彎管機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彎管機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)—系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘

要本文主要介紹了彎管機(jī)的工作原理、工藝流程以及電氣控制電路的設(shè)計(jì)。針對(duì)彎管機(jī)電氣控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，利用AUTO-CAD軟件繪制九個(gè)控制電機(jī)的電路原理圖和現(xiàn)場總體電路分布結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖；根據(jù)設(shè)計(jì)精度要求和對(duì)元器件性價(jià)比的比擬，對(duì)包括PLC、編碼器、紅外測溫儀及變頻器等元件在內(nèi)的各類硬件設(shè)備的選型。本文所設(shè)計(jì)的電氣控制系統(tǒng)用于控制中頻加熱彎管機(jī)的工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行，采用PLC來控制彎管機(jī)，用上位機(jī)顯示溫度、速度等，能更好的控制彎管的質(zhì)量和效率，主要實(shí)現(xiàn)彎管機(jī)的加熱、送料、彎曲、冷卻等功能的控制。所設(shè)計(jì)的電路及選取的硬件在工業(yè)現(xiàn)場調(diào)試中根本能夠到達(dá)預(yù)期的效果。

關(guān)鍵詞：彎管機(jī)、控制系統(tǒng)、可編程序控制器PLC、電路原理圖PipeBenderElectricControlSystemDesign-SystemDesignAbstractThispapermainlyintroducestheworkingprincipleofpipebendingmachine,processandthedesignofelectricalcontrolcircuit.BenderelectricalcontrolsystemhardwaredesignedforuseAUTO-CADsoftwaretodrawninemotorcontrolcircuitschematicsandfielddistributionstructureoverallcircuitdesign;accordingtothedesignrequirementsandcomparetheaccuracyofcomponentcostofincludingPLC,Selectionofvarioustypesofhardwareencoders,infraredthermometersandothercomponents,includingtheinverter.Inthispaper,thedesignoftheelectricalcontrolsystemforcontrollingthefrequencyheatingpipebenderactualoperationoftheindustrialfield,usingthePLCtocontrolbendingmachine,withahostcomputerdisplaystemperature,speed,etc.,tobettercontrolthequalityandefficiencyoftheelbow,themainachievementoftheheatingpipebender,controllingfeeding,bending,coolingandotherfunctions.Thedesignofthecircuitandselectedhardwarecommissioninginindustrialfieldcanbasicallyachievethedesiredresults.KeyWords:pipebendingmachine;controlsystem,;Programmable

Logic

Controller

PLC;thecircuitprinciplediagram目錄中文摘要 I英文摘要 II1緒論 11.1課題背景 11.2課題研究意義 11.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及開展方向 1彎管機(jī)的開展及國內(nèi)外研究情況 1西門子PLC的開展史 2電氣控制的開展 21.4本文研究的主要內(nèi)容 32彎管機(jī)電氣控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 52.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 5彎管機(jī)控制系統(tǒng)組成 52.2彎管機(jī)的工作原理 62.3彎管機(jī)的工藝流程 72.4中頻加熱彎管機(jī)的機(jī)械裝置 72.5彎管機(jī)中頻加熱系統(tǒng) 72.6中頻加熱彎管機(jī)的液壓系統(tǒng) 82.7彎管機(jī)的冷卻系統(tǒng) 83彎管機(jī)電氣控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 93.1電氣控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 93.1.1上位機(jī) 93.1.2下位機(jī) 93.1.3人機(jī)接口 103.2PLC控制系統(tǒng) 103.2.1PLC控制原理 10PLC的硬件結(jié)構(gòu) 113.2.3PLC的選擇依據(jù) 123.2.4可編程控制器S7-200介紹 133.2.5S7-200的CPU選擇 133.2.6數(shù)字量模塊的選擇 173.2.7模擬量模塊的選擇 183.3編碼器 193.4紅外測溫儀 203.5變頻器 213.6變換器 233.7其它 243.8電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 243.8.1上位機(jī)和下位機(jī)的通訊 263.8.2電機(jī)的起停控制線路 273.8.3CPU輸入輸出電氣控制 293.8.4EM223輸入輸出控制線路 313.8.5EM231和EM232的電氣控制 334彎管機(jī)電氣控制系統(tǒng)PLC局部軟件設(shè)計(jì) 365結(jié)論 39參考文獻(xiàn) 40致謝 41畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文〕知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明 42畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文〕獨(dú)創(chuàng)性聲明 43附錄 44 1緒論1.1課題背景目前，大大小小的彎管器件已廣泛應(yīng)用于日常生活中，小到汽車零器件，自來水管道，天然氣管道，大到石油行業(yè)，管道工程，同時(shí)在國家開發(fā)的西氣東輸?shù)墓こ讨幸驳玫搅藨?yīng)用，可見彎管機(jī)在我國機(jī)械事業(yè)中占有重要的地位，它的開展也表達(dá)了我工國業(yè)的開展。管材的彎曲加工，在金屬結(jié)構(gòu)、農(nóng)牧機(jī)械、動(dòng)力機(jī)械、工程機(jī)械、以及鍋爐、電力、石油化工、輕工、航天機(jī)械、管道工程等工業(yè)部門，有著十分廣泛的應(yīng)用。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速開展，對(duì)各種彎曲成型管件的數(shù)量、規(guī)格及用材的要求都在不斷地增加，把戲不斷翻新，同時(shí)對(duì)彎管精度和外表質(zhì)量提出了更高的要求。在廣泛的市場要求的前提下,國內(nèi)的彎管技術(shù)出現(xiàn)了越來越多的關(guān)于材質(zhì)﹑管徑及彎管半徑等的具體要求?，F(xiàn)代彎管的特點(diǎn)是大口徑，厚臂管，針對(duì)這一特點(diǎn)我們采用中頻液壓加熱彎管機(jī)對(duì)其彎管。采用PLC來控制彎管機(jī)，用上位機(jī)顯示溫度、速度等，能更好的控制彎管的質(zhì)量和效率。1.2課題研究意義彎管機(jī)是機(jī)械制造行業(yè)中的重型機(jī)械設(shè)備，是衡量一個(gè)國家機(jī)械制造水平和能力的標(biāo)志之一。作為彎管機(jī)的電氣控制局部，其設(shè)計(jì)的合理性及科學(xué)性關(guān)系到彎管機(jī)的整體性能的提高。西氣東輸是國家為開發(fā)西部進(jìn)行的戰(zhàn)略性工程,在西氣東輸中,需要大量大口徑彎管用于管線轉(zhuǎn)彎處,國內(nèi)管道行業(yè)現(xiàn)有的彎管能力最大,電氣控制系統(tǒng)采用繼電器控制和專用電路控制相結(jié)合,不能滿足工程需要，為此，在充分消化吸收原有彎管設(shè)備特點(diǎn)的根底上,采用最新的控制手段設(shè)計(jì)了高精度的中頻加熱彎管機(jī),采用了電氣控制系統(tǒng)，用于彎管工藝的自動(dòng)控制和彎管質(zhì)量控制。同時(shí)彎管機(jī)在石油行業(yè)也得到了廣泛應(yīng)用，可見彎管機(jī)在我國機(jī)械事業(yè)中占有重要的地位，它的開展也表達(dá)了我工國業(yè)的開展。本文設(shè)計(jì)彎管機(jī)的目的在于，結(jié)合現(xiàn)實(shí)中的情況，在穩(wěn)固和應(yīng)用所學(xué)支持的前提下，充分發(fā)揮自己的動(dòng)手和實(shí)際設(shè)計(jì)的能力，設(shè)計(jì)出一款簡單實(shí)用高效的彎管機(jī)。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及開展方向彎管機(jī)的開展及國內(nèi)外研究情況彎管機(jī)的開展與計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展息息相關(guān)，早在20世紀(jì)70年代時(shí)，美國EATONLEONARD公司就已經(jīng)研制生產(chǎn)了計(jì)算機(jī)數(shù)控彎管設(shè)備，首創(chuàng)計(jì)算機(jī)編程數(shù)控彎管之先河，大大提高了當(dāng)時(shí)的數(shù)控彎管水平。20世紀(jì)80年代，日本千代田工業(yè)株式會(huì)社在美國EATONLEONARD公司的研究成果上，成功研制了M-1型管型測量機(jī)和EC、TC兩種系列十多種型號(hào)的數(shù)控彎管機(jī)，功能非常強(qiáng)大，很快便以嶄新的技術(shù)面貌擠入了國際市場我國的數(shù)控彎管機(jī)研究起步較晚，但開展很快，早在1970年武昌造船廠就研制成功一臺(tái)數(shù)控彎管機(jī)，這是國內(nèi)自主研制的第一臺(tái)數(shù)控彎管機(jī)。1973年武昌造船廠又成功研制了SKWG-2型數(shù)控彎管機(jī)。此后上海造船廠工藝研究所等多家國內(nèi)企業(yè)也陸續(xù)研制出了數(shù)控彎管機(jī)。目前我國彎管加工的現(xiàn)狀是既有自動(dòng)化程度高的數(shù)控彎管機(jī)，也有半自動(dòng)的數(shù)控彎管機(jī)，甚至還有相當(dāng)一局部中小企業(yè)還在使用傳統(tǒng)的手工彎管，具有典型的“老、中、青〞，即手工彎管設(shè)備、半自動(dòng)彎管機(jī)床和全自動(dòng)彎管機(jī)床三者結(jié)合的中國特色。另外，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷開展，彎管機(jī)的型式日趨多樣化，彎管性能也在大幅度地提高。特別是微型計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、可編程控制器、先進(jìn)的交流伺服系統(tǒng)以及新型液壓元器件和液壓技術(shù)的應(yīng)用，使傳統(tǒng)彎管機(jī)的功能更趨完善，數(shù)控彎管機(jī)將取代傳統(tǒng)彎管機(jī)而成為現(xiàn)代彎管的主要設(shè)備。西門子PLC的開展史

