全自动焊锡机系统设计
全自动焊锡机系统设计电气与自动化工程[20200121204217]
摘 要
全自动焊锡机是一种高效的焊锡系统，它能代替人的双手进行高质量的焊锡工作。它采用了PLC来控制焊锡过程。不仅操作会简单方便很多而且焊缝也更加均匀稳定性高。全自动焊锡机改变了传统低效率的焊锡模式，极大地提高了生产效率也让焊锡效果更令人满意。因此，设计一个完善的自动焊锡系统就具有很强的实用价值和现实意义。
本文首先对全自动焊锡机系统设计的意义、研究现状进行了介绍。在分析了全自动焊锡机系统的功能需求之后，提出了一套基于PLC技术以及过程控制技术的自动焊锡机系统设计方案。焊锡系统硬件主要包括直流电源、电缸、触摸屏、焊锡组件、气动控制阀等等。通过PLC可编程逻辑控制器以及WINCC过程控制平台实现对焊锡过程的控制和监视。简要论述了焊锡系统的硬件构成和选取原则。对全自动焊锡机软件的设计思想以及软件的实现进行了详细的介绍。最后，通过实际应用表明：本文设计的自动焊锡系统不仅能够满足焊锡的生产要求，而且具有生产效率高、稳定性强和维护简单等优点。
关 键 词：PLC技术 全自动焊锡技术 实用意义
Design of Automatic Soldering Machine System
ABSTRACT
Automatic soldering machine is a kind of efficient soldering system, it can work on high quality soldering instead of human hands. It used the method of PLC to control the soldering process, which is not only simple operation will be a lot of high stability . Automatic soldering machine has changed the traditional inefficient soldering mode. It greatly improved production efficiency also made soldering result satisfied. Therefore, to design a perfect automatic soldering system has a strong practical value and realistic significance.
First, This article implicates the design of automatic soldering machine system, and the researching status are introduced. On the analysis of the function requirements of automatic soldering machine system, this paper puts forward a set of PLC technology and process control technology of automatic soldering machine system design scheme. Soldering system hardware mainly includes the DC Power, Electric Cylinder, Touch Screen, Soldering Components, Pneumatic Control Valve and so on. Through the PLC programmable logic controller and WINCC process control platform , we can realize and monitor the process of soldering . Briefly discusses the soldering system hardware structure and principle of selection. For automatic soldering machine software design and the realization of the software has carried on the detailed introduction. Finally, through the practical application shows that: in this paper, the design of the automatic soldering system not only can meet the production requirements of the solder, and has high production efficiency, strong stability, and simple maintenance, etc.
Key words: PLC automatic； soldering technology； practical significance
1. 绪论........................................................................1
1.1自动焊锡机的背景...............................................................1
1.2自动焊锡机的意义...............................................................1
1.3自动焊锡机的发展方向...........................................................2
2. 系统整体设计.................................................................3
2.1系统功能需求...............................................................3
2.2系统流程设计...............................................................3
2.3系统框架构成...........................................................4
3. 硬件设计....................................................................6
3.1 PLC的设计.......................................................................6
3.1.1PLC简介.....................................................................6
3.1.2 PLC工作原理................................................................7
3.1.3 I/O点数统计................................................................8
3.1.4 PLC的选取.................................................................8
3.2自动焊锡机硬件统计...................................................9
3.3自动焊锡机硬件接线及布局.....................................................9
3.4硬件设计小结................................................................12
4. 软件设计...................................................................13
4.1STEP7-Micro/WIN32简介.........................................................13
4.2系统梯形图.....................................................................14
4.2.1梯形图的特点..............................................................14
4.2.2梯形图绘制原则............................................................14
4.2.3自动焊锡机的系统梯形图...................................................14
4.3软件设计小结...................................................................19
5. 组态设计...................................................................20
5.1 WINCC简介......................................................................20
5.2 WINCC界面设计.................................................................20
5.3 WINCC定义变量.................................................................24
5.4组态设计小结...................................................................26
6. 调试及应用................................................................27
6.1调试准备.....................................................................27
