基于PLC的新型太阳能电池板用超声波焊接机控制系统设计

□ 周 晶 □ 江 新 □ 徐东建

1.东莞职业技术学院 机电工程系 广东东莞 523808

2.东莞三星电机有限公司 广东东莞 523413

3.长江职业学院 武汉 430073

超声波焊接是太阳能电池板加工过程中的一道必要工序，采用全自动控制的新型焊接机，作业精度高，稳定性好，作业效率提升4倍［1］。其控制系统使用西门子S7300系列的PLC［2］，将机械设备由半自动操作改为全自动控制，实现了稳定、可靠、高效、高精度的焊接。通过定位准确的步进电机控制焊接机的运动，既降低了系统成本，又保证了系统精度。同时，该系统采用开放式设计，为系统升级预留了空间，能够满足多种用户的需求。

1 电池板焊接机概述

太阳能电池板用超声波焊接机能实现自动贴胶、自动贴铝带、自动焊接铝带3个功能。

为了实现这些功能，焊接机主要由5个部分组成，如图1所示。其中铝带焊接装置是工艺流程中最重要的环节，位于贴铝带装置后续操作区域，由两个相同的焊接机组成，分别位于后段太阳能电池板传送系统的两侧。在电池板的短边需要焊接铝带的位置都必须先贴上双面胶，再贴铝带，最后焊接。各工艺间采用传送装置输送电池板，机架是整台设备的基础，支撑焊接机的全部零部件。

2 电池板焊接机的控制流程

▲图1 太阳能电池焊接机组成图

焊接机控制系统是一个半闭环系统，由PLC完成现场控制信号的采集与执行元件的驱动，自动控制系统的流程如图2所示。

▲图2 控制系统流程图

3 PLC的控制部分设计

3.1 PLC的输入与输出端子

控制系统选用德国西门子公司生产的S7-300系列的CPU-315。以贴胶模块为例，为了提高工作效率，在电池板的两个短边配备两个贴胶机，设备工作时，两边能同时开始贴胶，因此需要在2个贴胶机上升位和下降位、前进位和后退位配置检测开关，精确定位贴胶机的位置。同时，电池板的长边配置4个检测开关，确定电池板的传送位置。按照控制系统的要求，PLC的I/O分配见表1。

表1 贴胶模块I/O接口图

3.2 控制系统输入输出设备

输入设备用以产生输入控制信号，主要控制贴胶机构、割刀移动、超声波焊接机、电池板传送定位开关等。

输出设备是由PLC输出信号驱动的执行元件，包括伺服电机、工作状态指示灯。

3.3 PLC控制程序模块

系统要求提供多种工作模式，因此，程序设计的重点在于采用合适的方法解决多选择的控制［3］。

①设置模块。将各种操作方式转化为基本工作模块，组合各种工作模块的基本动作，并设置好相关参数。采用模块化的方式有利于焊接机其它功能的扩展。

②基本动作根据设置好的参数，结合传感器的信号，完成焊接动作。

设备的控制程序分为主程序、子程序和中断程序，出于可靠性考虑，对于有安全要求的地方使用外接继电器和开关，其余用PLC内部继电器。部分数字量的输入和程序监控采用触摸屏，从而实现人机的交互。采用STEP 7编程软件进行程序梯形图的编制。

3.4 控制系统设计难点

①贴胶部分。割胶的位置控制、切刀的起点和落点会影响之后贴铝带的位置，现采用伺服电机，通过电机编码器确定位置变化，给出反馈信号，组成一个闭环系统，再进行调整。另外，若采用普通切刀，会出现拉胶现象，影响铝带的黏贴；改用锯齿切刀后，可以一次性快速切断胶带。

②焊接部分。铝带焊接时，压头压在预焊的铝带和铝膜上滚动前移，同时产生切向振动将表面氧化物去掉，增大接触面积，达到一定时间后使压合在一起的铝带和铝膜焊接。焊接时间很短，约1 s左右，时间过长或振动过大都会使焊接强度下降［4］。

超声焊接所需能量为：

式中：v为焊头振速；t为焊接时间；A为焊头的振幅，要根据焊件物性和尺寸选取；f为超声振动频率；μ为摩擦因数，取决于焊头和焊件间表面状态、焊件夹持的方法等；P为焊头上所加的垂直压力，取决于被焊材料的可流动性极限，还与焊件材料的硬度、厚度及焊头振幅大小有关。

另外，电池板长边和短边的铝带汇流点易发生移位，改为多次点焊后，焊接性能大大改善，导电性增强。

4 人机界面的设计

在该系统中，使用西门子人机界面编辑软件WinCCFlexible来设计触摸屏。WinCCFlexible用于组态用户界面以操作和监视机器与设备，提供了对面向解决方案概念的组态任务的支持，组态方式灵活多样，使用方法简捷。

4.1 自动控制部分

主要根据设定的工艺参数实现焊接功能自动运行，并实时显示工作状态，以方便监控。如图3所示。如果需要调试运行，可以把“半自动运行”按钮按下变为绿色，再按下所想要操作部位的按钮，就进入调试状态。当进行步进与复位操作时，“半自动运行”按钮是不需要按下的。

▲图3 自动模式界面

4.2 手动模式

“手动模式”画面中包括了 “登录画面”、“初始画面”、“手动模式”、“自动模式”等按钮，按下可转到相应的操作画面。以“贴胶手动”为例，按下相应的按钮可对贴胶部位进行手动操作。

4.3 生产管理模式

设置了用户管理界面（只能管理员进入，能修改除管理员外的其它用户名、口令、组和注销时间）、伺服状态界面（可显示电机状态）、报警信息界面、I/O状态界面、参数调整界面（贴胶、贴铝带、传送带、1#和2#焊接机的参数根据实际需要设置不同的值）。

5 结束语

实践证明，该系统可以用于1 400 mm×1 100 mm规格的薄膜太阳能电池板的铝带自动焊接，玻璃厚度为3～6 mm，焊接速度小于2 min/块。系统运行稳定、可靠，焊接的铝带导电性能好，符合厂家提出的要求，据厂家认定，其性能指标已达到国外同类产品的技术水平。焊接机系统的投入使用，有效提高了公司薄膜太阳能电池板生产部门的生产效率，据厂家提供的数据，每年节约成本约100万元。

［1］ 周晶，江新，徐东建，等.新型太阳能电池板超声波焊接机设计［J］.机械制造,2014（4）：65-66.

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

［3］ 陈立定.电气控制与可编程序控制器的原理及应用［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［4］ 王贺石.超声波在铝箔焊接中的应用［J］.制造业自动化,1996（3）.

［5］ 陈思忠，郑伟成，都文华，等.铝塑复合管的超声金属焊接［J］.应用声学,2000（4）.