1．西門子公司的產(chǎn)品最早是1975年投放市場的SIMATIC

S3，它實(shí)際上是帶有簡單操作接口的二進(jìn)制；2．1979年，S3系統(tǒng)被SIMATIC

S5所取代，該系統(tǒng)廣泛地使用了微處理器；

3．20世紀(jì)80年代初，S5系統(tǒng)進(jìn)一步升級(jí)——U系列PLC，較常用機(jī)型：S5-90U、95U、100U、115U、135U、155U；4．1994年4月，S7系列誕生，它具有更國際化、更高性能等級(jí)、安裝空間更小、更良好的WINDOWS用戶界面等優(yōu)勢，其機(jī)型為：S7-200、300、400，分別對(duì)應(yīng)小型、中型、大型PLC；5．1996年，在過程控制領(lǐng)域，西門子公司又提出PCS7〔過程控制系統(tǒng)7〕的概念，將其優(yōu)勢的WINCC〔與WINDOWS兼容的操作界面〕、PROFIBUS〔工業(yè)現(xiàn)場總線〕、COROS〔監(jiān)控系統(tǒng)〕、SINEC〔西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)〕及控調(diào)技術(shù)溶為一體；6．現(xiàn)在，西門子公司又提出TIA〔Totally

Integrated

Automation〕概念，即全集成自動(dòng)化系統(tǒng)，將PLC技術(shù)溶于全部自動(dòng)化領(lǐng)域。此外，西門子PLC還有M7、C7二個(gè)系列。在以后章節(jié)中主要介紹S7-200

PLC控制器。PLC是由摸仿原繼電器控制原理開展起來的，二十世紀(jì)七十年代的PLC只有開關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機(jī)械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達(dá)了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲(chǔ)器中。運(yùn)行時(shí)按存儲(chǔ)程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內(nèi)有指示程序步存儲(chǔ)地址的程序計(jì)數(shù)器，在程序運(yùn)行過程中，每執(zhí)行一步該計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1，程序從起始步〔步序號(hào)為零〕起依次執(zhí)行到最終步〔通常為END指令〕，然后再返回起始步循環(huán)運(yùn)算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時(shí)間稱為一個(gè)掃描周期。不同型號(hào)的PLC，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點(diǎn)，在微秒量級(jí)，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當(dāng)成開關(guān)量來處理，16位〔也有32位的〕為一個(gè)模擬量。大型PLC使用另外一個(gè)CPU來完成模擬量的運(yùn)算。把計(jì)算結(jié)果送給PLC的控制器。

相同I/O點(diǎn)數(shù)的系統(tǒng)，用PLC比用DCS，其本錢要低一些〔大約能省40%左右〕。PLC沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護(hù)本錢比DCS要低很多。一個(gè)PLC的控制器，可以接收幾千個(gè)I/O點(diǎn)〔最多可達(dá)8000多個(gè)I/O〕。如果被控對(duì)象主要是設(shè)備連鎖、回路很少，采用PLC較為適宜。PLC由于采用通用監(jiān)控軟件，在設(shè)計(jì)企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。

近10年來，隨著PLC價(jià)格的不斷降低和用戶需求的不斷擴(kuò)大，越來越多的中小設(shè)備開始采用PLC進(jìn)行控制，PLC在我國的應(yīng)用增長十分迅速。隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速開展和根底自動(dòng)化水平的不斷提高，今后一段時(shí)期內(nèi)PLC在我國仍將保持高速增長勢頭。電氣控制的開展

本系統(tǒng)的電控局部的下位機(jī)采用可編程序邏輯控制器(Programmable

Logic

Controller.

PLC)。PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、功能豐富等強(qiáng)大技術(shù)優(yōu)勢，己經(jīng)成為目前自動(dòng)化領(lǐng)域的主流控制系統(tǒng)。然而，從目前的應(yīng)用情況來看，PLC還大都只是承當(dāng)最根本的控制功能，模塊。雖然PID算法控制有很高的穩(wěn)定性，但對(duì)于一些復(fù)雜控制系統(tǒng)，PID控制很難滿足控制要求，這也使PLC的開展面臨著一種挑戰(zhàn)。隨著越來越多的PLC產(chǎn)品與IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)兼容，PLC控制系統(tǒng)越來越開放，將先進(jìn)控制算法嵌入PLC常規(guī)控制系統(tǒng)成為可能。本課題采用PLC

S7-200來控制，根據(jù)其特點(diǎn)，把一些先進(jìn)控制算法，在PLC及組態(tài)系統(tǒng)上得以實(shí)現(xiàn)，并開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用程序，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)調(diào)試，驗(yàn)證可以用到彎管機(jī)彎管工業(yè)中。作為離散控的制的首選產(chǎn)品，PLC在二十世紀(jì)八十年代至九十年代得到了迅速開展，世界范圍內(nèi)的PLC年增長率保持為20%～30%。隨著工廠自動(dòng)化程度的不斷提高和PLC市場容量基數(shù)的不斷擴(kuò)大，近年來PLC在工業(yè)興旺國家的增長速度放緩。但是，在中國等開展中國家PLC的增長十分迅速。綜合相關(guān)資料，2004年全球PLC的銷售收入為100億美元左右，在自動(dòng)化領(lǐng)域占據(jù)著十分重要的位置。1.4本文研究的主要內(nèi)容

