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1、摘要在电子产品生产工艺中，无铅波峰焊接是主要的焊接方法之一。无铅波峰焊机控制系统的性能直接影响到电子产品的焊接质量。本文介绍了无铅波峰焊接的原理、技术特点、发展现状及发展趋势，具体说明了无铅波峰焊的工艺流程及控制要求，并研究控制系统的总体方案设计及其软件开发，重点介绍无铅波峰焊机的最重要的环节 温度控制系统，包括第一、第二、第三预热和锡炉温度的检测和温度控制两方面，并详细阐述PID控制算法原理 。关键词： 无铅波峰焊；PLC；温度检测；PID控制。AbstractIn electronic product manufacturing process, lead-free wave solder
2、ing methods is the main one. The performance of lead-free wave soldering control system directly affects the welding quality of electronic products. This paper introduces the principle, wave soldering technique characteristics and development status and development trend, specifying the lead-free so
3、ldering work process and control requirements, and research control system scheme of design and software development, introduced the most important lead-free wave welder links of temperature control system, including the first, second, third preheating and tin stove temperature detection and tempera
4、ture control two aspects, and elaborate PID control algorithm principle.KEY WORDS：lead-free wave soldering；PLC； temperature detection；PID control. 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论- 3 -1.1课题研究的背景和意义- 3 -1.2无铅波峰焊的基本原理及特点- 3 -1.3无铅波峰焊机的发展现状及发展趋势- 3 -1.4本文的主要工作和章节安排- 3 -第2章 工艺流程及控制要求- 3 -2.1无铅波峰焊接的基本步骤- 3 -2.2无铅波
5、峰焊的工艺参数- 3 -2.3无铅波峰焊控制系统要求- 3 -第3章 总体方案设计- 3 -3.1 PLC 特点- 3 -3.2总体设计方案- 3 -3.2.1 上位机监控- 3 -3.2.2 温度控制- 3 -3.2.3 步进电机控制- 3 -3.2.4 变频调速- 3 -3.2.5 网络通讯- 3 -3.3总体软件设计方案- 3 -第4章 无铅波峰焊机温度控制设计- 3 -4.1 PID控制算法- 3 -4.2硬件设计- 3 -4.2.1 PLC选型- 3 -4.2.2 热电阻扩展模块EM231测温- 3 -4.2.3 加热装置选择及调温方法- 3 -4.3程序设计- 3 -4.3.1 温
