1 引言
隨著我國經濟的發展，人們對電子設備的需求越來越大、對電子設備的質量要求也越來越高。在電子設備製造中，波峰焊機是一種很重要的焊接設備。因此其控制系統的設計優劣直接影響著焊接的質量。早期的電腦迴流焊、波峰焊採用了「工業控制電腦（工控機）+板卡」的控制模式，在當時環境下給人以「高科技」的感覺。但人們在長期的設備使用生產實踐中，人們發現此種控制模式的致命缺點是電腦故障和板卡級聯失效引起的整機控制系統癱瘓， 給廣大客戶造成難以估量的損失。能否找到一種新的電腦控制模式，既有電腦控制的友好界面和高度自動化，又有極高的使用可靠性和最低的設備故障率，這成為電子設備製造的突出課題。最終，一種新的控制模式誕生了。這就是「PLC+電腦+溫控模塊」的控制方式。因為可編程式控制制器(PLC)的可靠性高、抗干擾能力強、性能穩定、容易擴展、便於維護和升級。聯誠選用的是市場佔有率最高，性價比最好的西門子S7-200系列PLC作為主控制器來實現對波峰焊機的有效控制。下面就具體介紹該系統的設計方案。
2 基本方案
控制系統結構複雜的波峰焊機主要包括控制器部分和電氣部分。控制系統的核心部分包括上位機和PLC控制、變頻器控制、輸送鏈控制、溫度控制等等。其系統結構圖如圖1所示。
圖1 波峰焊機控制系統基本結構圖
2.1 上位機監控
利用工控機(華北工控)或PC機（國內品牌機/組裝機）作為上位機。上位機與 PLC下位機分別獨立運行，電腦死機或重新啟動對生產無影響。由它運行監控軟體。它操作簡單、思路清晰、界面友好。上位機軟體主要包括以下幾個模塊：
(1) 數據採集、存儲模塊
上位機每隔一段時間（採集周期由用戶設定）向可編程式控制制器發送讀溫度命令，然後接收控制器返回的溫度數據，經過錯誤校驗以後進行存儲並顯示。
(2) 數據查詢模塊
上位機存儲的歷史數據可以按照不同的規則進行查詢以供分析，系統的設置參數也可以進行查詢。
(3) PID參數整定模塊
雖然PID演演算法大部分是在下位機完成，但是上位機也可以根據需要調整參數kp、ki、kd的初始值。同時可以設置溫度設定值等。
(4) 通訊模塊
主要負責與PLC的數據交換及數據格式的轉換。
2.2 溫度控制
溫度控制是波峰焊機控制系統的核心。本方案採用市場佔有率最高的西門子S7-200PLC+EM231-TC溫度模塊進行溫度控制。西門子的PLC具有通訊簡單，模擬量模塊價格便宜，整體的性價比相當高的特點。模擬量採集模塊EM231-TC單個模塊能提供多路溫度信號採集，使用很少的模塊就能採集多路溫度信號，大大降低了溫控成本。現在已經進入了無鉛波峰焊時代，對波峰焊的溫度精度控制提出了新的要求。很多工業控制過程中一般都採用PID控制，特別是對於純滯后、大慣性的溫度控制。PID控制是按照實際溫度和設定溫度偏差的比例、積分、微分產生控制作用，實際運行效果和理論分析表明，這種控制規律可以得到比較滿意的結果。如果使用PID+模擬量調壓的控制方法，可減少溫度的衝擊，達到較高的溫控精度。
西門子PLC S7-200
2.3 步進電機控制
在波峰焊機控制系統中有三種步進電機：鏈幅調節步進電機、流量控制步進電機和噴嘴移動步進電機。步進電機是將電脈衝信號變換成角位移的一種機電式數模轉換器。它受脈衝信號控制，角位移與輸入脈衝個數構成嚴格的正比例關係，每輸入一個脈衝，步進電機就轉動一定的角度。它具有定位精度高、慣性小、無積累誤差、啟動性能好等特點。因此，它廣泛應用於要求精密定位的旋轉或線性運動的控制系統。PLC輸出的脈衝信號通過步進電機驅動器達到控制步進電機的目的。
2.4 網路通訊
上位機監控軟體和S7-200可編程式控制制器之間以及PLC和變頻器之間均可用RS-485連接。為了最大化的節省成本，上位機通常採用VB等高級編程語言編程。
上位機和PLC連接可以採用兩種方式：PC Access OPC通訊和Modbus通訊。
對於PC Access軟體，是西門子推出的專用於西門子S7-200 PLC和上位機通訊的介面軟體，該軟體採用OPC的方式進行通訊，集成了西門子的PC/PPI的協議，使用該軟體穩定可靠。