本課題的研究工作主要是根據(jù)彎管機(jī)的工藝流程對(duì)彎管機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和進(jìn)行硬件的設(shè)計(jì),主要是對(duì)彎管機(jī)電氣控制局部的研究與實(shí)現(xiàn)。由于彎管工藝對(duì)其加熱過程的速度和溫度都有較高要求，所以彎管機(jī)在對(duì)鋼管推制過程中的加熱溫度和推制速度的控制要求相當(dāng)高。在彎管成形過程中常會(huì)因速度和溫度控制不當(dāng)引起管徑開裂、管壁厚度不均等缺陷。因此，本課題的主要研究內(nèi)容是：設(shè)計(jì)一個(gè)怎樣的控制器去控制彎管機(jī)的溫度和速度使其在減少次品率的條件下又快又好的推制出所要求角度的彎管。采集、存儲(chǔ)和顯示加熱溫度、推管速度，實(shí)現(xiàn)控制〔1〕推管油缸：行程12米，工作速度：10mm～60mm/分〔2〕溫度范圍：850℃～1100℃〔3〕感應(yīng)圈移動(dòng)速度：10mm～60mm/分〔4〕中頻電源功率：500～1000KW。2彎管機(jī)電氣控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本課題主要是對(duì)彎管機(jī)電氣控制局部的研究與實(shí)現(xiàn)。中頻感應(yīng)加熱彎管機(jī),其工作原理是利用中頻電源對(duì)鋼管進(jìn)行加熱，同時(shí)將鋼管勻速推進(jìn)，使加熱局部的鋼管沿預(yù)設(shè)的軌道行走從而形成具有一定曲率半徑和角度的彎管。先將鋼管安裝就位，通過搖臂回轉(zhuǎn)裝置上的絲杠絲母傳動(dòng)裝置調(diào)整好彎曲半徑，采用中頻感應(yīng)加熱線圈對(duì)鋼管加熱到一定溫度后進(jìn)行彎曲，彎曲時(shí)以液壓為動(dòng)力，由小車將鋼管向前推進(jìn)，沿調(diào)整好的彎曲半徑在加熱處發(fā)生變形而彎曲，鋼管變形后對(duì)其噴水冷卻，從而獲得所需的彎管管件。動(dòng)力系統(tǒng)由電機(jī)和液壓系統(tǒng)構(gòu)成。電氣控制系統(tǒng)選用了以西門子S7-200PLC和工控機(jī)主控設(shè)備的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。彎管彎管機(jī)推進(jìn)速度測量〔旋轉(zhuǎn)編碼器〕嗎碼器〕加熱溫度測量〔紅外測溫儀〕中頻功率測量中頻功率和速度調(diào)節(jié)PLCS7-200采集數(shù)據(jù)記錄上位機(jī)工藝參數(shù)設(shè)定圖2.1電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.1.1彎管機(jī)控制系統(tǒng)組成采用西門子PLCS7-200作為主控制器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)速和調(diào)速控制。西門子S7-200系列PLC作為主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和信息處理。S7-200具有PID控制的功能，通過設(shè)置和調(diào)節(jié)PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)速度和溫度和功率平衡控制。采用旋轉(zhuǎn)編碼器，測量推進(jìn)距離和推進(jìn)速度，用紅外測溫儀測量中頻電源加熱鋼管的溫度，檢測中頻電源電壓、電流和功率，提高控制系統(tǒng)精度和整機(jī)自動(dòng)化水平。采用西門子公司的WINCC作為上位機(jī)組態(tài)軟件,完成上位機(jī)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱溫度和推進(jìn)速度的數(shù)據(jù)采集、顯示和存儲(chǔ)，建立信息數(shù)據(jù)庫并實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查詢和打印等功能。本次設(shè)計(jì)彎管機(jī)采用紅外測溫儀測量它的溫度，采用旋轉(zhuǎn)編碼器來控制它的速度，從而保持功率恒定，PLC系統(tǒng)中所用的斷路器、接觸器、熱繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕、指示燈等控制元件均應(yīng)選用可靠性高、電氣壽命長的IEC標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。彎管機(jī)、電機(jī)上的配線,采用包塑金屬軟管,并配有軟管接頭，打有管夾,可防止線纜拔脫和線纜的機(jī)械損傷。溫度傳感器選用電流輸出形式，溫度傳感器至控制臺(tái)數(shù)字面板表的信號(hào)傳輸采用屏蔽信號(hào)電纜，克服了信號(hào)傳輸過程中的衰減和干擾，保證面板表顯示數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。中頻加熱彎管機(jī)組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示?？刂葡到y(tǒng)選用西門子公司的模板式可編程控制器S7-200系列PLC控制，由一個(gè)PLC柜組成。PLC和操作臺(tái)控制柜之間使用PROFIBUS-DP方式通訊。使用觸摸屏進(jìn)行設(shè)備狀況監(jiān)視和模擬量標(biāo)定，進(jìn)行各打壓參數(shù)的設(shè)置。應(yīng)具有手動(dòng)設(shè)置予密封力的功能，滿足不同管徑對(duì)設(shè)備平衡的要求。圖2.2中頻加熱彎管機(jī)組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2彎管機(jī)的工作原理 中頻加熱液壓彎管機(jī)工作原理示意圖如圖2.3所示。中頻加熱液壓彎管機(jī)主要由:機(jī)械裝置、液壓系統(tǒng)、中頻加熱系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)組成。系統(tǒng)工作時(shí)中頻加熱系統(tǒng)通過感應(yīng)線圈給鋼管加熱到850°C到1100°C，推動(dòng)鋼管以10mm-60mm/min的速度緩慢速度推進(jìn)，旋轉(zhuǎn)搖臂是一個(gè)定軸隨動(dòng)機(jī)構(gòu)，從使關(guān)以R為半徑完成所需要的彎管，冷卻系統(tǒng)用于中頻加熱中頻電源、補(bǔ)償電容、感應(yīng)線圈及鋼管的冷卻。中頻加熱液壓彎管機(jī)組是由中頻加熱電源、液壓傳動(dòng)和電氣控制系統(tǒng)組成。機(jī)組工作原理:將需要彎曲的鋼管固定在前夾具上，利用中頻感應(yīng)加熱線圈加熱，使鋼管在一個(gè)狹窄的軸向范圍內(nèi)到達(dá)熱變形溫度，鋼管中頻在腰鼓輪夾持機(jī)構(gòu)的作用下限位。隨即對(duì)加熱變形后的彎管進(jìn)行噴淋冷卻，完成定型。特點(diǎn)：彎出的管具有形變小，壁厚差小，無應(yīng)力，彎曲半徑可調(diào)節(jié)。1、管坯2、導(dǎo)向輪3、中頻加熱4、夾頭5、搖臂6、進(jìn)給小車圖2.3中頻加熱液壓彎管機(jī)工作原理示意圖2.3彎管機(jī)的工藝流程 本課題的研究工作主要是根據(jù)彎管機(jī)的工藝流程對(duì)彎管機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和進(jìn)行硬件的設(shè)計(jì)，并到現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)試，完成理論與實(shí)踐的結(jié)合。中頻加熱感應(yīng)彎管機(jī)的工藝流程如圖2.4所示：圖2..4中頻加熱感應(yīng)彎管機(jī)的工藝流由于管材的材質(zhì)各異,管徑、壁厚、彎曲角度等差異較大,使得中頻電源加熱溫度和彎管推進(jìn)速度之間的關(guān)系都不一樣，并且各工藝參數(shù)的設(shè)定也比擬復(fù)雜,而參數(shù)設(shè)定的適宜與否會(huì)極大影響彎管的各種機(jī)械性能,所以要根據(jù)工況的不同進(jìn)行參數(shù)選擇,并由此控制彎管的質(zhì)量。其次在對(duì)彎管機(jī)的系統(tǒng)以及彎管工藝有一個(gè)很好的了解的根底上，根據(jù)實(shí)際情況，完成硬件設(shè)備的選型和電氣控制系統(tǒng)原理圖的設(shè)計(jì)。2.4中頻加熱彎管機(jī)的機(jī)械裝置 機(jī)械裝置主要有卡緊裝置、小車推進(jìn)裝置、導(dǎo)向輪裝置和搖臂回轉(zhuǎn)裝置等組成。鼓輪張開、托管輪抬起，上料，鼓輪夾緊、托管輪落下，后推板點(diǎn)動(dòng)快進(jìn)，感應(yīng)線圈調(diào)節(jié)到適合的位置，夾頭閉合，半徑微調(diào)節(jié)，其根本過程是:在將管道安裝好之后,利用中頻電源通過感應(yīng)圈對(duì)其待彎區(qū)域進(jìn)行加熱,當(dāng)加熱到一定溫度后,由小車將管道按照一定的速度向前推進(jìn),沿調(diào)整好的彎曲半徑進(jìn)行彎曲。2.5彎管機(jī)中頻加熱系統(tǒng)中頻感應(yīng)加熱彎管機(jī)是利用中頻加熱系統(tǒng)通過感應(yīng)線圈給鋼管加熱，中頻電源功率設(shè)計(jì)要求為500～1000KW/h，使中頻加熱感應(yīng)線圈溫度控制在850℃～1100℃。由于管材的材質(zhì)不同,管徑、壁厚、彎曲角度等差異較大,使得中頻電源加熱溫度和彎管推進(jìn)速度之間的關(guān)系都不一樣，并且各工藝參數(shù)的設(shè)定也比擬復(fù)雜,而參數(shù)設(shè)定的適宜與否會(huì)極大影響彎管的各種機(jī)械性能,所以要根據(jù)工況的不同進(jìn)行參數(shù)選擇,并由此控制彎管的質(zhì)量。彎管機(jī)系統(tǒng)工作時(shí),中頻加熱系統(tǒng)通過感應(yīng)線圈給鋼管加熱到850℃～1100℃之間,卡緊裝置在液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下使尾卡盤、導(dǎo)輥架和導(dǎo)向卡盤等夾緊管體,并在驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的強(qiáng)大推力下,推管油缸推動(dòng)鋼管以10mm～60mm/min的速度緩慢向前推進(jìn)。同時(shí)感應(yīng)圈以10mm～60mm/min的速度同向移動(dòng)。依據(jù)中央操作臺(tái)輸入的各種管材加熱溫度T，高溫狀態(tài)σS的參數(shù)，經(jīng)工藝提供的模型計(jì)算得出加熱溫度給定值，由計(jì)算機(jī)送入PLC，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)儀與測溫反應(yīng)信號(hào)〔加熱測溫點(diǎn)的最高值〕進(jìn)行比擬，輸出到中頻感應(yīng)加熱電源柜，來自動(dòng)控制加熱功率，上位機(jī)顯示中頻感應(yīng)加熱的加熱功率及加熱溫度。