6.2软硬件调试...................................................................27
6.3实际生产应用...................................................................29
结论.........................................................................30
参考文献............................................................................31
附录.................................................................................32
致谢.................................................................................38
1. 绪论
1.1自动焊锡机的背景
焊锡技术在日常生产中一直发挥着不可或缺的作用。然而，传统的焊锡技术是依靠人工去操作电烙铁，使用的热源温度低、而且能量不集中。不仅稳定性难以保持而且造成了很大的能源浪费，效率底下。很难适用于大规模生产的焊锡生产场合。并且由于工作性质的需要，人们经常受到高温、腐蚀以及有毒气体等因素的危害。伴随着现代控制技术飞速的发展，焊锡技术也得到了长足的进步。
1.2自动焊锡机的意义
焊锡是利用低熔点的金属材料，通过加热使其熔化填充金属件间隙的生产工艺。因为所用的材料常为锡合金，所以称为焊锡工艺。烙铁是常有的加热工具。焊锡工艺被广泛的应用在电子工业中。自动焊锡机是用来完成生产中的焊锡作业。焊件的可焊性、焊料合格、焊点形状这些都是需要注意的问题。由于焊缝的质量直接影响焊锡成品的质量，所以提高焊缝质量就成了关键。而焊缝的质量除了和焊缝的几何形状有关，尺寸大小、受力状况以及工作条件这些因素也将直接影响到焊接接头处的强度。也正因为焊锡技术在日常工作生产中的的普遍性和重要性，所以提高焊锡效率成为了人们一直探讨的课题。
自动焊锡机在空间中有很好的调配性能，烙铁工具和锡丝材料都不需要借由人的手操作掌控。自动焊锡机完全代替了人的双手，焊锡头可以调整到需要焊接的位置。一般都得选择具有耐高温，抗腐蚀特性的材料作为制作自动焊锡机的生产材料，这样才能够去适应现场的工作环境。自动焊锡机配置了焊锡组件系统。焊锡组件系统采用了手动设定加热温度，采取了可靠的数字式自动恒温的出料环境。在生产走到对应流程的时候，出锡装置将自动、定量定速的将锡料送到烙铁头的下面，同时系统也具备金属防静电的安全功能。与传统的焊锡工艺相比，自动焊锡机能够自动精确的控制送锡速度、出锡温度；还具备出锡报警、温度报警的保障安全功能，大幅度提高了生产效率也降低了劳动强度。这是在传统焊锡模式基础上的一个巨大提升。也正是因为自动焊锡系统具备了这些优势，所以焊锡系统才能够得到越来越多的应用，得到越来越多的关注和研究。
1.3自动焊锡机的发展方向
伴随着社会的进步，人们对工业生产也有了更高的要求。而焊锡在工业生产中就是一个很重要的环节，它的好坏将直接影响整个生产的质量。所以，如何提升自动焊锡机的性能是必须要面对和解决的课题。随着科学技术的发展，可以预见到自动焊锡机必将会向更加人性化，更加智能化的方向转变。通过对焊锡系统的管理和设置，实现更易操作维护最大化的优化生产。 现在很多国家都在进行着自动焊锡机器人的研究，随着越来越多自动焊锡机器人的研究和实质性的进展和突破，必将在科学生产领域再一次掀起一股热风，也必将给繁琐复杂有一定危险性的焊锡工作带来了一次本质的解放。自动焊锡机器人以传统的自动焊锡系统理论基础为依据，再根据新的生产要求，利用最新的工业控制技术为依托从而最终得到的产物。与自动焊锡系统相比，焊锡机器人匹配的编程语言种类更广，它可以读取多种编程指令，可以提供更高效的生产。焊锡机器人拥有自身专属的烙铁头，烙铁的温度更加平稳加热曲线更加平滑，拥有比自动焊锡机的更加精密的控制系统，从而大大提升了焊锡的质量。目前在国内的主流市场上，一些国内品牌的自动焊锡机器人已经投入到了汽车行业、数码产品、电子、线路板等生产领域的应用上。由于自动焊锡机器人彻底突破了传统工艺上存在的劣势和局限性，有理由相信它一定会得到越来越大规模的应用。
2. 系统整体设计
2.1系统功能需求
在汽车的工业生产中有很多元器件部分需要进行焊锡工作。焊锡的质量、准确性将直接影响部件的功能，甚至会对汽车的安全性能造成潜在的威胁。为了能够在提高焊锡效率的基础上同时保证成品的安全性和可靠性，需要保证自动焊锡系统具备如下功能：
(1)能够通过控制电缸执行器实现对夹具位置的精密设置，以此保证焊点的准确无误。
(2)焊锡系统可以数字式设置加热温度，出锡速度等相关参数。所用的锡丝直径要求在1mm左右、系统工作时的功率在150W左右、焊点需要平整光滑、系统具备温度报警和锡丝报警的功能。通信口能够与PLC建立通信，达到生产安全性和精密性的统一。
(3)可编程控制器PLC能够接收所有的输入信号，经过用户程序得到的输出信号能够控制外部设备并达到相应的控制目的。可编程控制器能够与触摸屏良好的交换生产数据。
(4)焊锡系统需要具有良好的人机交互界面，能够实时的对系统状态进行监控，提示报警信息等功能。并且能够在界面中实现对相关参数的设置。
2.2系统框架构成
此次设计，自动焊锡机是基于PLC控制技术来满足生产要求的。系统主要是由焊锡组件、PLC可编程控制器、安全光栅、电缸以及触摸屏等硬件构成。他们之间的生产关系如图2.1所示：
触摸屏 PLC 电缸 执行器
显示系统状态 焊锡装置 控制夹具
设置参数
出锡、焊锡、
温度报警等
图2.1 系统框架图
PLC模块：整个自动焊锡系统的控制中心。接受输入的信号、实现与其他设备的数据通信以及控制信号的输出；
电缸：利用SMC开发的LEC6系列电缸控制器来实现对执行器的位置、速度等参数的设定进而精确的控制夹具；
西门子Smart 700IE触摸屏：利用组态技术在触摸屏上实时地显示系统的生产状态、提示系统报警信息并控制生产流程；
Quiick7024焊锡装置：恰当地设置出锡速度、加热温度等参数完成对系统的供锡工作；
图2.2 系统框架实物图
2.3系统流程设计
该系统主要的生产流程具体如下：启动系统，系统处于原位，放上待焊锡的生产元器件。在检测到放置无误之后按下控制启动按钮，电缸根据设置好的值将夹具送到位子C1。到达规定位置之后，出锡装置将出锡，焊头气缸将到伸出位S2进行第一次的焊锡工作，第一次焊锡完成之后，焊锡头回到缩回位S1,夹具被送到设置好的位置C2此时焊锡头下来进行第二个焊接点的焊接，焊锡完成之后清理锡渣气缸清理，在一个循环的焊锡工序之后，系统回归原位状态。如果途中出现锡料不足或者待焊锡的元器件未放置好这类情况，那么系统将会将产生报警。重新上料或重置元器件既可消除报警。系统主要流程如图2.3所示：
上电
设备原点
放置产品
检测产品有无
Y
检测产品有无放置好
Y
按下启动按钮
无遮幕信号
Y
夹具到位置C1
焊头下降、对焊点1第一次焊锡
焊头上升、夹具到位置C2
焊头下降、夹具回到位置C1、对焊点１第二次焊锡
焊头上升、夹具到位置C3
焊头下降、对焊点2第一次焊锡
焊头上升、夹具到位置C4
焊头下降、对焊点2第二次焊锡
焊头上升、清理锡渣
夹具回原点
图2.3 系统流程图
3. 硬件设计
3.1 PLC的设计
3.1.1 PLC简介
可编程控制器就是俗称的PLC，是现代工业控制的三大支柱之一。它是六十年代末为了满足当时工业控制需要而发明出来的产物。随着工业文明的进步，PLC已经成为了现代工业控制系统的重要组成部分，在现代工业生产中深受欢迎。由于它具有生产成本的低廉以及强大的控制性能，这两个明显的优势让传统继电器的控制模式面临着前所未有的挑战。
可编程控制器的基础是微处理器，它具有占用空间小、功能强大、通用性强和方便维护等一系列的优势。尤其是它的可靠性非常高而且适应恶劣工作环境的能力也很强，因此受到了广大用户的喜爱青睐。PLC的基本结构如图3.1所示：
输 输
入 出
接受 接 中央处理单元 接 驱动
现场信号 口 CPU板 口 受控元件
单 单
元 元
电源部件
图3.1 PLC结构图
可编程控制器是以存储器为基础的控制器，在存储器中存放着用于控制系统工作的程序。利用存储器内的程序进行逻辑控制，达到生产所需满足的控制要求。设计一个利用PLC控制的系统，首先需要根据生产对象的要求分析系统的控制任务，然后通过编程软件编制相对应的控制程序。最后，利用编程线缆将编写好的控制程序写入到可编程控制器的存储器当中。通过读取外部控制信号运行存储器当中的程序，进而控制被控对象进行工作。可编程控制器是利用软件程序来实现逻辑控制的，能够满足不同控制任务的要求，通用、方便、可靠性高。
3.1.2 PLC工作原理
PLC是通过CPU来连续执行用户程序的。一般PLC在一个扫描周期中需要完成以下4个扫描过程：1.自诊断测试的扫描过程2.与网络进行通信的扫描过程3.用户程序的扫描过程4.读输入与写输出的扫描过程。它一直重复的进行循环扫描并执行软件程序设计好的任务。
运行流程如下图3.2所示：
电源ON
内部处理
输入处理（输入传送、远程I/O）
通信服务（外设、CPU、总线服务）
更新时钟、特殊寄存器
CPU stop
运行方式
执行程序
输出处理
执行自诊断
PLC Y
正常否？
N
存放自诊断错误结果
致命 N
错误
Y
CPU强制为stop
图3.2 PLC运行框图
3.1.3 I/O点数统计
选取PLC的时候，一定要注意I/O点数统计这项指标。需要提前统计出控对象的I/O点数，再根据统计的结果选取合适的PLC。一般情况下，一个输入输出元件需要占用一个输入输出端口。通常会在总点数的基础上加上20%左右的备用量。
根据焊锡系统的控制要求，确定了PLC的输入/输出的地址分配表。根据I/O点数统计一共需要22个输入点和15个输出点。如下表3-1所示：
表3-1 PLC I/O分配表
I0.0 自动 Q0.0 出锡
I0.1 手动 Q0.1 电缸输出IN0
I0.2 清楚报警 Q0.2 电缸输出IN1
I0.3 启动按钮L Q0.3 电缸输出IN2
I0.4 启动按钮R Q0.4 电缸报警
I0.5 复位按钮 Q0.5 电缸原点回归
I0.6 光幕信号 Q0.6 电缸动作临时停止
I0.7 急停信号 Q0.7 电缸运行指示
I1.0 电缸输入执行器 Q1.1 报警灯
I1.1 电缸输入原点 Q1.2 蜂鸣器
I1.2 电缸输入动作 Q1.3 旋转检测气缸
I1.3 电缸输入伺服 Q1.4 焊头上下气缸伸出
I1.4 电缸输入报警 Q1.5 焊头上下气缸缩回
I1.5 焊锡温度报警 Q1.6 清理锡渣气缸
I2.0 检测气缸缩回位 Q1.7 吹气
I2.1 检测气缸检测到位
I2.2 焊头上下气缸缩回位
I2.3 焊头上下气缸下压位
