处理等，并记录故障原因，且通过触摸屏的“故障显示界面”输出 有关故障的文本信息，提供维护向导，供操作人员或维护人员参考。 2 3 器件选型与系统配置 至此，我们对s m t 的电控系统的输入输出以及系统功能有了足够的认识。 现在可着手进行硬件配置。 2 3 1 器件选型 1 ) p l c 选型 p l c 是整个电控系统的核心控制器件，它的选型直接影响到外围电路的简 化、软件的设计以及系统功能的实现。 选择p l c 首先要考虑的问题是输入输出接口问题，即接口的信号形式和驱 动能力。现在市面上所有p l c 都毫无疑问地可以直接接受开关量输入信号，直 接驱动电磁阀、继电器、接触器等开关器件。对于系统开关量输入输出问题几 乎不用太多的考虑，至多是考虑i o 点分配问题。对于s m t 回流焊，要考虑的 第一个特殊问题是，热电偶反馈来的微弱模拟电压信