6、度检测程序设计- 3 -4.3.2 温度控制程序设计- 3 -参考文献- 3 -结束语- 3 -致谢- 3 -附录1- 3 -附录2- 3 -第1章 绪论随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，人们对电子设备的需求越来越大，对电子设备的质量要求也越来越高。在电子生产设备中，无铅波峰焊机作为电路板(PCB，Printed Circuit Board)的重要焊接设备，已有20多年的历史，主要用于通孔插装元件、表面贴装元件及混合组装型PCB板的整体焊接，无铅波峰焊机控制系统的好坏将直接影响到电子产品的质量。1.1课题研究的背景和意义随着科技的发展，越来越多的新型元器件被应用于电子产品中，
7、电子产品变得更轻、更薄、更小，对精密微型化的安装结构，传统的手工焊接已不能满足电子产品的质量要求，而且生产效率低。有的单靠人的技能已是无法胜任，只能靠先进的自动化和机械化技术才能完成。波峰焊技术随之应运而生，可以完成手工操作无法完成的工作，适合于大批量焊接，质量好、速度快，操作方便。另外传统的电子元件焊料由63%的Sn和37%的Pb构成，而铅是一种有毒的重金属，人体摄入低量的铅则可能对人的智力、神经系统造成影响，过量吸收会引起中毒。全球电子工业每年要消耗大约60000吨左右的焊料，而且还在逐年增加，形成的大量含铅盐的工业渣，是铅污染的重要来源之一。铅盐易溶于水，水资源污染后，铅进入人体并在人体
8、内积累引发铅中毒，因此，减少铅的使用已成为全世界关注的焦点，从2000年开始，全球知名的电子产品制造商开始了无铅化进程，主要采用Sn-Cu或Sn-Cu-Ni合金作为焊料（添加少量的Ni可增加焊料流动性和延伸率）。我国政府也于2003年3月由信息产业部制定电子信息产品生产污染防治管理法，自2006年7月1日起禁止电子产品含铅。由于生产的需要和环保的要求，对于电子产品企业来说，无铅波峰焊接技术的应用已经是摆在企业面前必须解决的现实问题。无铅波峰焊机作为新的工艺设备，自动化程度高，因而对控制系统提出了更高的要求，本设计采用PLC的控制方案，可靠性高、编程简单易懂、操作方便、使用寿命长。无铅波峰焊机的
9、应用，可以使产品加工质量稳定的保持在设计规范之内，适合批量化生产，有效降低生产成本，减少工人的劳动强度，大幅提高生产效率，以适应市场和用户的需求。1.2无铅波峰焊的基本原理及特点平滑波PCB板湍流波焊料波峰无铅波峰焊是将熔融的液态焊料借助于泵的作用在焊料槽液面形成特定形状的焊料波，插装了元器件的PCB板置于传送链上，经过某一特定的角度以及一定的浸入深度穿过焊料波峰而实现焊点焊接的过程。图1.1 双波峰焊原理图无铅波峰焊有单波峰焊和双波峰焊之分。目前主要采用双波峰焊接技术，波峰面的表面被一层氧化皮覆盖它在沿焊料波的整个长度方向上几乎都保持静态，在波峰焊接过程中，PCB板接触到锡波的前沿表面，氧化
10、皮破裂，当PCB板进入第一个波峰面前端时，基板与引脚被喷上焊料，熔融的焊料在经过助焊剂净化的金属表面上进行浸润和扩散，并在未离开第二个波峰面之前，整个PCB板浸在焊料中，即被焊料所桥联，但在离开波峰尾端的瞬间，少量的焊料由于润湿力（亲和力）的作用，粘附在焊盘上，并由于表面张力的原因，会出现以引脚为中心收缩至最小状态，此时焊料与焊盘之间的润湿力大于两焊盘之间的焊料的内聚力，因此会形成饱满的焊点，离开波峰尾部时，多余焊料由于重力的原因，回落到锡锅中 ，防止桥联的发生。无铅波峰焊机的特点： (1)省工省料，提高生产效率，降低成本。(2)提高焊点质量和可靠性。波峰焊被焊面朝下是敞露的，气体排放很畅通因
11、此正常情况下就不会发生冒泡和内部洞穴现象。另外，焊料的上升过程是基体金属表面对液态焊料的润湿力和液态焊料自身张力所形成的压力，在克服重力作用下而爬上穿孔的上端口的。所以凡是通过波峰焊接形成的焊点，通常不会出现虚焊现象。(3)改善了操作环境。使用活性松香含铅焊料手工焊接操作时产生的烟，其中大部分是助焊剂受热分解产生的气体或挥发物。烟中含有：蒎酸、甲醛、苯酚、一氧化碳等有害成分。而采用无铅波峰焊机，由于采用了良好的排气系统，让操作者远离了烟雾。(4)产品质量标准化。由于采用了机械化和自动化生产，就可以排除手工操作的不一致性，确保了产品安装质量的整齐化和工艺的规范化、标准化。（5）使用无铅焊料更加环