實(shí)現(xiàn)這一控制也可采用手動(dòng)給定方式，在中央操作臺(tái)將加熱功率給定選擇手動(dòng)位置，調(diào)節(jié)加熱功率給定電位器，手動(dòng)給定加熱功率信號(hào)至中頻電源柜，完成加熱功率的給定。感應(yīng)加熱位置的控制,加熱測溫點(diǎn)為內(nèi)外弧兩點(diǎn)。測溫信號(hào)進(jìn)入PLC與計(jì)算機(jī)設(shè)定內(nèi)外弧允許溫差進(jìn)行比擬，PLC控制步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)感應(yīng)圈軸向移動(dòng)，以此來控制內(nèi)外弧溫差不大于±10℃。感應(yīng)圈軸向移動(dòng)可以采用自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式。感應(yīng)圈三維移動(dòng)時(shí)均設(shè)有限位開關(guān)進(jìn)行保護(hù)。2.6中頻加熱彎管機(jī)的液壓系統(tǒng) 采用液壓為整個(gè)彎管機(jī)提供動(dòng)力，通過液壓泵輸出高壓油來滿足各個(gè)執(zhí)行元件的正常工作。在管子的加工過程中，有加緊裝置、轉(zhuǎn)模裝置、提升裝置及模子橫移裝置都是采用液壓來提供動(dòng)力的，因此液壓系統(tǒng)尤其重要。2.7彎管機(jī)的冷卻系統(tǒng)感應(yīng)加熱后噴淋冷卻手動(dòng)控制時(shí)，在中央操作臺(tái)上，調(diào)節(jié)噴淋給定電位器，手動(dòng)給定噴淋水量信號(hào)至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。完成噴淋水量的給定調(diào)節(jié)。感應(yīng)加熱噴淋冷卻后所測得的內(nèi)外弧兩點(diǎn)溫度與計(jì)算機(jī)設(shè)定的冷卻溫度送入PLC，通過PID調(diào)節(jié)儀調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開口度來調(diào)節(jié)噴淋水量的大小，從而調(diào)節(jié)最后的冷卻溫度，以此到達(dá)工藝要求。冷卻系統(tǒng)用于中頻加熱系統(tǒng)中頻電源、中頻變壓器、感應(yīng)線圈及鋼管的冷卻。當(dāng)旋轉(zhuǎn)搖臂到達(dá)設(shè)定彎曲角度時(shí),控制系統(tǒng)自動(dòng)停止彎管作業(yè)。適時(shí)的冷卻可使管坯下在彎曲的部位能夠受到冷卻介質(zhì)的作用而迅速冷卻，致管坯內(nèi)側(cè)褶皺還未形成便冷卻成形，這樣可有效地防止彎曲時(shí)管坯內(nèi)壁出現(xiàn)褶。冷卻系統(tǒng)主要分為兩種形式，一種是水冷卻系統(tǒng)，應(yīng)用于彎曲碳素鋼管、低合金鋼鋼管；另一種是空氣冷卻系統(tǒng)，應(yīng)用于彎曲不銹鋼鋼管。3彎管機(jī)電氣控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1電氣控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)彎管機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括電氣控制元件的選擇和硬件電路的設(shè)計(jì)，硬件電路設(shè)計(jì)和局部元器件選材詳見附錄1。3.1.1上位機(jī)工控機(jī)，工作站，觸摸屏作為上位機(jī)，采用西門子公司的WINCC作為上位機(jī)組態(tài)軟件,實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱溫度和推進(jìn)速度的數(shù)據(jù)采集、顯示和存儲(chǔ)，建立信息數(shù)據(jù)庫并實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查詢和打印等功能。可編程控制器PLC作為輸入信息檢測，信號(hào)處理和輸出控制單元。上位機(jī)與PLC聯(lián)機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集上傳，處理、顯示和保存加工過程信息入數(shù)據(jù)庫。上位機(jī)還可設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)和運(yùn)行速度設(shè)定。上位機(jī)主要功能：數(shù)據(jù)輸入及加工過程數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)下載和上傳；加工過程關(guān)鍵工藝數(shù)據(jù)顯示和記錄；系統(tǒng)壓力、位移和速度顯示。3.1.2下位機(jī)下位機(jī)由PLC擔(dān)任，它負(fù)責(zé)將現(xiàn)場傳感器檢測到的模擬信號(hào)傳送給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，同時(shí)它又把上位機(jī)的控制指令翻譯成執(zhí)行指令控制現(xiàn)場可執(zhí)行元件的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體自動(dòng)協(xié)調(diào)動(dòng)作，完成彎管的作業(yè)。工控機(jī)和PLC之間的通信是通過專用的PC/PPI電纜來實(shí)現(xiàn)的,PLC和觸摸屏之間的通訊是通過RS485/422專用電纜來實(shí)現(xiàn)的。PLC實(shí)質(zhì)上是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其根本硬件結(jié)構(gòu)與一般計(jì)算機(jī)幾乎一樣。由于它是對(duì)機(jī)械或設(shè)備或某個(gè)系統(tǒng)直接進(jìn)行控制的裝置，所以與一般計(jì)算機(jī)又有所不同，它使用適宜于控制的專門語言，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可與各種輸入/輸出設(shè)備直接連接，可在較惡劣的現(xiàn)場環(huán)境中工作。PLC主要由中央處理單元(CPU)、存儲(chǔ)器((ROM/RAM)、輸入/輸出單元(I/O)、電源以及外部設(shè)備(如編程器)等幾大局部組成。SIMATICS7-200系列PLC是模塊化設(shè)計(jì)的，使用的模塊有根本模塊、擴(kuò)展模塊兩類，結(jié)構(gòu)簡單、本錢低廉、功能強(qiáng)大。根本模塊有CPU221,CPU222,CPU224和CPU226，本系統(tǒng)選用CPU226，它主要具有以下特點(diǎn)：①具有一個(gè)RS485串行口，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(PPI)方式、自由方式(Freemode)等多種通訊協(xié)議，可以方便地實(shí)現(xiàn)同微機(jī)、其它PLC、以及打印機(jī)之類的外圍設(shè)備的通信。對(duì)該型號(hào)PLC的編程，也是通過同一個(gè)接口，使用一個(gè)RS485到RS232的轉(zhuǎn)換器，由微機(jī)來實(shí)現(xiàn)的；②使用超級(jí)電容保存數(shù)據(jù)，在斷電以后，可以繼續(xù)保存程序、數(shù)據(jù)以及維持時(shí)鐘準(zhǔn)確運(yùn)行達(dá)190小時(shí)以上；③具有較強(qiáng)的中斷能力，包括用于自由方式的發(fā)送、接收中斷，4個(gè)由輸入信號(hào)上升沿或下降沿觸發(fā)的輸入中斷，2個(gè)定時(shí)器中斷；④6個(gè)帶20kHz時(shí)鐘的高速計(jì)數(shù)器，6個(gè)30kHz時(shí)鐘頻率的單相計(jì)數(shù)器，4個(gè)20kHz時(shí)鐘頻率的兩相計(jì)數(shù)器。SIMATICS7-200系列PLC的擴(kuò)展模塊是通用的，用于擴(kuò)充根本模塊的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)目。擴(kuò)展模塊不僅適用于所有根本模塊的擴(kuò)充，而且擴(kuò)充操作十分方便，只需使用接口插銷，將擴(kuò)展模塊和根本模塊，或者和其它擴(kuò)展模塊連接起來，擴(kuò)充操作就完成了。如EM235型〔4路模擬量輸入/1路模擬量輸出〕模擬量擴(kuò)展模塊。EM223數(shù)字量輸入輸出模塊，16DI/16DO，繼電器輸出。3.1.3人機(jī)接口人機(jī)接口是指人與計(jì)算機(jī)之間建立聯(lián)系、交換信息，實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)目刂齐娐?。輸?輸出設(shè)備的接口，這些設(shè)備包括鍵盤、顯示器、打印機(jī)、鼠標(biāo)器和操作臺(tái)等。人機(jī)接口是計(jì)算機(jī)同人機(jī)交互通過電腦操作畫面完成參數(shù)傳遞和實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示以及數(shù)據(jù)報(bào)表的打印等操作。操作臺(tái)完成外圍輔助設(shè)備的動(dòng)作，包括鋼管推進(jìn)、溫度調(diào)節(jié)、速度控制等。在人機(jī)交互設(shè)備與人機(jī)接口之間的信息傳輸中,采用并行通信方式。它與人機(jī)交互設(shè)備一起完成兩個(gè)任務(wù)：(1)信息形式的轉(zhuǎn)換(2)信息傳輸?shù)目刂啤?.2PLC控制系統(tǒng)可編程控制器簡稱為PLC(ProgrammableLogicController),它是計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電器接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，具備邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能，并取代了繼電-接觸器控制。PLC以中央處理單元〔CPU〕為核心，在系統(tǒng)程序的管理下運(yùn)行。PLC與控制對(duì)象的接口由專門設(shè)計(jì)的I/O部件來完成，通常還需配以專用的供電電源及其他專用功能模塊。選用PLC控制，具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、靈活性強(qiáng)、編程簡單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。可編程邏輯控制器的出現(xiàn)徹底改變了工廠自動(dòng)控制的面貌，使傳統(tǒng)的繼電器接觸式控制方式受到了巨大的挑戰(zhàn)。PLC是一個(gè)數(shù)字式的電子裝置，它使用了可編程序的記憶體以存儲(chǔ)指令，用來執(zhí)行諸如邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和演算等功能，并通過數(shù)字或模擬的輸入和輸出，以控制各種機(jī)械或鞥產(chǎn)過程。3.2.1PLC控制原理可編程控制器是基于電子計(jì)算機(jī)的工業(yè)控制器，控制系統(tǒng)包含三個(gè)局部：輸入局部、邏輯電路局部、輸出局部?？删幊踢壿嬁刂破?Programmable