另外，可以採用公開的協議Modbus，Modbus協議是MODICON公司為其生產PLC設計的一種通訊協議。此協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構。它描述了控制器請求訪問其它設備的過程，回應來自其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤並記錄，制定了消息域結構和內容的公共格式。上位機和PLC的通信使用主－從結構，採用請求－響應方式，主站發出帶有從站地址的請求報文，具有該地址的從站收到后發出響應報文進行應答。
Modbus協議有ASCII和RTU兩種報文傳輸模式，在設置每個站的串口通信參數時，Modbus網路上所有的站都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數。本系統中我們採用RTU模式進行傳輸。如圖2所示RTU通信幀的基本結構。
圖2 RTU通信幀的基本結構
在下位機S7-200 PLC中使用Modbus從站協議進行設計，西門子PLC有標準的Modbus子程序，不用專門編程。在用戶程序中調用Modbus從站指令。如圖3所示，MBUS_INIT指令用來設置或改變Modbus通信參數。該指令應只在一個掃描周期內執行，一般用在首次掃描時工作一個掃描周期的SM0.1的常開觸點來驅動它。程序中只能使用一條MBUS_SLAVE指令，每次掃描都應調用該指令，以響應接收到的通信請求。
圖3 Modbus從站協議指令
對於變頻器，聯誠推薦的是高性價比的西門子MM4或者G110變頻器。既可以採用模擬量的控制方式，也可以採用通訊的方式。PLC與西門子的變頻器之間的通信可以使用西門子的USS協議，如果對於第三方的變頻器，也可以使用基於自由口通訊的Modbus協議和自定義協議。這樣本方案可以選用其他變頻器，如東元變頻器和電機，有利於控制成本。USS是西門子公司為變頻器開發的通信協議，可以支持變頻器同PC或PLC之間建立通信連接，常適合於規模較小的自動化系統。它以主從方式構成工業監控網站，在網路內有一個主站，1～31個從站，各站點有唯一的標識碼識別。
這種結構的特點是：用單一的、完全集成的系統來解決自動化問題。所有的西門子變頻器都可以採用USS協議作為通信鏈路。數字化的信息傳遞，提高了系統的自動化水平及運行的可靠性，解決了模擬信號傳輸所引起的干擾及漂移問題。通信介質採用RS-485屏蔽雙絞線，最遠可達1000m，因此可有效地減少電纜的數量，從而可以大大減少開發和工程費用，並極大地降低客戶的啟動和維護成本；通信效率較高，可達187.5kbit/s。對於有10個調速器，每個調速器有6個過程數據需刷新的系統，PLC的典型掃描周期為幾百毫秒，採用與Profibus相似的操作模式，匯流排結構為單位站、主從存取方式，報文結構具有參數數據與過程數據，前者用於改變調速器的參數，後者用於快速刷新調速器的過程數據，如啟動停止、速度給定、力矩給定等。具有極高的快速性和可靠性。利用西門子變頻器的主機上提供的USS介面，僅在終端機中插入一RS-485通信板，就可實現變頻器的全部遠程控制。
3 軟體設計
波峰焊機控制系統採用模塊化的設計方法。整個系統分為監控子系統和溫控子系統。其中監控子系統主要完成對各個輸入點的監視，若有異常情況發生，迅速做出處理，並對輸出進行控制，並且根據系統的狀態進行故障處理和報警。同樣，溫控子系統主要完成的功能有：定時選通A/D轉換器對溫度信號進行採樣、濾波、標度變換、存儲；定時對處理好的採樣值進行PID計算，輸出控制脈衝；接受中斷請求，處理上位機發送的命令、狀態，上傳溫度值等等。
4 應用效果分析
波峰焊機控制系統的核心是溫度控制。只要控溫精度上去了，就可以說此控制系統已經達到基本要求了。聯誠提供的全套PID溫度控制解決方案能夠實現控制溫度的+/-2°C。
本方案波峰焊機控制系統利用西門子公司的S7-200系列PLC作為下位機控制器，它的抗干擾能力強、穩 定、可靠。上下位機運互不影響，解決了電腦死等問題對生產的影響。 在華南地區諸多波峰焊廠家應用良好，專業的解決方案得到了廣大用戶的認可。