12、保，减少对人体的伤害。1.3无铅波峰焊机的发展现状及发展趋势波峰焊接技术已有20多年的历史，波峰焊机已经从最初安放在传送链上的简单装置发展成为如今结构复杂、性能优异的焊接设备。目前，国内主要采用工控机的控制方案，温度控制采用PID控制算法，仍有不少设备采用单波峰焊接技术，波峰发生器以机械泵为主，采用速度控制器调节传动装置和波峰发生器。国外主要采用PLC或单片机的控制方案，更加简单、方便，普遍使用双波峰焊接工艺，第一个波是湍流波，第二个波为平滑波，以弥补原来单波峰的不足，把焊点拉尖问题减小到最小。温度控制采用模糊控制，传动装置和波峰发生器通过变频器来调节。图1.2 无铅波峰焊机实物图作为一项关键
13、性工艺装备，无铅波峰焊机的性能依然有待提升, 其新发展有：(1) PCB板进入波峰的倾角直接影响焊接效果，而倾角大小的取舍又是与整机外型尺寸大小相关联的，可采用曲线渐变导轨和夹具可变倾角结构，解决既要整机外形小又要倾角大这一对矛盾。（2）对于加热装置，温度控制系统应注意纯滞后，运用smith补偿器改进。(3)焊料波峰动力技术方面的发展，随着感应电磁泵技术理论研究的深入和应用技术的完善，感应电磁泵技术将逐渐替代机械泵技术，成为未来焊料波峰动力技术的主流。（4）增加助焊剂喷涂控制检测系统，严格控制喷涂量并且喷涂均匀，以免造成焊接短路或开路。（5）整个焊接过程中采用氮气保护系统，防止高温下裸铜和共晶
14、焊料氧化，提高焊接面的湿润性和焊料的流动性，使产品质量进一步提高。1.4本文的主要工作和章节安排本文的主要工作是介绍无铅波峰焊工艺，设计无铅波峰焊机的控制系统并开发基于PLC的温度控制器，还在此硬件平台上进行一定的温度控制算法研究。本文共分五章。第一章主要介绍本课题的研究背景、意义和波峰焊的原理。第二章主要介绍了无铅波峰焊的工艺流程和控制系统的参数选择及控制要求。第三章主要介绍控制系统的总体设计。第四章是本文的重点，主要设计无铅波峰焊机的温度控制系统，包括硬件结构和软件编程，并概述PID控制算法。第2章 工艺流程及控制要求如图2.1所示无铅波峰焊机结构图，无铅波峰焊机的主要组成部分有传动装置、
15、助焊剂涂装置、预热装置、波峰焊接装置和冷却装置。对于绝大部分无铅波峰焊机，PCB板从设备的左侧进入，右侧输出。整个工艺过程，可以大致分为四个步骤：添加助焊剂、预加热、波峰焊接和冷却，每一个步骤对整个工艺处理是否成功来说都很重要。自动控制系统的设计应充分考虑每个步骤的目的和注意事项，设置合格的参数，以保证印刷电路板的焊接质量。图2.1 无铅波峰焊机结构示意图2.1无铅波峰焊接的基本步骤（1）喷涂助焊剂将完成点(或印刷)胶、胶固化、插装通孔元器件的印制电路板从无铅波峰焊的左端放入，随传动装置向前运行，通过助焊剂喷嘴时，使印制电路板的下表面和所有的元器件端头和引脚表面均匀地涂敷一层薄薄的助焊剂。其主
16、要作用：利用电路板进入预热区受热，使助焊剂中松香和活性剂开始分解和活性化，去除印制电路板焊盘、元器件端头和引脚表面的氧化膜以及其他污染物，同时起到保护金属表面防止发生再氧化的作用，而且可以降低焊接时焊料的表面张力，有利于焊料的润湿和扩散。图2.2 工艺流程图 （2)预热处理PCB板随传动装置进入预热区，共三次预加热，预热温度在80150之间，根据不同类型的PCB板设定不同的温度。无铅波峰焊机采用底部预加热升高PCB板组件和助焊剂的温度，有助于助焊剂活化，去除挥发物；同时使PCB板和元器件充分预热，避免焊接时急剧升温产生过大的热应力损坏印制电路板和元器件，将热冲击降低至最小的程度。这两个作用在实
17、施大批量焊接时，是非常关键的。当印刷电路板组件的质量较重时，例如具有8层或层数更多的多层板，通常情况下要求采用底部和顶部加热相结合的措施，使PCB板组件达到合适的温度，同时又不会产生底部过热的现象。（3)波峰浸焊PCB板继续向前运行，板的底面首先通过第一个熔融的焊料波，焊料波由波峰发生器产生，将焊料打到PCB板底面所有焊盘、元器件引脚上，熔融的焊料在经过助焊剂净化的金属表面上进行浸润和扩散。第一个波峰是由狭窄的喷嘴喷出的湍流波，流速快，对SMT元器件有较高的垂直压力，使焊锡对尺寸小、贴装密度高的焊点有较好的渗透性，并克服了元器件的复杂形状及“阴影效应”带来的不良影响。同时湍流波向上的喷射力可以