Logic

Controller簡稱PLC)是一種采用微機(jī)技術(shù)的通用控制器，專為工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。可編程邏輯控制器采用可編程存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字式或模擬式輸入輸出方式控制各種類型的機(jī)器或生產(chǎn)過程。隨著微電子技術(shù)的迅猛開展，可編程邏輯控制器也開始采用通用的微處理器，它的功能就不再局限于當(dāng)初的邏輯運(yùn)算，同樣也具備諸如算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)的輸入輸出、網(wǎng)絡(luò)通信等等功能。多年來，微機(jī)化的可編程控制器得到了驚人的開展，在概念、設(shè)計(jì)、性能價(jià)格比以及應(yīng)用等方面都有了新的突破，不僅控制功能增強(qiáng)，編程和故障檢測也更為靈活方便，而且遠(yuǎn)程I／O和通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理以及圖像顯示的開展，使可編程控制器向連續(xù)生產(chǎn)過程控制方向開展?？删幊炭刂破魈娲鷤鹘y(tǒng)的繼電器接觸控制方式，取得了相當(dāng)好的收效。 PLC的硬件結(jié)構(gòu) 從硬件結(jié)構(gòu)看PLC的主要組成：CPU、存儲(chǔ)器、輸入接口電路、輸出接口電路、鍵盤與顯示器、還可外接存儲(chǔ)器，如圖3.1所示。下面簡單介紹期望各局部作用?！?〕CPU運(yùn)算和控制中心起“心臟〞作用。當(dāng)從編程器輸入的程序存入到用戶程序存儲(chǔ)器中，然后CPU根據(jù)系統(tǒng)所賦予的功能〔系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器的解釋編譯程序〕，把用戶程序翻譯成PLC內(nèi)部所認(rèn)可的用戶編譯程序。組成：CPU由控制器、運(yùn)算器和存放器組成。這些電路集成在一個(gè)芯片上。CPU通過地址總線、數(shù)據(jù)總線與I/O接口電路相連接。

〔2〕存儲(chǔ)器

具有記憶功能的半導(dǎo)體電路。分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器用以存放系統(tǒng)程序，包括管理程序，監(jiān)控程序以及對(duì)用戶程序做編譯處理的解釋編譯程序。由只讀存儲(chǔ)器、ROM組成。廠家使用的，內(nèi)容不可更改，斷電不消失。

〔3〕輸入/輸出接口

①輸入接口：輸入接口電路工作過程：當(dāng)開關(guān)合上，二極管發(fā)光，然后三極管在光的照射下導(dǎo)通，向內(nèi)部電路輸入信號(hào)。當(dāng)開關(guān)斷開，二極管不發(fā)光，三極管不導(dǎo)通。向內(nèi)部電路輸入信號(hào)。也就是通過輸入接口電路把外部的開關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)化成PLC內(nèi)部所能接受的數(shù)字信號(hào)。

②輸出接口：PLC的繼電器輸出接口電路。工作過程：當(dāng)內(nèi)部電路輸出數(shù)字信號(hào)1，有電流流過，繼電器線圈有電流，然后常開觸點(diǎn)閉合，提供負(fù)載導(dǎo)通的電流和電壓。當(dāng)內(nèi)部電路輸出數(shù)字信號(hào)0，那么沒有電流流過，繼電器線圈沒有電流，然后常開觸點(diǎn)斷開，斷開負(fù)載的電流或電壓。也就是通過輸出接口電路把內(nèi)部的數(shù)字電路化成一種信號(hào)使負(fù)載動(dòng)作或不動(dòng)作。

三種類型：a繼電器輸出：有觸點(diǎn)、壽命短、頻率低、交直流負(fù)載；b晶體管輸出：無觸點(diǎn)、壽命長、直流負(fù)載；c晶閘管輸出：無觸點(diǎn)、壽命長、交流負(fù)載。在本次設(shè)計(jì)中PLC采用繼電器輸出。

〔4〕編程器

編程器分為兩種，一種是手持編程器，方便。我們實(shí)驗(yàn)室使用的就是手持編程器。二種是通過PLC的RS232口。與計(jì)算機(jī)相連。然后敲擊鍵盤。通過NSTP-GR軟件〔或WINDOWS下軟件〕向PLC內(nèi)部輸入程序。電源電源中央處理器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器外部設(shè)備接口編程器其他輸入接口輸出接口圖3.1PLC的根本結(jié)構(gòu)3.2.3PLC的選擇依據(jù) PLC控制系統(tǒng)工作電路可分為3局部，輸入局部、內(nèi)部控制電路和輸出局部。輸入局部就是采集輸入信號(hào)，輸出局部就是系統(tǒng)的執(zhí)行部件這兩局部與繼電器控制電路相同。內(nèi)部控制電路是通過編程方法實(shí)現(xiàn)的控制邏輯，用軟件編程代替繼電器電路的功能。輸入局部由外部輸入電路、PLC輸入接線端子和輸入繼電器組成。外部輸入信號(hào)經(jīng)PLC輸入接線端子去驅(qū)動(dòng)輸入繼電器的線圈。每個(gè)輸入端子與其相同編號(hào)的輸入繼電器有著惟一確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)外部的輸入元件處于接通狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入繼電器線圈得電。