I2.4 清理锡渣气缸缩回位
I2.5 清理锡渣气缸伸出位
I2.6 检测气缸伸出位
I2.7 检测产品有无
3.1.4 PLC的选取
本系统采用西门子S7-200系列PLC，S7-200是针对低性能需求的小型PLC，它的硬件配置很灵活，自带了通信接口、内置电源以及I/O端口。一个S7-200CPU可以构成一个控制系统，如果要构成中等规模复杂的控制系统，可以通过扩展电缆进行I/O模块的扩展。它适用于各种控制系统，各种检测、监测和控制等。S7-200在实际生产中有着广泛的应用。选用S7-200 CPU226，CPU226集成了24个输入点16个输出点，共有40个数字量I/O。它可以扩展7个模块，扩展至248点数字量或35点模拟量I/O。
3.2自动焊锡机硬件统计
根据实际的生产需要，在系统设计中还要用到的主要硬件型号和名称为： Quick 7024焊锡系统组合、LA39-AI-20MD的带黄灯按钮、6ES7972-OBA12-OXAO的Profibus-DP接头、AD16-22D/W313的白色指示灯、6AV6648-OBC11-3AXO的HMI Smart 700IE触摸屏、LECP6系列的电机控制器、ECP4-12-3P-3的分线盒 、Ic65N 16A/2P 的断路器、EM-014P系列的接近传感器、Ic65N 10A/2P的断路器、AD16-22D/G23S 绿色指示灯 、 Ic65N 4A/2P断路器、AD16-22D/R23S红色指示灯、C65N-DC 1P 2A的 直流断路器、AD16-22M/K23蜂鸣器、917332 漏电断路器、LA39-A1-20MD绿色按钮、DRP-240-24 直流电源、LA39-A1-RO2Z/R的急停按钮、6ES7 223-1BL22I/O等等。
3.3自动焊锡机硬件接线及布局
自动焊锡机系统的布局和接线可以划分为两个部分，一部分是电气柜内部元器件的布局和接线；一部分是电气柜之外的控制按钮和触摸屏等硬件布局和接线。外围输入设备包括手动/自动开关、总电源、清除报警按钮、复位按钮、急停按钮、开始按钮等等。如图3.3所示：
图3.3 焊锡机接线布局图
主控电路的设计包含了主电路开关、断路器、电源信号灯、冷暖风扇的回路设计。三相插座分别对应L、N、PE三个端口，在白色指示灯亮起的时候表示系统已经上电，开始准备正常的工作。在出现短路、过载现象时，漏电保护装置将保护工作人员安全以及避免系统的其他元器件损坏。如下图3.4所示：
图3.4 主控回路接线
直流电源、急停按钮、复位按钮、继电器的电路接线。直流电流输出的24V电压分为两个分支，一部分是流经中间继电器的安全电压24V2；一部分是直接通过端子排引出来的24V1。急停按钮接继电器的常闭触点，在按下急停按钮后，安全电压24V2部分的电路也将会被安全切断。在排除故障之后，按一下复位按钮，复位信号发给可编程控制器后通过用户程序的处理，系统恢复初始状态。电路设计如下图3.5所示：
图3.5 24V电源回路
安全光栅可以发射出红外线，从而在光栅之间形成一道保护光幕。在有实物遮挡了光幕的时候，安全光栅就会发出遮光信号，控制具有潜在危险的设备停止工作，保护现场避免发生安全事故。 安全光栅的接线如下图3.6所示：
图3.6 安全光栅接线图
光电传感器通过光电转换实现检测功能，它通过感受光强度的变化来改变电信号实现对现场的控制。在检测到实物之后，信号导通传输给PLC控制器。接近传感器、PLC的接线，如下图3.8所示
图3.7传感器接线图
3.4硬件设计小结
在了解了系统的控制要求之后，我们本着安全生产，提高效率的原则进行设计工作。硬件设备需要选择能够完成控制需求的，相对来说性价比更高的元器件。在完成了硬件设备的选购工作之后，开始着手绘制电气图纸。经过设计和修改，完成对于硬件设备的接线工作，满足系统对于硬件系统的要求。
4. 软件设计
4.1 STEP7-Micro/WIN32简介
STEP7-Micro/WIN32是基于Windows的应用软件，功能非常强大。下面将介绍该软件的安装、基本功能以及如何应用编程软件进行编程、调试和运行监控等内容。启动软件，它的主界面如图4.1所示：
图4.1 STEP7-Micro/WIN32编程软件的主界面
（1）文件：文件菜单用于实现对文件的操作。
（2）编辑：编辑菜单里的编辑工具用于编辑程序。
（3）查看：查看菜单用于设置软件的开发环境。
（4）PLC：PLC的菜单建立联机时的操作，也可离线编译。
（5）调试：调试菜单在联机时用于动态调试。
（6）工具：工具菜单作为复杂指令建立的向导，让复杂的指令编程变得简单化。而且具备了文本显示的设置向导。
（7）窗口：窗口可打开多个窗口，进行切换。
4.2系统梯形图
4.2.1梯形图的特点
梯形图被称作是PLC的第一编程语言，直观易懂。一般来说，复杂的控制程序都可以将它分解成很多功能简单的程序段，一个小程序可以看成是整个用户控制过程中的一小步，这样程序设计就显得更加高效合理了。本设计就是使用顺序指令的编程方式。顺控编程就是利用顺控指令设计出复杂的控制程序。
4.2.2梯形图的绘制
梯形图是模拟继电器控制过程的编程语种。一条程序语句通常由触点、线圈或者功能方框等构成。在绘制梯形图的时候，从左边母线开始画起，然后连接用到的逻辑触点，最后以线圈或者指令盒的形式结束。把左边母线看作是能量源，当触点闭合的情况下，能量就可以流过到下一个元件。如果触点是断开的那么能量将被阻止。这种能量流的形式，形象的称它为“能流”。梯形图中，每个输出可以看作是一个梯级。正常一个梯形图网络可以包括多个梯级组成。
4.2.3自动焊锡机系统梯形图
根据以上介绍的梯形图基础知识、梯形图特点、编程原则以及控制要求。开始设计自动焊锡机的梯形图。使用的STEP7-Micro/WIN软件可以在个人计算机的WINDOWS操作系统中运行，具有功能强大、控制过程清晰明了、便于修改维护等特点。设计好的用户程序通过编程线缆下载到PLC中。当然也可以导出设计好的程序，在相关的仿真软件中进行测试。
根据自动焊锡系统的控制要求，经过反复的调试和修改，最后设计出了自动焊锡控制的系统梯形图。
通过输入端子来选择程序运行的模式。当按下I0.0的控制开关，自动：V10.0线圈得电。如图4.2所示：
图4.2 自动模式
选择手动模式，按下I0.1的控制开关，手动：V10.1线圈得电。如图4.3所示：
图4.3 模式选择
在设备状态在原点之后，当接近开关检测到生产元器件的时候，检测产品有无：V12.6得电。此时步进值Seq:VW300的值从20变为40。如图4.4所示：
图4.4 检测产品有无
在上面的在检测到产品的基础上，按下双手启动按钮，在双手离开危险工作区域之后，安全光栅将发出信号。光幕信号:V10.6将得电，步进值Seq也将从40变为60。如图4.5所示：
图4.5 光幕信号
在手离开工作区域之后，由检测气缸来检测产品有没有放好。如果在3秒钟之后，检测气缸伸出位：V12.1得电，表示没有压倒产品，那么Seq300的值将变为30并返回上一程序段。需要重新放置好产品，在检测气缸检测到产品放置好之后，压到产品：V12.7得电。此时Seq300的值将变为100。表示产品已经放置好。如图4.6所示：
图4.6 检测产品放置好
完成一个工件的焊锡工作，出锡装置一共需要出锡四次。焊点1要出锡两次，焊点2出锡两次。在步进值Seq等于120时，焊点1进行第一次出锡。在间隔2秒钟之后，对焊点1进行第二次出锡焊锡。同样的道理，当Seq等于280、360的时候对焊点2出别出锡进行焊锡工作。如图4.7所示：
图4.7 装置出锡
SM0.0始终为ON，子程序settime一直处于被激活的状态。如图4.8所示：
图4.8调用settime子程序
把辅助继电器MW20中的值除以100后的值送到变量存储器出锡时间1：VW320当中。再把MW22中的值除以100送到变量存储器间隔时间1：VW324里面。同样的道理，设置焊锡点1第二次以及焊锡点2的出锡的时间和时间间隔。如图4.9所示：
图4.9 settime子程序
在步进值Seq:VW300的值等于120之后，焊锡装置将第一次出锡。时间就是出锡时间1：VW320中的设置值。如图4.10所示：
图4.10 第一次出锡
在出锡之后，焊头伸出位得电，焊头将下降进行焊锡。此时，步进值seq从140变为160，等待下一个动作。如图4.11所示：
图4.11 步进值改变
在电缸送到指定位置之后，第一次焊锡，步进值满足大于140小于220，清理锡渣气缸缩回位：V12.4得电后，焊头将伸出进行焊锡。在第二次焊锡步进值满足大于300小于390的时候，焊头上下气缸：Q1.4得电对焊点2进行焊锡。如图4.12所示：
图4.12 焊头气缸伸出
在步进值Seq:VW300等于80的时候系统处于检测产品有没有放置好的状态，此时要求焊头上下气缸处于缩回位：Q1.5。在第一次焊锡完成之后，Seq:VW300等于240，此时焊头上下气缸处于缩回位，等待下一次焊锡。同样的道理在第二次焊锡完成之后，步进值Seq等于400，要求焊头上下气缸处于缩回位。如图4.13所示：
图4.13 焊头气缸缩回
4.3 软件设计小结
PLC是整个焊锡系统的工作核心，因此完成用户程序的设计是至关重要的。在有了设计思路之后，完成设计。通过反复的调试和修改直到程序能够满足系统的控制需要。事实也证明，STEP-Mirco/WIN32是设计高效，实用性高的一款编程软件。
5. 组态设计
5.1 Wincc简介
SIMATIC WinCC是第一个使用32位技术的过程监视系统，有很好的灵活性和开发性。它的优势主要体现在以下方面：
（1）过程监控
作为通用型的组态软件，WinCC可以实现对现场生产过程中设备的数据进行采集、监视以及控制的人机界面接口。
（2）与PLC设备通信
WinCC可以通过驱动程序来实现与PLC的通信从而实现对过程的监控功能。
（3）编程接口
WinCC组态方便灵活，过程画面的动态效果好。可以实现过程的输入输出功能。
（4）报警功能
WinCC具备报警功能，及时提供设备故障信息。
（5）趋势功能
WinCC提供曲线和表格功能。供工作人员分析。
（6）报表功能
WinCC提供了报表生成以及打印功能，给过程控制提供了实用的工具。
5.2 Wincc界面设计
首先创建一个项目。启动软件，选择“单用户项目”单击“确定”按钮。?在“新项目”的对话框里面输入项目名，选择一个存放路径。注意在关闭WinCC前打开的项目，在下一次启动WinCC软件的时候会自动打开。对用于该设备的通道进行组态设计来实现和外部设备的通信。通道是WinCC和外部设备之间形成的逻辑接口驱动器，所以需要创建新的驱动。打开界面，右击选择“变量管理”，再选择“添加新的新驱动程序”项。???如图5.1所示：????????
图5.1 添加驱动
在“添加新的驱动程序”对话框里，选择一个驱动程序。单击“打开”按钮，变量管理下面将出现新添加的驱动。?单击驱动前面的“+”,就会显示当前驱动里可用的通道单元。利用通道单元建立和外部自动化设备的逻辑连接。?