18、使焊剂气体顺利排出，大大减少了漏焊、桥接、及焊缝不充实等缺陷。然后PCB板的底面通过第二个熔融的焊料波，第二个焊料波是平滑波，焊锡流动速度慢，出口处的流速几乎为零，能有效除去引脚过量的焊锡，使焊接表面湿润良好。在PCB板离开波峰尾端的瞬间，少量的焊料由于润湿力的作用粘附在焊盘上并由于表面张力的原因，会出现以引线为中心收缩至最小状态，此时焊料与焊盘之间的润湿力大于两焊盘之间的焊料的内聚力，因此会形成饱满，圆整的焊点。在离开波峰尾部时，多余焊料的由于重力的原因，回落到锡锅中，将引脚之间的连桥分开，并将拉尖的影响减小到最小。（4）冷却当PCB板离开波峰开始冷却时，靠近铜盘附近的PCB板将产生向上的拉
19、应力，焊点表面由于热扩散作用快首先开始凝固，其后是通孔内部的焊料开始凝固，通孔内部焊料开始凝固收缩时，对焊点表面产生拉应力的作用，最后在铜盘与料结合处产生应力集中。当此处的结合强度低于集中的应力时，就可能开裂造成焊盘剥离。产生焊盘剥离，原因在于冷却过程中焊料合金的冷却速率与PCB板的冷却速率不同所致。一个比较好的方法就是在焊后采用急速冷却，冷却过程焊点的不同位置几乎是同时凝固的，产生的内应力作用较小，出现焊盘剥离的几率大大减小。另外波峰焊后适当的冷却有助于增强焊点接合强度的功能，同时，冷却后的产品有利于操作人员的作业。2.2无铅波峰焊的工艺参数焊接质量是产品质量的保证，理想的无铅波峰焊接的工艺
20、参数是多项指标综合的统一，对波峰焊接质量有重要影响的工艺参数主要有传输速度、预热温度、焊接温度、波峰高度等，其中某一个参数选择不当，都会导致各种焊接缺陷，使焊接质量下降。（1）传输速度传输速度的快慢是影响焊接时间，速度过慢使焊接时间增长，PCB板及板上元器件受高温加热时间较长，元器件容易受损或印制板产生变形，使焊盘牢度下降；速度过快，则容易产生漏焊、虚焊、假焊等不良现象。焊点与熔融焊料所接触的时间为焊接时间，焊接时间=波峰宽度速度，通常波峰面长度为45，焊接时间控制在22.5秒之内，因此传输速度一般控制在0.2即0.12 。（2）预热温度预热温度低，PCB板达不到预期温度，使焊料的扩展率下降，
21、流动性降低，表面张力增大，易出现虚焊。预热温度过高时，助焊剂急剧挥发，助焊剂中的活化成分丧失，助焊性能降低，使焊盘润湿性变差，易出现漏焊。不同的板预热温度不同，单面板预热温度为80110；双面板温度为90120；多层板温度为10015O。（2）焊接温度无铅波峰焊机的锡炉温度控制极为重要，温度太低，焊料表面张力大，焊料流动性变差，会产生桥接、拉尖、虚焊等现象；温度太高，PCB板易产生变形、翘曲，过高的温度还会导致焊点合金的改变，使焊点的导电性能变差，机械性能变脆。因此，锡炉温度一般设置在（2505）范围。（4）波峰高度波峰高度设置过低，焊接时会产生漏焊、虚焊，使焊接质量变差；波峰高度过高，焊接时
22、易发生焊料漫流，甚至使焊锡喷涌到PCB板面上，对PCB板造成损伤。波峰焊接时的波峰高度一般设置在PCB板板厚的高度。2.3无铅波峰焊控制系统要求无铅波峰焊控制系统的主要要求和特点： （1）控制无铅波峰焊的传送带速度。（2）通过调速泵的转速控制波峰高度。（3）实现温度检测，控制预加热温度和锡炉温度。（4）要求无铅波峰焊机的锡炉温度控制精度达到（2501）。第3章 总体方案设计无铅波峰焊控制系统是一个复杂的控制系统，运用了多种先进控制技术对无铅波峰焊机进行控制，其中包含的技术有温度检测、控制，变频器调速、步进电机控制，通讯技术、逻辑控制、控制算法等，因而对控制系统提出了更高的要求，目前，常用的无铅