控制電路隔離的輸出繼電器的外部動(dòng)合觸點(diǎn)、輸出接線端子和外部驅(qū)功電路組成，用來驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載電路的電源必須由外部電源提供，電源種類及規(guī)格可根據(jù)負(fù)載要求去配備，只要在PLC允許的電壓范圍內(nèi)工作即可。

(1)機(jī)型的選擇①結(jié)構(gòu)合理:對(duì)于工藝過程比擬固定,環(huán)境條件較好的場合,選用整體式結(jié)構(gòu)PLC,其他情況那么選用模塊結(jié)構(gòu)PLC。②功能相當(dāng):對(duì)于開關(guān)量控制的工程工程,對(duì)其控制速度無須考慮,低檔機(jī)就能滿足要求;對(duì)于以開關(guān)量控制為主,帶少量模擬量控制的工程工程,可選用帶A/D轉(zhuǎn)換、加減運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送功能的低檔機(jī);對(duì)于控制較復(fù)雜,控制功能要求更高的工程工程,如要求PID運(yùn)算、通信聯(lián)網(wǎng)等,可選用中檔或高檔機(jī)。③機(jī)型應(yīng)統(tǒng)一:因?yàn)橥粰C(jī)型的PLC,其模塊可互為備用,便于備品備件的采購和管理,其功能及編程方法統(tǒng)一,有利于技術(shù)力量的培訓(xùn)及功能的開發(fā);其外部設(shè)備通用,資源可共享,配以上位計(jì)算機(jī)后,可把控制各獨(dú)立系統(tǒng)的多臺(tái)PLC聯(lián)成一個(gè)多級(jí)分布式控制系統(tǒng),相互通信,集中管理。④編程方式:PLC的編程分為離線編程和在線編程兩種。中小型PLC采用離線編程,適用于產(chǎn)品定型的設(shè)備和工藝不常變動(dòng)的設(shè)備。

(2)輸入/輸出的選擇選好機(jī)型后,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定輸入/輸出的點(diǎn)數(shù)及形式。①確定I/O點(diǎn)數(shù):應(yīng)考慮未來擴(kuò)充和備用的需要,留10%～20%的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)作備用。②模擬輸入/輸出接口:它是用來感知傳感器產(chǎn)生的信號(hào)的。這些接口測量流量,溫度和壓力的數(shù)量值,并用于控制電壓或電流輸出設(shè)備。典型接口量程為-10～+10V,0～+10V,4～20mA或10～50mA。

(3)電源的選擇PLC供電電源一般為AC85～240V(也有DC24V),適應(yīng)電源范圍較寬,但為了抗干擾,應(yīng)加裝電源凈化元件,例如電源濾波器、1:

1隔離變壓器等。

綜上所示，PLC應(yīng)選擇S7-200系列，S7-200是整體結(jié)構(gòu)的、就有很高的性能/價(jià)格比的小型可編程控制器，根據(jù)控制規(guī)模的大小〔即輸入/輸出點(diǎn)數(shù)的多少〕，可以選擇相應(yīng)的CPU。3.2.4可編程控制器S7-200介紹 S7-200系列小型PLC可以應(yīng)用于各種自動(dòng)化系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊，低本錢以及功能強(qiáng)大的指令集，使得S7-200控制器是各種小型控制任務(wù)理想的解決方案。多種多樣的CPU尺寸及電壓范圍以及基于windows的編程工具，更加靈活、方便的解決自動(dòng)化任務(wù)，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。一臺(tái)S7-200PLC包括一個(gè)單獨(dú)的S7-200CPU，或者帶有各種各樣的可選擴(kuò)展模塊。S7-200CPU模塊包括一個(gè)中央處理單元〔CPU〕、電源及數(shù)字量I/O點(diǎn)。3.2.5S7-200的CPU選擇

本控制系統(tǒng)要求的CPU為24輸入/16輸出共44個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)。26K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出。2個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。通過PLC選擇要求以及控制系統(tǒng)的需要，可知此控制系統(tǒng)應(yīng)選擇CPU226型。CPU226為24V直流電源，24V直流輸入，24V直流輸出，100～230V交流電源，24V直流輸入，繼電器輸出。根據(jù)西門子S7-200系列可編程序控制器產(chǎn)品目錄及系統(tǒng)手冊(cè)，在本控制系統(tǒng)中PLC的CPU類型選用CPU226

AC/DC/繼電器〔交流電源，直流輸入，繼電器型輸出〕。該CPU本機(jī)具有24個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)，16個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，6個(gè)高速計(jì)數(shù)器，兩個(gè)定時(shí)中斷和4個(gè)外部中斷，程序存儲(chǔ)容量4K字，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量2K字，可擴(kuò)展7個(gè)I/O模塊，最大數(shù)字量I/O映像為256點(diǎn)，最大模擬量I/O映像為32點(diǎn)輸入和32點(diǎn)輸出，具有256個(gè)定時(shí)器和256個(gè)計(jì)數(shù)器，兩個(gè)RS485通訊端口，布爾指令執(zhí)行速度為0.37μs。數(shù)字量擴(kuò)展模塊選用一塊EM223

24V

DC

8輸入/8繼電器輸出和一塊EM223

24V

DC

16輸入/16繼電器輸出，這兩種模塊都為24V直流輸入繼電器輸出型，除I/O端口數(shù)量有區(qū)別外其他電特性均相同。CPU的具體性能特征如表3.2所示。

(1)(2)(3)圖3.2

CPU226性能特征表3.2.6數(shù)字量模塊的選擇 為了更好的滿足應(yīng)用要求，S7-200系列提供了多種類型的擴(kuò)展模塊?？梢岳脭U(kuò)展模塊完善CPU的功能。表3.1列出了現(xiàn)有的擴(kuò)展模塊：擴(kuò)展模塊型號(hào)數(shù)字量模塊輸入輸出混合8*DC輸入8*AC輸入8*DC輸出8*AC輸出8*繼電器輸出4*DC輸入/4*DC輸出8*DC輸入/8*DC輸出16*DC輸入/16*繼電器輸出模擬量模塊輸入輸出混合4輸入4熱電偶輸入2熱電阻輸入2輸出4輸入/1輸出智能模塊定位模塊Modem模塊PROFIBUS_DP模塊其他模塊ASI表3.1s7-200的擴(kuò)展模塊數(shù)字量輸入接口電路的作用是把現(xiàn)場的數(shù)字(開關(guān))量信號(hào)變成可編程控制器內(nèi)部處理的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。數(shù)字(開關(guān))量輸入接口按可接納的外部信號(hào)電源的類型不同,分為直流輸入接口單元和交流輸入接口單元。數(shù)字量(開關(guān))輸入接口單元中都有濾波電路及耦合隔離電路。濾波電路有抗干擾的作用,耦合電路有抗干擾及產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的作用。根據(jù)系統(tǒng)控制的要求，應(yīng)選擇EM223-16作為該系統(tǒng)的數(shù)字模塊的擴(kuò)展，現(xiàn)將EM22324VDC16輸入/16繼電器輸出技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下列圖3.3所示，以及EM22324VDC16輸入/16繼電器輸出連接器端子圖如下列圖3.4所示:圖3.3EM223數(shù)字混合模塊〔24VDC16輸入/16繼電器輸出〕技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)圖3.4EM22324VDC8輸入8繼電器輸出端子圖數(shù)字量輸出接口的作用是把可編程內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的數(shù)字量信號(hào)。3.2.7模擬量模塊的選擇模擬量單元是PLC特種功能單元中最常見的品種，S7-200PLC具有EM231、EM232、EM235三種規(guī)格的模擬量輸入輸出模塊，其中EM231為4模擬量輸入模塊，EM232為2模擬量輸出模塊，根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，此系統(tǒng)選用的模擬模塊EM231、EM232,其中EM231有四個(gè)輸入點(diǎn)，無輸出點(diǎn)；EM232無輸入點(diǎn)，有兩個(gè)輸出點(diǎn)。EM231和EM232擴(kuò)展模塊的連接器的端子標(biāo)識(shí)如圖3.5所示。圖3.5用于EM231和EM232擴(kuò)展模塊的連接器的端子標(biāo)識(shí)模擬量輸入模塊的用途是將外來模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量供主機(jī)使用。為了能夠適用于各種規(guī)格的輸入量，一般將模塊設(shè)計(jì)成可編程的，而轉(zhuǎn)換生成的數(shù)字量一般具有固定的長度和格式。模擬量輸出模塊那么希望將一定范圍的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流量或標(biāo)準(zhǔn)電壓量，以方便與其他控制設(shè)備接口。