右击MPI单元，并选择“新驱动程序的连接”项。在打开的“连接属性”的对话框中输入PLC1作为逻辑连接名，单击“确定”按钮。?就可建立连接。如图5.2所示：
图5.2 建立连接
根据需要，设计了如下的Wincc控制画面：首先是主画面，根据项目的需求在这个画面里面设计包含了8个子画面：监控画面、手动模式、报警画面、原点画面等等。点击每一个画面按钮，就会触发对应的事件，我们就可以进入到相应的组态界面。主画面如下图5.3所示：
图5.3 主画面
由于系统调试的需要，为它设计了一个手动控制模式的界面。在这个界面上，可以单独控制相应的控制位也可以实时观察到各个位的状态。比如检测气缸位、焊头上下气缸位、清理锡渣气缸位等等。主要用于调试过程的手动调试，如下图5.4所示：
图5.4 手动模式
在系统工作的时候，需要对PLC各个输入/输出端口的状态实时监控。设计对应的界面，如下图5.5所示：
图5.5 I/O监控
在出现故障后，系统会产生报警。报警画面上将出现对应的代码或者文字信息。根据提示信息及时解决故障，消除报警。如下图5.6所示
图5.6 报警画面
为了能够去监视产品和各个气缸位的工作状态，设计原点监视界面。如下图5.7所示：
图5.7 原点监视
这些画面每一个都有指定的任务，完成相应的监控功能。在系统运行的时候，通过控制画面之间的切换，就可以实现对生产过程的监视和控制。可以实现操作的人性化，效率的高效化。
5.3 WinCC定义变量
WinCC的变量标签就是变量，它们是可以设置地址的。和内部或者外部的过程数据对应。变量标签是WinCC和过程通讯中需要监视的对象。右击“内部变量”，在快捷菜单里选择“新建变量”项，就可以建立内部变量。如图5.8所示：
图5.8 建立内部变量
对于建立过程变量，依次单击“+”，展开了节点后，找到PLC1节点右击。在弹出的快捷菜单里选择“新建变量”项，建立外部变量组。如下图5.9所示：
图5.9 过程变量
可以看到建立好的外部变量组，在它们的下面我们再建立相关的变量，并设置对应变量的属性。如下图5.10所示：
图5.10 变量组添加变量
同理，再对其他的变量组分别添加变量，并设置好它们的变量属性。
根据需要，通过定义变量实现控制工程中PLC与触摸屏之间的数据交换。如下图5.11所述：
图5.11 定义变量
5.4 组态设计小结
通过实验验证，本系统能够满足自动焊锡机的过程监控要求，能完成自动焊锡机的所有操作任务。同时，证明了WinCC的确是一款应用性很强的组态软件。WINCC不仅有利于用户实时监控系统的状态，更让操作变得方便快捷，简单可靠。
6.调试及应用
6.1 调试准备
需要对系统进行相关检查才能进行后面的调试工作。主要的准备工作包括下列内容：
外部接线的检查。这部分的检查包括了对电源接线的检查、对相关电气元器件的接线检查、绝缘线屏蔽线的安全检查。
供电系统的检查。这部分的检查包括了对可编程控制器的供电电源检查，系统外部供电系统检查等。
PLC的检查。首先确认PLC的电源指示灯点亮，输入输出端口接线是否正确，并将PLC的模式设为“编程”状态。
图6.1 调试准备
6.2 软硬件调试
设计好软硬件之后，进入到最后的系统调试工作。先对系统上电，在确保系统无异常情况，各个器件在原位之后，我们开始进行调试工作。首先，将一个待焊锡的生产元器件放置并固定在夹具上面，利用编程线缆实现电脑与PLC的通信，点击运行程序。PLC开始工作之后，接近开关开始工作。检测放置无误后，才能按下启动按钮。在安全光幕接收到你的手离开危险区后，夹具会把待焊锡的器件送到电缸设置好的位置1。通过下图6.2进行焊锡时间的设置。出锡之后，焊锡头会下降进行第一次的焊锡。在反复的调试之后，最终确定焊锡的时间大约为5秒钟。间隔两秒钟之后，再重复一次，完成了焊点1的焊锡之后，焊头回到原位。
图6.2 设置焊锡时间参数
夹具会走到电缸设置好的位置2，此时焊头再次下降，出锡管再次出锡，进行对第二个待焊锡点的焊锡工作。清理锡渣气缸会到伸出位，在焊头下面收集途中所产生的锡渣，再由气管吸走锡渣盒里面收集到的锡渣，清理工业现场。整个系统进程中的状态，通过下图6.3可以观测到。
图6.3 监控系统状态
通过编程线缆将设计好的WINCC程序拷入触摸屏。在焊锡的过程中，使用DP线来实现PLC与触摸屏之间的通信，通过触摸屏对系统状态进行控制和监视。如果途中出现报警故障等现象，需要通过手动控制来尽快解决所出现的问题。最后，检查焊锡所得到的成品是否满足系统的生产要求，如果能够满足视为合格。不满足的话，需要通过重置焊锡点的位置，重新设置时间参数，修改用户程序等方式直到成品能够满足焊锡机的生产要求为止。经过长时间的调试和修改工作之后，确认该系统硬件和软件不存在问题，都能够满足实际生产的需求。在调试工作完成后，将PLC的运行开关调至STOP状态，利用通信线缆将电脑中的用户程序下载到PLC中。这样利用PLC进行控制，触摸屏监控的全自动焊锡机就完成了。
6.3实际生产应用
在完成项目的电路图设计，硬件设备接线和PLC程序的编写以及WINCC画面的设计，软硬件调试等工作之后，最终确认该系统是能够达到所有的生产要求的。能够精确快捷的完成对待焊锡元器件的焊锡工作。此系统不仅能够节省大量的人力，切实提高生产效率而且具有易操作，便于维护等优越性。目前，该设备已经投入到了实际工业生产当中，收获了客户高度的肯定和赞许。
7.结论与展望
7.1结 论
PLC技术在现代工业生产中发挥着不可替代的作用。目前，PLC在国内外已经得到了非常广泛的应用。它具有可靠性高，抗干扰能力强，编程方便易于使用和维护等特点。它的通信技术变得更加开放和标准化，它的功能也在变得越来越强大。也正因为这些优越性让PLC在现代工业生产中占据着非常重要的位置。所以，本课题具有很强的现实意义，是值得我们去研究和探讨的。
本文介绍了一套运用PLC技术并结合相关工业硬件所设计生产的全自动焊锡机系统。在PLC编程技术和组态WINCC技术的基础上结合电缸，传感器，焊锡组件等硬件设备完成了该自动焊锡系统的设计工作。该系统结构简单、易于维护且实时性高、能够切实提高我们的生产效率，具有一定的推广价值和应用前景。
7.2展望
随着社会的发展和进步，人们对工业生产提出了更高的要求。同时，社会的分工也在被进一步细化，各个生产环节的联系更加普遍，合作也在不断的加深。设计者的设计理念也在不断地发生着变化，社会的不断发展要求同时追求效率与效果的最优化生产方案。
利用PLC控制技术应用在自动焊锡机系统中，这样大大提高了生产效率，提高了系统的自动化水平。在应用PLC控制的同时，利用组态控制技术进行实时监控。让整个系统大大提高了生产效率的同时，增加了系统的稳定性、可操作性以及可维护性。结合PLC控制技术和WINCC的监控功能对工业生产有着重要的意义。在实际应用中，还是要以具体的情况为依据来优化用户程序和软硬件的结合，不断的去优化设计。
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附录
致 谢
从毕业设计的选题到完成都得到了徐伟老师的教导和支持。在此，首先衷心的感谢徐伟老师，谢谢您给予的帮助和关心。毕竟大学四年的学习生涯是短暂的，还有很多新鲜的知识我还没有了解和掌握。因为有了对教学工作认真负责的导师帮助，我才能够顺利地完成了毕业论文。徐伟老师不仅知识渊博而且和蔼可亲，对我的疑问或者不解他都会耐心教导，直到我能够理解和掌握。徐伟老师平日里教学工作也很繁忙，要完成的科研项目也很多。在我做毕业设计的每个阶段，无论是选题和查询课题相关的文献资料、程序编写调试还是在定稿的过程中，徐伟老师都给了我巨大的帮助和悉心的指导。特别是在最后的程序修改和论文撰写的过程中，徐伟老师给了我很多的支持和建议，让我少走了很多弯路，最终可以顺利完成论文。跟着徐伟老师做毕业设计让我学到的不仅是专业上的知识，更多的是让我知道了对学术研究应该有的严谨态度和面对问题不要害怕而是要有思考的能力和解决问题的决心。
本课题之所以能够顺利完成，还要感谢帮助我的多位专业老师以及很多关心我的院系领导。感谢我的家人，朋友和同学的支持。最后，由衷的感谢对给予相关引用权资料、文献、图书的所有者们。
*查看完整论文请+Q: 351916072
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（8）帮助：可以在帮助菜单中的索引和目录下了解到很多相关的使用信息。在编程中，如果对某功能或某指令的使用存在疑问，那么可以利用在线帮助功能，通过按F1键来显示在线帮助，方便了广大用户的实际应用。
摘 要
全自动焊锡机是一种高效的焊锡系统，它能代替人的双手进行高质量的焊锡工作。它采用了PLC来控制焊锡过程。不仅操作会简单方便很多而且焊缝也更加均匀稳定性高。全自动焊锡机改变了传统低效率的焊锡模式，极大地提高了生产效率也让焊锡效果更令人满意。因此，设计一个完善的自动焊锡系统就具有很强的实用价值和现实意义。
本文首先对全自动焊锡机系统设计的意义、研究现状进行了介绍。在分析了全自动焊锡机系统的功能需求之后，提出了一套基于PLC技术以及过程控制技术的自动焊锡机系统设计方案。焊锡系统硬件主要包括直流电源、电缸、触摸屏、焊锡组件、气动控制阀等等。通过PLC可编程逻辑控制器以及WINCC过程控制平台实现对焊锡过程的控制和监视。简要论述了焊锡系统的硬件构成和选取原则。对全自动焊锡机软件的设计思想以及软件的实现进行了详细的介绍。最后，通过实际应用表明：本文设计的自动焊锡系统不仅能够满足焊锡的生产要求，而且具有生产效率高、稳定性强和维护简单等优点。
关 键 词：PLC技术 全自动焊锡技术 实用意义
Design of Automatic Soldering Machine System
ABSTRACT
Automatic soldering machine is a kind of efficient soldering system, it can work on high quality soldering instead of human hands. It used the method of PLC to control the soldering process, which is not only simple operation will be a lot of high stability . Automatic soldering machine has changed the traditional inefficient soldering mode. It greatly improved production efficiency also made soldering result satisfied. Therefore, to design a perfect automatic soldering system has a strong practical value and realistic significance.