23、波峰焊控制器有可编程控制器(PLC)、工控机(IPC)两种。本设计采用PLC作为控制器。3.1 PLC 特点PLC主要有中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入/输出部件(I/O)、电源和编程器几大部分组成。PLC是以微机处理器为核心的数值式电子、电气自动控制装置,也可以说是一种专用微型计算机。各种PLC的具体结构虽然多种多样,但原理基本相同，即都是以微处理器为核心，并辅以外围电路和I/O单元等硬件.其主要特点是：(1)可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能，PLC由于采用现代大规模集成电路技术，大量的开关动作由无接触的半导体电路来完成，采用严格的生产工艺制造，内
24、部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。(2)配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中，加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易，并适用于各种工业环境。(3)易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图
25、语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。(4)系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能，这很适合多品种、小批量的生产场合。(5)体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内
26、部，是实现机电一体化的理想控制设备。3.2总体设计方案无铅波峰焊机控制系统主要包括控制器部分和电气部分。控制系统的核心部分包括控制器、变频器控制、传送链控制、温度检测控制等等。其系统结构图如图3.1所示。热电偶模块输入开关量输入电阻炉温度 调节电路监控计算机开关量输出波峰2号电机可编程控制器PLC变频器MM步进电机驱动器变频器MM步进电机驱动器M步进电机驱动器波峰1号电机链幅调节步进电机喷嘴移动步进电机助焊剂流量步进电机RS-485脉冲信号RS-485图3.1 无铅波峰焊机控制系统基本结构图3.2.1 上位机监控上位机是监控软件所运行的计算机，用来实现整个系统的管理。它操作简单、思路清晰、界面
27、友好。上位机软件主要包括以下几个模块:(1) 数据采集、存储模块上位机软机每隔1s向可编程控制器发送读温度命令，然后接受控制器返回的温度数据，经过错误校验以后进行存储并显示。(2)实时曲线显示、历史曲线显示功能模块监控软件可以显示温度的变化曲线和历史曲线，从而可以观察到系统的升温变化趋势。(3) 数据查询模块上位机存储的历史数据可以按照不同的规则进行查询以供分析，系统的设置参数也可以进行查询。(4) PID参数整定模块虽然PID算法大部分是在下位机完成，但是上位机也可以根据需要调整参数、的初始值。同时，为了更好的发挥上位机软件的强大作用也可以进行神经网络、专家控制、学习控制等智能算法的应用。(
28、5) 通讯模块主要负责与下位机的数据交换及数据格式的转换。3.2.2 温度控制温度控制是波峰焊机控制系统的核心。系统利用热电偶模块采集温度信号。它通过改变温度控制电路中晶闸管的导通角，从而改变电阻丝两端的有效电压，达到控制温度的目的。在很多工业控制过程中一般都采用PID控制，特别是对于纯滞后、大惯性的温度控制。PID控制是按照实际温度和设定温度偏差的比例、积分、微分产生控制作用，实际运行效果和理论分析表明，这种控制规律可以得到比较满意的结果。3.2.3 步进电机控制在波峰焊机控制系统中有三种步进电机:链幅调节步进电机、助焊剂流量控制步进电机和波峰喷嘴移动步进电机。步进电机是将电脉冲信号变换成角