3.3編碼器 根據(jù)需要選用增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器，測量推進(jìn)距離和推進(jìn)速度，旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測量轉(zhuǎn)速并配合PWM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)速的裝置。光電式旋轉(zhuǎn)編碼器通過光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等機(jī)械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出〔REP〕。根據(jù)性能參數(shù)選用瑞嘉德生產(chǎn)的增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器S3806編碼器，輸出兩組相位差90度的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。具體性能參數(shù)見表3.2。旋轉(zhuǎn)編碼器是集光機(jī)電技術(shù)于一體的速度位移傳感器。當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器軸帶動(dòng)光柵盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，經(jīng)發(fā)光元件發(fā)出的光被光柵盤狹縫切割成斷續(xù)光線，并被接收元件接收產(chǎn)生初始信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)后繼電路處理后，輸出脈沖或代碼信號(hào)。其特點(diǎn)是體積小，重量輕，品種多，功能全，頻響高，分辨能力高，力矩小，耗能低，性能穩(wěn)定，可靠使用壽命長等特點(diǎn)。工作原理：由一個(gè)中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號(hào)組合成A、B、C、D,每個(gè)正弦波相差90度相位差〔相對(duì)于一個(gè)周波為360度〕，將C、D信號(hào)反向，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào)；另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。由于A、B兩相相差90度，可通過比擬A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。表3.2瑞嘉德增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器S3806性能參數(shù)3.4紅外測溫儀 測溫儀是溫度計(jì)的一種，用紅外線傳輸數(shù)字的原理來感應(yīng)物體外表溫度，操作比擬方便，特別是高溫物體的測量。應(yīng)用廣泛，如鋼鑄造、爐溫、機(jī)器零件、玻璃及室溫、體溫等各種物體外表溫度的測量。目前用得比擬多的是紅外測溫儀。紅外測溫儀器主要有3種類型：紅外熱像儀、紅外熱電視、紅外測溫儀〔點(diǎn)溫儀〕。紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等局部組成。光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過放大器和信號(hào)處理電路，并按照儀器內(nèi)療的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值。在此，選用金仕特JST-1200在線式紅外測溫儀，具體參數(shù)如表3.2所示。測溫范圍為0~1200度，固定式紅外線測溫傳感器。特點(diǎn)：變送輸出信號(hào)：4-20mA電流或0~5V電壓〔可選〕；溫度范圍：-20~200℃，0~300℃，0~500℃，0~800℃，0~1000℃，0~1200℃；測溫精度：±1%或±2℃；光學(xué)分辨率15:1or30:1；響應(yīng)時(shí)間300ms；通過測量物體所輻射的紅外能量來進(jìn)行溫度測量；測試靈敏，抗干擾強(qiáng)穩(wěn)定性高；采用不銹鋼外殼，鞏固耐用。應(yīng)用于冶金、石化系統(tǒng)、各種窯爐、加熱爐、鐵路、煙草、食品加工及包裝機(jī)械的溫度監(jiān)測等。表3.2金仕特JST-1200在線式紅外測溫儀性能參數(shù)中頻彎管工藝是一種加熱,推彎,冷卻連續(xù)進(jìn)行的工藝方法。位于加熱區(qū)的管道處于運(yùn)行之中,加熱區(qū)被感應(yīng)圈和冷卻劑包圍,使其局限在一狹小空間內(nèi)。當(dāng)采用水冷卻時(shí)噴在高溫管道外表的冷卻水生成大量水蒸汽,使加熱區(qū)的環(huán)境十分惡劣。因此這種工藝方法不適于使用可直接測量管壁溫度的接觸式測溫方法,只有非接觸的測溫方法才適用于中頻彎管工藝。所以，用熱電偶測溫是行不通的。但在采用非接觸測溫的方法時(shí),由于可觀測到的加熱區(qū)過窄以及灰塵和大量水蒸汽的存在給測溫造成很多困難。為實(shí)現(xiàn)加熱區(qū)溫度的準(zhǔn)確測量,我們采用了紅外測溫儀，該測溫儀實(shí)現(xiàn)高精度、高重復(fù)性、快速響應(yīng)、非接觸式測量和高性能價(jià)格比的新型光纖傳感器類測溫系統(tǒng)。加熱測溫點(diǎn)為內(nèi)外弧兩點(diǎn)。測溫信號(hào)進(jìn)入PLC與計(jì)算機(jī)設(shè)定內(nèi)外弧允許溫差進(jìn)行比擬，PLC控制步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)感應(yīng)圈軸向移動(dòng)，以此來控制內(nèi)外弧溫差不大于±10℃。感應(yīng)圈軸向移動(dòng)可以采用自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式。感應(yīng)圈三維移動(dòng)時(shí)均設(shè)有限位開關(guān)進(jìn)行保護(hù)。此外,為了更好地抑制干擾,采用了遞推平均濾波的方法。把連續(xù)取得的N個(gè)采樣溫度值排成一個(gè)隊(duì)列,每次采到一個(gè)新數(shù)據(jù)即放入隊(duì)尾,并擠出隊(duì)首原來的一個(gè)數(shù)據(jù)(先進(jìn)先出原那么)。每次取隊(duì)列中N個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值,就可獲得一個(gè)平滑度高的測量溫度。3.5變頻器變頻器〔Variable-frequencyDrive，VFD〕是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流〔交流變直流〕、濾波、逆變〔直流變交流〕、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而到達(dá)節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等等。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)采用臺(tái)達(dá)電子的VFD110B43A和VFD015M43B兩種型號(hào)的變頻器。臺(tái)達(dá)VFD變頻器目前已在工業(yè)自動(dòng)化市場建立廣泛的品牌知名度。各系列產(chǎn)品針對(duì)力矩、損耗、過載、超速運(yùn)轉(zhuǎn)等不同操作需求而設(shè)計(jì)，并依據(jù)不同的產(chǎn)業(yè)機(jī)械屬性作調(diào)整；可提供客戶最多元化的選擇，并廣泛應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域。具有高功率體積比、品質(zhì)卓越、能針對(duì)不同行業(yè)開發(fā)專用產(chǎn)品的特點(diǎn)。VFD110B43A是臺(tái)達(dá)新一代高功能無感測向量控制型變頻器，具有功能齊全、調(diào)速精度高、穩(wěn)定性好及可應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。內(nèi)置PID功能及PIDdisable功能，具有自動(dòng)偵測功能，飛速啟動(dòng)，速度追蹤功能，節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)，用來控制風(fēng)機(jī)或泵，工作時(shí)，額定電壓是380V，功率為11KW；具體參數(shù)如表3.3所示。VFD015M43B是一款高功能低噪音迷你型變頻器，具有體積小、低速力矩大、性能改善、使用方便等特點(diǎn)，工作時(shí)，額定電壓是380V，功率為1.5KW。表3.3VFD110B43A技術(shù)指標(biāo)變頻器的設(shè)定參數(shù)多，每個(gè)參數(shù)均有一定的選擇范圍，使用中常常遇到因個(gè)別參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，導(dǎo)致變頻器不能正常工作的現(xiàn)象?？刂品绞剑杭此俣瓤刂?、轉(zhuǎn)距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根據(jù)控制精度，需要進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)辨識(shí)。最低運(yùn)行頻率：即電機(jī)運(yùn)行的最小轉(zhuǎn)速，電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，其散熱性能很差，電機(jī)長時(shí)間運(yùn)行在低轉(zhuǎn)速下，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)燒毀。而且低速時(shí)，其電纜中的電流也會(huì)增大，也會(huì)導(dǎo)致電纜發(fā)熱。最高運(yùn)行頻率：一般的變頻器最大頻率到60Hz，有的甚至到400Hz，高頻率將使電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，這對(duì)普通電機(jī)來說，其軸承不能長時(shí)間的超額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，電機(jī)的轉(zhuǎn)子是否能承受這樣的離心力。載波頻率：載波頻率設(shè)置的越高其高次諧波分量越大，這和電纜的長度，電機(jī)發(fā)熱，電纜發(fā)熱變頻器發(fā)熱等因素是密切相關(guān)的。電機(jī)參數(shù)：變頻器在參數(shù)中設(shè)定電機(jī)的功率、電流、電壓、轉(zhuǎn)速、最大頻率，這些參數(shù)可以從電機(jī)銘牌中直接得到。跳頻：在某個(gè)頻率點(diǎn)上，有可能會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，特別在整個(gè)裝置比擬高時(shí)；在控制壓縮機(jī)時(shí)，要防止壓縮機(jī)的喘振點(diǎn)。3.6變換器變換器，是將信源發(fā)出的信息按一定的目的進(jìn)行變換。按變換方式可以分為三種：〔1〕直接變換法：直接變換法是通過對(duì)輸入電壓的連續(xù)斬波來合成“輸出電壓〞的，它可以分為坐標(biāo)變換法、諧波注入法、等效電導(dǎo)法及標(biāo)量法，所有這些方法雖各有一定的優(yōu)越性，但也存在一定的問題，限制了它們的應(yīng)用范圍。如標(biāo)量法的輸入相電流波形較好，但輸出諧波較大。(2)電流跟蹤法:這種方法將三相輸出電流信號(hào)與實(shí)測的輸出電流信號(hào)相比擬，根據(jù)比擬結(jié)果和當(dāng)前的開關(guān)電源狀態(tài)決定開關(guān)動(dòng)作，它具有容易理解、實(shí)現(xiàn)簡單、響應(yīng)快、魯棒性好等特點(diǎn)，但也有滯環(huán)電流共有的缺點(diǎn)：開關(guān)頻率不夠穩(wěn)定、諧波隨機(jī)分布，且輸入電流波形不夠理想、存在較大的諧波等。(3)間接變換法:空間矢量調(diào)制技術(shù)，又稱為間接變換法、交—直—交等效變換法，是基于空間矢量變換的一種方法，它將交—交變換虛擬為交直和直交變換，這樣便可采用流行的高頻整流和高頻PWM波形合成技術(shù)，變換器的性能可以得到較大的改善。當(dāng)然具體實(shí)現(xiàn)時(shí)是將整流和逆變一步完成的，低次諧波得到了較好的抑制，但控制方案較為復(fù)雜，缺少有效的動(dòng)態(tài)理論分析支持。它是在矩陣式變換器中研究較多也是較為成熟的一種控制策略，比擬有開展前途。這種調(diào)制策略既能控制輸出波形，又能控制輸入電流波形，可改變輸入功率因數(shù)，是最具有前途的一種調(diào)制策略。電流變換器是一種鐵心閉合無氣隙的變壓器。優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)鐵心不飽和時(shí)，二次電流波形與一次側(cè)相同。缺點(diǎn)是在電流非周期分量作用下容易飽和，線性度差。微機(jī)保護(hù)中一般采用電流變換器。在微機(jī)保護(hù)裝置對(duì)輸入電流的電壓形成回路中要用到此設(shè)備。電流變換器的用途:通過阻抗將電流變換為線性直流電壓信號(hào)，供測量電路使用。3.7其它 交流接觸器、電氣開關(guān)、繼電器等元件采用施耐德的電氣元件。還有一局部元件的選型見附錄1。3.8電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在中頻加熱控制系統(tǒng)中，CPU將給定的控制量通過模擬量模塊，輸出到電壓變換器，電壓變換器將給定值輸入到中頻控制板上，中頻控制板根據(jù)給定電壓，進(jìn)行工作。紅外測溫儀，電壓變換器、電流變換器和旋轉(zhuǎn)編碼器將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，通過模擬量模塊傳送給CPU的高速計(jì)數(shù)器與給定量進(jìn)行比擬，從而到達(dá)PLC對(duì)溫度和速度的閉環(huán)控制。硬件結(jié)構(gòu)如圖3.6所示。圖3.6彎管機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖硬件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，電氣控制元件的選擇。電氣原理包括控制電路和主電路，控制電路包括PLC的I/O外圍接線，自動(dòng)控制、手動(dòng)控制等電路。彎管機(jī)信息點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)如表3.3所示。電氣元器件選擇：是控制要求所需的按鈕、開關(guān)、傳感器、保護(hù)電器、接觸器、指示燈和電磁閥等。手動(dòng)運(yùn)行：(1)先按啟停按鈕，油泵運(yùn)行。