First, This article implicates the design of automatic soldering machine system, and the researching status are introduced. On the analysis of the function requirements of automatic soldering machine system, this paper puts forward a set of PLC technology and process control technology of automatic soldering machine system design scheme. Soldering system hardware mainly includes the DC Power, Electric Cylinder, Touch Screen, Soldering Components, Pneumatic Control Valve and so on. Through the PLC programmable logic controller and WINCC process control platform , we can realize and monitor the process of soldering . Briefly discusses the soldering system hardware structure and principle of selection. For automatic soldering machine software design and the realization of the software has carried on the detailed introduction. Finally, through the practical application shows that: in this paper, the design of the automatic soldering system not only can meet the production requirements of the solder, and has high production efficiency, strong stability, and simple maintenance, etc.
Key words: PLC automatic； soldering technology； practical significance
1. 绪论........................................................................1
1.1自动焊锡机的背景...............................................................1
1.2自动焊锡机的意义...............................................................1
1.3自动焊锡机的发展方向...........................................................2
2. 系统整体设计.................................................................3
2.1系统功能需求...............................................................3
2.2系统流程设计...............................................................3
2.3系统框架构成...........................................................4
3. 硬件设计....................................................................6
3.1 PLC的设计.......................................................................6
3.1.1PLC简介.....................................................................6
3.1.2 PLC工作原理................................................................7
3.1.3 I/O点数统计................................................................8
3.1.4 PLC的选取.................................................................8
3.2自动焊锡机硬件统计...................................................9
3.3自动焊锡机硬件接线及布局.....................................................9
3.4硬件设计小结................................................................12
4. 软件设计...................................................................13
4.1STEP7-Micro/WIN32简介.........................................................13
4.2系统梯形图.....................................................................14
4.2.1梯形图的特点..............................................................14
4.2.2梯形图绘制原则............................................................14
4.2.3自动焊锡机的系统梯形图...................................................14
4.3软件设计小结...................................................................19
5. 组态设计...................................................................20
5.1 WINCC简介......................................................................20
5.2 WINCC界面设计.................................................................20
5.3 WINCC定义变量.................................................................24
5.4组态设计小结...................................................................26
6. 调试及应用................................................................27
6.1调试准备.....................................................................27
6.2软硬件调试...................................................................27
6.3实际生产应用...................................................................29
结论.........................................................................30
参考文献............................................................................31
附录.................................................................................32
致谢.................................................................................38
1. 绪论
1.1自动焊锡机的背景
焊锡技术在日常生产中一直发挥着不可或缺的作用。然而，传统的焊锡技术是依靠人工去操作电烙铁，使用的热源温度低、而且能量不集中。不仅稳定性难以保持而且造成了很大的能源浪费，效率底下。很难适用于大规模生产的焊锡生产场合。并且由于工作性质的需要，人们经常受到高温、腐蚀以及有毒气体等因素的危害。伴随着现代控制技术飞速的发展，焊锡技术也得到了长足的进步。
1.2自动焊锡机的意义