29、位移的一种机电式数模转换器。它受脉冲信号控制，角位移与输入脉冲个数构成严格的正比例关系，每输入一个脉冲，步进电机就转动一定的角度。它具有定位精度高、惯性小、无积累误差、启动性能好等特点。因此，它广泛应用于要求精密定位的旋转或线性运动的控制系统。PLC输出的脉冲信号通过步进电机驱动器达到控制步进电机的目的。3.2.4 变频调速系统应用了变频调速技术来调节泵产生的焊料波峰高度。变频调速的主要优点有：（1)调节平滑性好，可实现无级调速。以输出频率的分辨率0.5，极对数为2的电动机为例，则相邻两档的转速差=（600.05）2=1.5, 异步电动机调速平滑性能好。（2)调速范围广。通用变频器的最低工作频
30、率是0.5Hz，一般的额定频率为50Hz。则调速范围可达500.5=100。是实际的同步转速的调节范围，略高于实际的转速调节范围。（3)异步电动机的变频调速特性可以做到与直流调速系统相媲美的程度，而异步电动机由于其自身的特点比直流电动机更容易维护，其故障率更低。3.2.5 网络通讯上位机监控软件和可编程控制器之间以及PLC和变频器之间用RS-485连接。通信协议是自由口通讯MODBUS协议。MODBUS协议是MODICON公司为其生产PLC设计一种通讯协议。此协议定义了一个控制器能认识使用消息结构。它描述了控制器请求访问其它设备过程，回应来自其它设备请求，以及怎样侦测错误并记录，制定了消息域结
31、构和内容公共格式。3.3总体软件设计方案此无铅波峰焊接机系统的软件流程图如图3.2所示。启动设备后，锡炉升温，同时对预热区加热，作好焊接准备。当温度都达到预先设定值时，才允许传动电机工作以免温度的原因影响焊接质量，当检测到PCB板到达预加热区时，开始喷涂助焊剂，然后依次进行预加热、波峰焊和冷却。如果温度低于预先设定的温度值，则继续加热；对于预加热区，如果温度过高，则切断加热装置电源，对于锡炉温度采用PID控制，当出现异常使PID控制失效，锡炉温度超过预先设定的温度上限时，则切断加热装置电源，并停止传输电机，以免烧坏PCB板。图3.2 软件流程图第4章 无铅波峰焊机温度控制设计温度控制是无铅波峰
32、焊机控制系统的核心，直接关系到PCB板的焊接质量，本章将重点研究第一、第二、第三预热和锡炉温度控制，分温度的检测和控制两部分。本方案采用市场占有率最高的西门子S7-200 PLC EM231 4通道热电偶模块进行温度检测，对于温度控制要求不高的预加热区采用继电器通断控制，锡炉温度则使用PID闭环控制加模拟量调压的方法调节，以达到精确控制。 4.1 PID控制算法在工业生产中，经常需要采用闭环控制方式来实现温度、压力、流量、间距等连续变化的模拟量控制，无论使用模拟控制器的模拟控制系统，还是使用计算机(包括PLC)的数字控制系统，PID控制都得到了广泛的应用。PID控制器具有不需要精确的控制系统数
33、学模型，有较强的灵活性和适应性，以及程序设计简单，参数调整方便等优点。比例控制可以实现对偏差的快速补偿，积分控制可以提高系统的稳定性，同时消除系统的静态误差，微分控制可改善系统的动态响应速度对怪性较大的被控对象有超前作用，将比例、积分、微分三者有效地结合可以对系统实现准确、无静差的稳定控制，满足控制要求，PID控制器调节输出值，以便将偏差调整为零，使系统达到稳定状态偏差是给定值和过程变量差。PID 控制的原理基于下面的算式输出是比例项积分项和微分项的函数。 (4.1) 其中：为PID回路的输出，是时间的函数。 为PID回路的比例系数。 为PID回路的积分系数。 为PID回路的微分系数。 为PI
34、D 回路的偏差 (给定值与过程变量之差)。 为PID 回路输出的初始值为了在数字计算机中运行该控制函数，必须将连续函数量化为偏差值的定期样本，并随后计算输出。数字计算机运算使用下列相应公式为基础的离散化PID运算模型。 (4.2) 其中：为采样时间n的PID运算输出值为采样时间n的PID回路偏差值为采样时间（n -1）的PID回路的偏差在该公式中，积分项被显示为全部偏差项的函数，从第一个采样至当前采样。微分项是当前采样和前一个采样的函数，而比例项仅是当前采样的函数。在数字计算机中，既不可能也没有必要存储所有的偏差项样本。因为从第一个采样开始，每次对偏差采样时数字计算机都必须计算输出值，因此仅需