焊锡是利用低熔点的金属材料，通过加热使其熔化填充金属件间隙的生产工艺。因为所用的材料常为锡合金，所以称为焊锡工艺。烙铁是常有的加热工具。焊锡工艺被广泛的应用在电子工业中。自动焊锡机是用来完成生产中的焊锡作业。焊件的可焊性、焊料合格、焊点形状这些都是需要注意的问题。由于焊缝的质量直接影响焊锡成品的质量，所以提高焊缝质量就成了关键。而焊缝的质量除了和焊缝的几何形状有关，尺寸大小、受力状况以及工作条件这些因素也将直接影响到焊接接头处的强度。也正因为焊锡技术在日常工作生产中的的普遍性和重要性，所以提高焊锡效率成为了人们一直探讨的课题。
自动焊锡机在空间中有很好的调配性能，烙铁工具和锡丝材料都不需要借由人的手操作掌控。自动焊锡机完全代替了人的双手，焊锡头可以调整到需要焊接的位置。一般都得选择具有耐高温，抗腐蚀特性的材料作为制作自动焊锡机的生产材料，这样才能够去适应现场的工作环境。自动焊锡机配置了焊锡组件系统。焊锡组件系统采用了手动设定加热温度，采取了可靠的数字式自动恒温的出料环境。在生产走到对应流程的时候，出锡装置将自动、定量定速的将锡料送到烙铁头的下面，同时系统也具备金属防静电的安全功能。与传统的焊锡工艺相比，自动焊锡机能够自动精确的控制送锡速度、出锡温度；还具备出锡报警、温度报警的保障安全功能，大幅度提高了生产效率也降低了劳动强度。这是在传统焊锡模式基础上的一个巨大提升。也正是因为自动焊锡系统具备了这些优势，所以焊锡系统才能够得到越来越多的应用，得到越来越多的关注和研究。
1.3自动焊锡机的发展方向
伴随着社会的进步，人们对工业生产也有了更高的要求。而焊锡在工业生产中就是一个很重要的环节，它的好坏将直接影响整个生产的质量。所以，如何提升自动焊锡机的性能是必须要面对和解决的课题。随着科学技术的发展，可以预见到自动焊锡机必将会向更加人性化，更加智能化的方向转变。通过对焊锡系统的管理和设置，实现更易操作维护最大化的优化生产。 现在很多国家都在进行着自动焊锡机器人的研究，随着越来越多自动焊锡机器人的研究和实质性的进展和突破，必将在科学生产领域再一次掀起一股热风，也必将给繁琐复杂有一定危险性的焊锡工作带来了一次本质的解放。自动焊锡机器人以传统的自动焊锡系统理论基础为依据，再根据新的生产要求，利用最新的工业控制技术为依托从而最终得到的产物。与自动焊锡系统相比，焊锡机器人匹配的编程语言种类更广，它可以读取多种编程指令，可以提供更高效的生产。焊锡机器人拥有自身专属的烙铁头，烙铁的温度更加平稳加热曲线更加平滑，拥有比自动焊锡机的更加精密的控制系统，从而大大提升了焊锡的质量。目前在国内的主流市场上，一些国内品牌的自动焊锡机器人已经投入到了汽车行业、数码产品、电子、线路板等生产领域的应用上。由于自动焊锡机器人彻底突破了传统工艺上存在的劣势和局限性，有理由相信它一定会得到越来越大规模的应用。
2. 系统整体设计
2.1系统功能需求
在汽车的工业生产中有很多元器件部分需要进行焊锡工作。焊锡的质量、准确性将直接影响部件的功能，甚至会对汽车的安全性能造成潜在的威胁。为了能够在提高焊锡效率的基础上同时保证成品的安全性和可靠性，需要保证自动焊锡系统具备如下功能：
(1)能够通过控制电缸执行器实现对夹具位置的精密设置，以此保证焊点的准确无误。
(2)焊锡系统可以数字式设置加热温度，出锡速度等相关参数。所用的锡丝直径要求在1mm左右、系统工作时的功率在150W左右、焊点需要平整光滑、系统具备温度报警和锡丝报警的功能。通信口能够与PLC建立通信，达到生产安全性和精密性的统一。
(3)可编程控制器PLC能够接收所有的输入信号，经过用户程序得到的输出信号能够控制外部设备并达到相应的控制目的。可编程控制器能够与触摸屏良好的交换生产数据。
(4)焊锡系统需要具有良好的人机交互界面，能够实时的对系统状态进行监控，提示报警信息等功能。并且能够在界面中实现对相关参数的设置。
2.2系统框架构成
此次设计，自动焊锡机是基于PLC控制技术来满足生产要求的。系统主要是由焊锡组件、PLC可编程控制器、安全光栅、电缸以及触摸屏等硬件构成。他们之间的生产关系如图2.1所示：
触摸屏 PLC 电缸 执行器
显示系统状态 焊锡装置 控制夹具
设置参数
出锡、焊锡、
温度报警等
图2.1 系统框架图
PLC模块：整个自动焊锡系统的控制中心。接受输入的信号、实现与其他设备的数据通信以及控制信号的输出；
电缸：利用SMC开发的LEC6系列电缸控制器来实现对执行器的位置、速度等参数的设定进而精确的控制夹具；
西门子Smart 700IE触摸屏：利用组态技术在触摸屏上实时地显示系统的生产状态、提示系统报警信息并控制生产流程；
Quiick7024焊锡装置：恰当地设置出锡速度、加热温度等参数完成对系统的供锡工作；
图2.2 系统框架实物图
2.3系统流程设计
该系统主要的生产流程具体如下：启动系统，系统处于原位，放上待焊锡的生产元器件。在检测到放置无误之后按下控制启动按钮，电缸根据设置好的值将夹具送到位子C1。到达规定位置之后，出锡装置将出锡，焊头气缸将到伸出位S2进行第一次的焊锡工作，第一次焊锡完成之后，焊锡头回到缩回位S1,夹具被送到设置好的位置C2此时焊锡头下来进行第二个焊接点的焊接，焊锡完成之后清理锡渣气缸清理，在一个循环的焊锡工序之后，系统回归原位状态。如果途中出现锡料不足或者待焊锡的元器件未放置好这类情况，那么系统将会将产生报警。重新上料或重置元器件既可消除报警。系统主要流程如图2.3所示：
上电
设备原点
放置产品
检测产品有无
Y
检测产品有无放置好
Y
按下启动按钮
无遮幕信号
Y
夹具到位置C1
焊头下降、对焊点1第一次焊锡
焊头上升、夹具到位置C2
焊头下降、夹具回到位置C1、对焊点１第二次焊锡
焊头上升、夹具到位置C3
焊头下降、对焊点2第一次焊锡
焊头上升、夹具到位置C4
焊头下降、对焊点2第二次焊锡
焊头上升、清理锡渣
夹具回原点
图2.3 系统流程图
3. 硬件设计
3.1 PLC的设计
3.1.1 PLC简介
可编程控制器就是俗称的PLC，是现代工业控制的三大支柱之一。它是六十年代末为了满足当时工业控制需要而发明出来的产物。随着工业文明的进步，PLC已经成为了现代工业控制系统的重要组成部分，在现代工业生产中深受欢迎。由于它具有生产成本的低廉以及强大的控制性能，这两个明显的优势让传统继电器的控制模式面临着前所未有的挑战。
可编程控制器的基础是微处理器，它具有占用空间小、功能强大、通用性强和方便维护等一系列的优势。尤其是它的可靠性非常高而且适应恶劣工作环境的能力也很强，因此受到了广大用户的喜爱青睐。PLC的基本结构如图3.1所示：
输 输
入 出
接受 接 中央处理单元 接 驱动
现场信号 口 CPU板 口 受控元件
单 单
元 元
电源部件
图3.1 PLC结构图
可编程控制器是以存储器为基础的控制器，在存储器中存放着用于控制系统工作的程序。利用存储器内的程序进行逻辑控制，达到生产所需满足的控制要求。设计一个利用PLC控制的系统，首先需要根据生产对象的要求分析系统的控制任务，然后通过编程软件编制相对应的控制程序。最后，利用编程线缆将编写好的控制程序写入到可编程控制器的存储器当中。通过读取外部控制信号运行存储器当中的程序，进而控制被控对象进行工作。可编程控制器是利用软件程序来实现逻辑控制的，能够满足不同控制任务的要求，通用、方便、可靠性高。
3.1.2 PLC工作原理
PLC是通过CPU来连续执行用户程序的。一般PLC在一个扫描周期中需要完成以下4个扫描过程：1.自诊断测试的扫描过程2.与网络进行通信的扫描过程3.用户程序的扫描过程4.读输入与写输出的扫描过程。它一直重复的进行循环扫描并执行软件程序设计好的任务。
运行流程如下图3.2所示：
电源ON
内部处理
输入处理（输入传送、远程I/O）
通信服务（外设、CPU、总线服务）
更新时钟、特殊寄存器
CPU stop
运行方式
执行程序
输出处理
执行自诊断
PLC Y
正常否？
N
存放自诊断错误结果
致命 N
错误
Y
CPU强制为stop
图3.2 PLC运行框图
3.1.3 I/O点数统计
选取PLC的时候，一定要注意I/O点数统计这项指标。需要提前统计出控对象的I/O点数，再根据统计的结果选取合适的PLC。一般情况下，一个输入输出元件需要占用一个输入输出端口。通常会在总点数的基础上加上20%左右的备用量。
根据焊锡系统的控制要求，确定了PLC的输入/输出的地址分配表。根据I/O点数统计一共需要22个输入点和15个输出点。如下表3-1所示：
表3-1 PLC I/O分配表
I0.0 自动 Q0.0 出锡
I0.1 手动 Q0.1 电缸输出IN0
I0.2 清楚报警 Q0.2 电缸输出IN1
I0.3 启动按钮L Q0.3 电缸输出IN2
I0.4 启动按钮R Q0.4 电缸报警
I0.5 复位按钮 Q0.5 电缸原点回归
I0.6 光幕信号 Q0.6 电缸动作临时停止
I0.7 急停信号 Q0.7 电缸运行指示
I1.0 电缸输入执行器 Q1.1 报警灯
I1.1 电缸输入原点 Q1.2 蜂鸣器
I1.2 电缸输入动作 Q1.3 旋转检测气缸
I1.3 电缸输入伺服 Q1.4 焊头上下气缸伸出
I1.4 电缸输入报警 Q1.5 焊头上下气缸缩回
I1.5 焊锡温度报警 Q1.6 清理锡渣气缸
I2.0 检测气缸缩回位 Q1.7 吹气
I2.1 检测气缸检测到位
I2.2 焊头上下气缸缩回位
I2.3 焊头上下气缸下压位
I2.4 清理锡渣气缸缩回位
I2.5 清理锡渣气缸伸出位
I2.6 检测气缸伸出位
I2.7 检测产品有无
3.1.4 PLC的选取
本系统采用西门子S7-200系列PLC，S7-200是针对低性能需求的小型PLC，它的硬件配置很灵活，自带了通信接口、内置电源以及I/O端口。一个S7-200CPU可以构成一个控制系统，如果要构成中等规模复杂的控制系统，可以通过扩展电缆进行I/O模块的扩展。它适用于各种控制系统，各种检测、监测和控制等。S7-200在实际生产中有着广泛的应用。选用S7-200 CPU226，CPU226集成了24个输入点16个输出点，共有40个数字量I/O。它可以扩展7个模块，扩展至248点数字量或35点模拟量I/O。
3.2自动焊锡机硬件统计
根据实际的生产需要，在系统设计中还要用到的主要硬件型号和名称为： Quick 7024焊锡系统组合、LA39-AI-20MD的带黄灯按钮、6ES7972-OBA12-OXAO的Profibus-DP接头、AD16-22D/W313的白色指示灯、6AV6648-OBC11-3AXO的HMI Smart 700IE触摸屏、LECP6系列的电机控制器、ECP4-12-3P-3的分线盒 、Ic65N 16A/2P 的断路器、EM-014P系列的接近传感器、Ic65N 10A/2P的断路器、AD16-22D/G23S 绿色指示灯 、 Ic65N 4A/2P断路器、AD16-22D/R23S红色指示灯、C65N-DC 1P 2A的 直流断路器、AD16-22M/K23蜂鸣器、917332 漏电断路器、LA39-A1-20MD绿色按钮、DRP-240-24 直流电源、LA39-A1-RO2Z/R的急停按钮、6ES7 223-1BL22I/O等等。
3.3自动焊锡机硬件接线及布局
自动焊锡机系统的布局和接线可以划分为两个部分，一部分是电气柜内部元器件的布局和接线；一部分是电气柜之外的控制按钮和触摸屏等硬件布局和接线。外围输入设备包括手动/自动开关、总电源、清除报警按钮、复位按钮、急停按钮、开始按钮等等。如图3.3所示：
图3.3 焊锡机接线布局图
主控电路的设计包含了主电路开关、断路器、电源信号灯、冷暖风扇的回路设计。三相插座分别对应L、N、PE三个端口，在白色指示灯亮起的时候表示系统已经上电，开始准备正常的工作。在出现短路、过载现象时，漏电保护装置将保护工作人员安全以及避免系统的其他元器件损坏。如下图3.4所示：
图3.4 主控回路接线
直流电源、急停按钮、复位按钮、继电器的电路接线。直流电流输出的24V电压分为两个分支，一部分是流经中间继电器的安全电压24V2；一部分是直接通过端子排引出来的24V1。急停按钮接继电器的常闭触点，在按下急停按钮后，安全电压24V2部分的电路也将会被安全切断。在排除故障之后，按一下复位按钮，复位信号发给可编程控制器后通过用户程序的处理，系统恢复初始状态。电路设计如下图3.5所示：
图3.5 24V电源回路
安全光栅可以发射出红外线，从而在光栅之间形成一道保护光幕。在有实物遮挡了光幕的时候，安全光栅就会发出遮光信号，控制具有潜在危险的设备停止工作，保护现场避免发生安全事故。 安全光栅的接线如下图3.6所示：
图3.6 安全光栅接线图
光电传感器
图3.7传感器接线图
3.4硬件设计小结
在了解了系统的控制要求之后，我们本着安全生产，提高效率的原则进行设计工作。硬件设备需要选择能够完成控制需求的，相对来说性价比更高的元器件。在完成了硬件设备的选购工作之后，开始着手绘制电气图纸。经过设计和修改，完成对于硬件设备的接线工作，满足系统对于硬件系统的要求。
4. 软件设计
4.1 STEP7-Micro/WIN32简介
STEP7-Micro/WIN32是基于Windows的应用软件，功能非常强大。下面将介绍该软件的安装、基本功能以及如何应用编程软件进行编程、调试和运行监控等内容。启动软件，它的主界面如图4.1所示：
图4.1 STEP7-Micro/WIN32编程软件的主界面
（1）文件：文件菜单用于实现对文件的操作。
（2）编辑：编辑菜单里的编辑工具用于编辑程序。
（3）查看：查看菜单用于设置软件的开发环境。
（4）PLC：PLC的菜单建立联机时的操作，也可离线编译。
（5）调试：调试菜单在联机时用于动态调试。
（6）工具：工具菜单作为复杂指令建立的向导，让复杂的指令编程变得简单化。而且具备了文本显示的设置向导。
（7）窗口：窗口可打开多个窗口，进行切换。
4.2系统梯形图
4.2.1梯形图的特点
梯形图被称作是PLC的第一编程语言，直观易懂。一般来说，复杂的控制程序都可以将它分解成很多功能简单的程序段，一个小程序可以看成是整个用户控制过程中的一小步，这样程序设计就显得更加高效合理了。本设计就是使用顺序指令的编程方式。顺控编程就是利用顺控指令设计出复杂的控制程序。
4.2.2梯形图的绘制
梯形图是模拟继电器控制过程的编程语种。一条程序语句通常由触点、线圈或者功能方框等构成。在绘制梯形图的时候，从左边母线开始画起，然后连接用到的逻辑触点，最后以线圈或者指令盒的形式结束。把左边母线看作是能量源，当触点闭合的情况下，能量就可以流过到下一个元件。如果触点是断开的那么能量将被阻止。这种能量流的形式，形象的称它为“能流”。梯形图中，每个输出可以看作是一个梯级。正常一个梯形图网络可以包括多个梯级组成。
4.2.3自动焊锡机系统梯形图
根据以上介绍的梯形图基础知识、梯形图特点、编程原则以及控制要求。开始设计自动焊锡机的梯形图。使用的STEP7-Micro/WIN软件可以在个人计算机的WINDOWS操作系统中运行，具有功能强大、控制过程清晰明了、便于修改维护等特点。设计好的用户程序通过编程线缆下载到PLC中。当然也可以导出设计好的程序，在相关的仿真软件中进行测试。
根据自动焊锡系统的控制要求，经过反复的调试和修改，最后设计出了自动焊锡控制的系统梯形图。
通过输入端子来选择程序运行的模式。当按下I0.0的控制开关，自动：V10.0线圈得电。如图4.2所示：
图4.2 自动模式
选择手动模式，按下I0.1的控制开关，手动：V10.1线圈得电。如图4.3所示：
图4.3 模式选择
在设备状态在原点之后，当接近开关检测到生产元器件的时候，检测产品有无：V12.6得电。此时步进值Seq:VW300的值从20变为40。如图4.4所示：
图4.4 检测产品有无
在上面的在检测到产品的基础上，按下双手启动按钮，在双手离开危险工作区域之后，安全光栅将发出信号。光幕信号:V10.6将得电，步进值Seq也将从40变为60。如图4.5所示：
图4.5 光幕信号
在手离开工作区域之后，由检测气缸来检测产品有没有放好。如果在3秒钟之后，检测气缸伸出位：V12.1得电，表示没有压倒产品，那么Seq300的值将变为30并返回上一程序段。需要重新放置好产品，在检测气缸检测到产品放置好之后，压到产品：V12.7得电。此时Seq300的值将变为100。表示产品已经放置好。如图4.6所示：
图4.6 检测产品放置好
完成一个工件的焊锡工作，出锡装置一共需要出锡四次。焊点1要出锡两次，焊点2出锡两次。在步进值Seq等于120时，焊点1进行第一次出锡。在间隔2秒钟之后，对焊点1进行第二次出锡焊锡。同样的道理，当Seq等于280、360的时候对焊点2出别出锡进行焊锡工作。如图4.7所示：
图4.7 装置出锡
SM0.0始终为ON，子程序settime一直处于被激活的状态。如图4.8所示：
图4.8调用settime子程序
把辅助继电器MW20中的值除以100后的值送到变量存储器出锡时间1：VW320当中。再把MW22中的值除以100送到变量存储器间隔时间1：VW324里面。同样的道理，设置焊锡点1第二次以及焊锡点2的出锡的时间和时间间隔。如图4.9所示：
图4.9 settime子程序
在步进值Seq:VW300的值等于120之后，焊锡装置将第一次出锡。时间就是出锡时间1：VW320中的设置值。如图4.10所示：
图4.10 第一次出锡
在出锡之后，焊头伸出位得电，焊头将下降进行焊锡。此时，步进值seq从140变为160，等待下一个动作。如图4.11所示：
图4.11 步进值改变
在电缸送到指定位置之后，第一次焊锡，步进值满足大于140小于220，清理锡渣气缸缩回位：V12.4得电后，焊头将伸出进行焊锡。在第二次焊锡步进值满足大于300小于390的时候，焊头上下气缸：Q1.4得电对焊点2进行焊锡。如图4.12所示：
图4.12 焊头气缸伸出
在步进值Seq:VW300等于80的时候系统处于检测产品有没有放置好的状态，此时要求焊头上下气缸处于缩回位：Q1.5。在第一次焊锡完成之后，Seq:VW300等于240，此时焊头上下气缸处于缩回位，等待下一次焊锡。同样的道理在第二次焊锡完成之后，步进值Seq等于400，要求焊头上下气缸处于缩回位。如图4.13所示：
图4.13 焊头气缸缩回
4.3 软件设计小结
PLC是整个焊锡系统的工作核心，因此完成用户程序的设计是至关重要的。在有了设计思路之后，完成设计。通过反复的调试和修改直到程序能够满足系统的控制需要。事实也证明，STEP-Mirco/WIN32是设计高效，实用性高的一款编程软件。
5. 组态设计
5.1 Wincc简介
SIMATIC WinCC是第一个使用32位技术的过程监视系统，有很好的灵活性和开发性。它的优势主要体现在以下方面：
（1）过程监控
作为通用型的组态软件，WinCC可以实现对现场生产过程中设备的数据进行采集、监视以及控制的人机界面接口。
（2）与PLC设备通信
WinCC可以通过驱动程序来实现与PLC的通信从而实现对过程的监控功能。
（3）编程接口
WinCC组态方便灵活，过程画面的动态效果好。可以实现过程的输入输出功能。
（4）报警功能
WinCC具备报警功能，及时提供设备故障信息。
（5）趋势功能
WinCC提供曲线和表格功能。供工作人员分析。
（6）报表功能
WinCC提供了报表生成以及打印功能，给过程控制提供了实用的工具。
5.2 Wincc界面设计
首先创建一个项目。启动软件，选择“单用户项目”单击“确定”按钮。?在“新项目”的对话框里面输入项目名，选择一个存放路径。注意在关闭WinCC前打开的项目，在下一次启动WinCC软件的时候会自动打开。对用于该设备的通道进行组态设计来实现和外部设备的通信。通道是WinCC和外部设备之间形成的逻辑接口驱动器，所以需要创建新的驱动。打开界面，右击选择“变量管理”，再选择“添加新的新驱动程序”项。???如图5.1所示：????????
图5.1 添加驱动
在“添加新的驱动程序”对话框里，选择一个驱动程序。单击“打开”按钮，变量管理下面将出现新添加的驱动。?单击驱动前面的“+”,就会显示当前驱动里可用的通道单元。利用通道单元建立和外部自动化设备的逻辑连接。?