35、存储前一个的偏差值和前一个积分项数值即可。利用数字计算机计算处理的重复性，可对上述公式进行简化。简化后的公式为： (4.3) 其中：为采样时间（n1 ）的积分项（又称积分前项或积分项前值）计算回路输出值时，CPU实际使用对上述简化公式的修改格式。修改后的公式为： (4.4)其中：为采样时间n的回路输出比例项数值为采样时间n的回路输出积分项数值为采样时间n的回路输出微分项数值（1）比例项比例项是PID回路的比例系数和偏差的乘积。其中控制输出计算的敏感性，而偏差是采样时刻给定值与过程变量值之差，为了方便计算取=，CPU采用的计算比例项的算式是： (4.5)其中：为回路增益。 为采样时刻n的给定值。
36、 为采样时刻n的过程变量的值。（2）积分项积分项值与偏差和成比例。为了方便计算取=，CPU采用的积分项的公式为： （4.6）其中：为采样时刻n的积分项的值 为采样时间间隔 为积分时间积分项是所有积分项全部先前数值之和，在每次计算出后，都要用去更新。其中可以被调整或限定，的初值通常在第一次计算输出之前被置为。其他几个常量也是积分项的一部分：如增益，采样时间（PID循环重新计算输出数值的循环时间）和积分时间（用于控制积分项对输出计算影响的时间）。（3）微分项微分项值与偏差的变化成正比，S7-200使用下列算式来求解微分项： (4.7)为了避免步骤改变或由于设定值求导而带来的输出变化，对此公式进行修
37、改，假定设定值为常量（=），因此计算过程变量的改变，替代计算偏差的改变，计算公式可改进为： (4.8)或： (4.9)其中：为采样时刻n的输出微分项的值为微分时间为采样时刻n-1的给定值为采样时刻n-1的过程变量值为了下一次计算微分项值，必须保存过程变量而不是非偏差项，在第一采样时刻初始化为=。4.2硬件设计本节主要对无铅波峰焊机的温度控制系统所使用的控制器，温度传感器和具体的加热装置及其温度调节电路作出介绍。4.2.1 PLC选型S7-200系列PLC是SIEMENS公司新推出的一种小型PLC。它以紧凑的结构、良好的扩展性、强大的指令功能、低廉的价格，已经成为当代各种小型控制工程的理想控制器
38、。S7-200PLC包含了一个单独的S7-200CPU和各种可选择的扩展模块，可以十分方便地组成不同规模的控制器。其控制规模可以从几点上到几百点。S7-200PLC可以方便地组成PLC-PLC网络和微机-PLC网络，从而完成规模更大的工程。S7-200的编程软件STEP7-Micro/WIN32可以方便地在Windows环境下对PLC编程、调试、监控，使得PLC的编程更加方便、快捷。可以说，S7-200可以完美地满足各种小规模控制系统的要求。目前S7-200系列PLC主要有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四种，其性能差异很大。这些性能直接影响到PLC的控制规模和PLC系统
39、的配置。本设计采用西门子S7-200 CPU 224，其共有24 个数字量I/O口，其中14点输入和10点输出，它还可以连接7个扩展模块，最大可扩展至168点数字量I/O或35路模拟量I/O。CPU 224有13KB程序和数据存储空间，6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制功能。CPU 224配有一个RS-485通信/编程口，具有PPI通信、MPI通信和自由方式通信能力，具有较强的控制能力。4.2.2 热电阻扩展模块EM231测温在工业实际应用中，尤其是控制系统中经常涉及对温度的测量，常用热电偶作为作为测温传感器。其工作原理式：两种不同成分的导体，两端
40、经焊接形成回路，当冷端和热端存在温差，就会在回路中产生热电流，即热电效应。相应产生的电动势为热电动势，电动势随温度升高而增大，配接420mA、010V等标准电流、电压信号的温度变送器和显示仪表，就可以显示所产生热电动势对应的温度值。为了应用方便，西门子公司专门开发了热电偶扩展模块EM231，共有两种型号：EM231 4通道热电偶模块和EM231 8通道热电偶模块。热电偶扩展模块内置了滤波、放大、A/D转换电路，不再需要另外使用温度变送器并且有多路转换器，因此可以直接将4路热电偶信号引入PLC这样可以直接把热电偶信号引入PLC进行测量。表4.1 EM231热电偶模块的技术参数规格项目EM231