右击MPI单元，并选择“新驱动程序的连接”项。在打开的“连接属性”的对话框中输入PLC1作为逻辑连接名，单击“确定”按钮。?就可建立连接。如图5.2所示：
图5.2 建立连接
根据需要，设计了如下的Wincc控制画面：首先是主画面，根据项目的需求在这个画面里面设计包含了8个子画面：监控画面、手动模式、报警画面、原点画面等等。点击每一个画面按钮，就会触发对应的事件，我们就可以进入到相应的组态界面。主画面如下图5.3所示：
图5.3 主画面
由于系统调试的需要，为它设计了一个手动控制模式的界面。在这个界面上，可以单独控制相应的控制位也可以实时观察到各个位的状态。比如检测气缸位、焊头上下气缸位、清理锡渣气缸位等等。主要用于调试过程的手动调试，如下图5.4所示：
图5.4 手动模式
在系统工作的时候，需要对PLC各个输入/输出端口的状态实时监控。设计对应的界面，如下图5.5所示：
图5.5 I/O监控
在出现故障后，系统会产生报警。报警画面上将出现对应的代码或者文字信息。根据提示信息及时解决故障，消除报警。如下图5.6所示
图5.6 报警画面
为了能够去监视产品和各个气缸位的工作状态，设计原点监视界面。如下图5.7所示：
图5.7 原点监视
这些画面每一个都有指定的任务，完成相应的监控功能。在系统运行的时候，通过控制画面之间的切换，就可以实现对生产过程的监视和控制。可以实现操作的人性化，效率的高效化。
5.3 WinCC定义变量
WinCC的变量标签就是变量，它们是可以设置地址的。和内部或者外部的过程数据对应。变量标签是WinCC和过程通讯中需要监视的对象。右击“内部变量”，在快捷菜单里选择“新建变量”项，就可以建立内部变量。如图5.8所示：
图5.8 建立内部变量
对于建立过程变量，依次单击“+”，展开了节点后，找到PLC1节点右击。在弹出的快捷菜单里选择“新建变量”项，建立外部变量组。如下图5.9所示：
图5.9 过程变量
可以看到建立好的外部变量组，在它们的下面我们再建立相关的变量，并设置对应变量的属性。如下图5.10所示：
图5.10 变量组添加变量
同理，再对其他的变量组分别添加变量，并设置好它们的变量属性。
根据需要，通过定义变量实现控制工程中PLC与触摸屏之间的数据交换。如下图5.11所述：
图5.11 定义变量
5.4 组态设计小结
通过实验验证，本系统能够满足自动焊锡机的过程监控要求，能完成自动焊锡机的所有操作任务。同时，证明了WinCC的确是一款应用性很强的组态软件。WINCC不仅有利于用户实时监控系统的状态，更让操作变得方便快捷，简单可靠。
6.调试及应用
6.1 调试准备
需要对系统进行相关检查才能进行后面的调试工作。主要的准备工作包括下列内容：
外部接线的检查。这部分的检查包括了对电源接线的检查、对相关电气元器件的接线检查、绝缘线屏蔽线的安全检查。
供电系统的检查。这部分的检查包括了对可编程控制器的供电电源检查，系统外部供电系统检查等。
PLC的检查。首先确认PLC的电源指示灯点亮，输入输出端口接线是否正确，并将PLC的模式设为“编程”状态。
图6.1 调试准备
6.2 软硬件调试
设计好软硬件之后，进入到最后的系统调试工作。先对系统上电，在确保系统无异常情况，各个器件在原位之后，我们开始进行调试工作。首先，将一个待焊锡的生产元器件放置并固定在夹具上面，利用编程线缆实现电脑与PLC的通信，点击运行程序。PLC开始工作之后，接近开关开始工作。检测放置无误后，才能按下启动按钮。在安全光幕接收到你的手离开危险区后，夹具会把待焊锡的器件送到电缸设置好的位置1。通过下图6.2进行焊锡时间的设置。出锡之后，焊锡头会下降进行第一次的焊锡。在反复的调试之后，最终确定焊锡的时间大约为5秒钟。间隔两秒钟之后，再重复一次，完成了焊点1的焊锡之后，焊头回到原位。
图6.2 设置焊锡时间参数
夹具会走到电缸设置好的位置2，此时焊头再次下降，出锡管再次出锡，进行对第二个待焊锡点的焊锡工作。清理锡渣气缸会到伸出位，在焊头下面收集途中所产生的锡渣，再由气管吸走锡渣盒里面收集到的锡渣，清理工业现场。整个系统进程中的状态，通过下图6.3可以观测到。
图6.3 监控系统状态
通过编程线缆将设计好的WINCC程序拷入触摸屏。在焊锡的过程中，使用DP线来实现PLC与触摸屏之间的通信，通过触摸屏对系统状态进行控制和监视。如果途中出现报警故障等现象，需要通过手动控制来尽快解决所出现的问题。最后，检查焊锡所得到的成品是否满足系统的生产要求，如果能够满足视为合格。不满足的话，需要通过重置焊锡点的位置，重新设置时间参数，修改用户程序等方式直到成品能够满足焊锡机的生产要求为止。经过长时间的调试和修改工作之后，确认该系统硬件和软件不存在问题，都能够满足实际生产的需求。在调试工作完成后，将PLC的运行开关调至STOP状态，利用通信线缆将电脑中的用户程序下载到PLC中。这样利用PLC进行控制，触摸屏监控的全自动焊锡机就完成了。
6.3实际生产应用
在完成项目的电路图设计，硬件设备接线和PLC程序的编写以及WINCC画面的设计，软硬件调试等工作之后，最终确认该系统是能够达到所有的生产要求的。能够精确快捷的完成对待焊锡元器件的焊锡工作。此系统不仅能够节省大量的人力，切实提高生产效率而且具有易操作，便于维护等优越性。目前，该设备已经投入到了实际工业生产当中，收获了客户高度的肯定和赞许。
7.结论与展望
7.1结 论
PLC技术在现代工业生产中发挥着不可替代的作用。目前，PLC在国内外已经得到了非常广泛的应用。它具有可靠性高，抗干扰能力强，编程方便易于使用和维护等特点。它的通信技术变得更加开放和标准化，它的功能也在变得越来越强大。也正因为这些优越性让PLC在现代工业生产中占据着非常重要的位置。所以，本课题具有很强的现实意义，是值得我们去研究和探讨的。
本文介绍了一套运用PLC技术并结合相关工业硬件所设计生产的全自动焊锡机系统。在PLC编程技术和组态WINCC技术的基础上结合电缸，传感器，焊锡组件等硬件设备完成了该自动焊锡系统的设计工作。该系统结构简单、易于维护且实时性高、能够切实提高我们的生产效率，具有一定的推广价值和应用前景。
7.2展望
随着社会的发展和进步，人们对工业生产提出了更高的要求。同时，社会的分工也在被进一步细化，各个生产环节的联系更加普遍，合作也在不断的加深。设计者的设计理念也在不断地发生着变化，社会的不断发展要求同时追求效率与效果的最优化生产方案。
利用PLC控制技术应用在自动焊锡机系统中，这样大大提高了生产效率，提高了系统的自动化水平。在应用PLC控制的同时，利用组态控制技术进行实时监控。让整个系统大大提高了生产效率的同时，增加了系统的稳定性、可操作性以及可维护性。结合PLC控制技术和WINCC的监控功能对工业生产有着重要的意义。在实际应用中，还是要以具体的情况为依据来优化用户程序和软硬件的结合，不断的去优化设计。
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附录
致 谢
从毕业设计的选题到完成都得到了徐伟老师的教导和支持。在此，首先衷心的感谢徐伟老师，谢谢您给予的帮助和关心。毕竟大学四年的学习生涯是短暂的，还有很多新鲜的知识我还没有了解和掌握。因为有了对教学工作认真负责的导师帮助，我才能够顺利地完成了毕业论文。徐伟老师不仅知识渊博而且和蔼可亲，对我的疑问或者不解他都会耐心教导，直到我能够理解和掌握。徐伟老师平日里教学工作也很繁忙，要完成的科研项目也很多。在我做毕业设计的每个阶段，无论是选题和查询课题相关的文献资料、程序编写调试还是在定稿的过程中，徐伟老师都给了我巨大的帮助和悉心的指导。特别是在最后的程序修改和论文撰写的过程中，徐伟老师给了我很多的支持和建议，让我少走了很多弯路，最终可以顺利完成论文。跟着徐伟老师做毕业设计让我学到的不仅是专业上的知识，更多的是让我知道了对学术研究应该有的严谨态度和面对问题不要害怕而是要有思考的能力和解决问题的决心。
本课题之所以能够顺利完成，还要感谢帮助我的多位专业老师以及很多关心我的院系领导。感谢我的家人，朋友和同学的支持。最后，由衷的感谢对给予相关引用权资料、文献、图书的所有者们。
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