41、4AITCEM231 8AITC物理特性尺寸(宽高深)71.28062mm71.28062mm功耗1.7W1.7W电源损耗+5V DC消耗电流35 47 L+30 30 L+线圈电压范围20.428.8V DCLED灯指示24V DC电源供电良好ON=无错，OFF=无24V DC电源，SF：ON=模块故障，闪烁=输入信号错误,OFF=无错 模拟量输入特性输入类型悬浮型热电偶输入范围热电偶类型(选一种)：S，T，R，E，N，K，J电压范围：+/-80mV输入点数48现场至逻辑 现场至24V DC 24V到逻辑500VAC500VAC500VAC共模输入范围 (输入通道至输入通道)120V AC共
42、模抑制120dB120V AC温度电压0.1/0.115位加符号位模块更新时间(所有通道)425ms825ms到传感器的导线长度最大100米导线回路电阻最大100噪声抑制85dB 50Hz/60Hz/400Hz数据字格式电压：-27648至+27648输入阻抗1M最大输入电压30V DC分辨率15位+符号位输入滤波衰减-3dB 21kHz基本误差0.1% FS(电压)重复性0.05% FS冷接点误差1.5本系统测量3次预加热的温度和锡炉温度，所以选择4通道的即可。该模块可以连接J、K、E、N、S、T和R共7种类型的热电偶，它也允许连接微小的模拟量信号范围(80mV),模块响应时间为405ms。
43、该模块需要直流24 V 供电，可有CPU模块的传感器电源DC24 V供电，也可以由用户提供外部电源。图4.1 热电偶扩展模块EM231如图4.1 所示为4 通道热电偶模块的接线图。模块上部共有12 个端子，从左边开始8个端子每2个为一组接热电偶传感器。上部右边为4个接地端子，分别接4个传感器的屏蔽线，为了图示清晰，图中只划了右边两个热电偶的屏蔽线，这里有一点需要注意，一个测量模块上所接的热电偶必须为同一类型。下边最左边3个端子接电源信号，中间4个端子也是接地端子，在这里不用。图4.2 组态DIP开关热电偶扩展模块下部右边是组态DIP开关，该组开关共有 8个，其中前3个用以选择连接热电偶的类型，
44、本设计采用T型热电偶，其测温范围为-200400，如表4.2所示，应将前三个开关置于010，第4个必须置 0（开关置于下方），开关5和开关6用于设定传感器断线检测方向和检测使能设置，开关7用于设置测温单位是摄氏温度还是华氏温度，开关8用于设置冷端补偿功能的开启/关闭。要使DIP开关起作用，需给模块重新上电。具体设置见表4.2表 4.2 组态DIP开关设置表热电偶类型开关1开关2开关3J 型(缺省)000K型001T型010E型011R型100S型101N型110选择项目开关位置开关设置01断线检测方向开关5正标定（+32767）负标定（-32767）是否进行断线检测开关6是否测量单位选侧开关7
45、摄氏温度华氏温度是否进行冷端补偿开关8是否4.2.3 加热装置选择及调温方法（1）预热处理： 三次预加热区采用石英灯加热，石英灯是一种短波长红外线(IR)加热源，它能够做到快速地实现任何所要求的预热温度设置，并通过强迫热空气对流使预热均匀。对于预加热区，温度控制要求不高，允许的偏差，通过检测实际温度与设定值比较，来控制加热器通断即可。（2）锡炉加热锡炉采用电阻炉加热，随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，电阻炉已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用。本设计采用TKPLC-2型电阻炉，由220V交流电供电，采用双向可控硅调节。如图4.3所示，电阻丝通过晶闸管主电路驱动加热，锡炉温度的设定值通过PLC程序预先设置，实际温度由热电偶扩展模块EM231检测 ，并将电压信号经其内部电路滤波放大，A/D转换后送入P