(2)夾具夾緊松開是通過“夾具夾緊、松開〞選擇開關(guān)操作，當(dāng)打到“夾緊〞時(shí)，夾具夾緊；當(dāng)打到“松開〞時(shí)，夾具松開；當(dāng)打到中間時(shí)，夾具停止動(dòng)作。

(3)彎管前進(jìn)后退是通過“彎管前進(jìn)、后退〞選擇開關(guān)操作，當(dāng)打到“前進(jìn)〞時(shí)，彎管前進(jìn)；當(dāng)打到“后退〞時(shí)，彎管后退；當(dāng)打到中間時(shí)，彎管停止動(dòng)作。

自動(dòng)操作

(1)設(shè)定的是彎道所需的角度限位開關(guān)后面寫入數(shù)值。

(2)按下油泵的啟停按鈕，油泵運(yùn)行。

(3)將“手動(dòng)/

自動(dòng)〞選擇開關(guān)打到自動(dòng)位置。按下啟動(dòng)按鈕，就會(huì)自動(dòng)完成“夾具夾緊〞→“彎管前進(jìn)〞→“夾具松開〞→“彎管后退〞→“停止〞，完成一個(gè)循環(huán)。再按下啟動(dòng)按鈕，就開始進(jìn)入下一循環(huán)，如此循環(huán)工作。

表3.3彎管機(jī)信息點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)序號(hào)功能描述輸入/輸出地址分配備注1旋轉(zhuǎn)編碼器1A相輸入I0.02旋轉(zhuǎn)編碼器1B相輸出I0.13旋轉(zhuǎn)編碼器2A相輸入I0.64旋轉(zhuǎn)編碼器2B相輸出I0.751號(hào)柱塞泵啟停輸入/輸出I0.2Q0.062號(hào)柱塞泵啟停輸入/輸出I0.3Q0.17齒輪泵啟停輸入/輸出I0.4Q0.28氣泵啟停輸入/輸出I0.5Q0.39風(fēng)扇啟停輸入/輸出I1.0Q0.410感應(yīng)線圈水泵啟停輸入/輸出I1.1Q0.511中頻電源水泵啟停輸入/輸出I1.2Q0.612感應(yīng)線圈前后移動(dòng)電機(jī)啟停輸入/輸出I1.3Q0.713感應(yīng)線圈上下移動(dòng)電機(jī)啟停輸入/輸出I1.4Q1.014快進(jìn)輸入/輸出I1.5Q1.115快退輸入/輸出I1.6Q1.216慢退輸入/輸出I1.7Q1.317慢退輸入/輸出I2.0Q1.418變頻器1啟停輸入/輸出I2.1Q1.5191號(hào)抱管輪夾緊輸入/輸出I2.2Q1.6201號(hào)抱管輪松開輸入/輸出I2.3Q1.7212號(hào)抱管輪松開輸入/輸出I2.4Q2.0222號(hào)抱管輪松開輸入/輸出I2.5Q2.123旋臂半徑調(diào)節(jié)增大輸入/輸出I2.6Q2.224旋臂半徑調(diào)節(jié)減小輸入/輸出I2.7Q2.325旋臂移動(dòng)進(jìn)輸入/輸出I3.0Q2.426旋臂移動(dòng)退輸入/輸出I3.1Q2.527旋臂夾頭緊輸入/輸出I3.2Q2.628旋臂夾頭松輸入/輸出I3.3Q2.729旋臂夾頭銷子插入輸入/輸出I3.4Q3.030旋臂夾頭銷子拔出輸入/輸出I3.5Q3.131拖輪上升輸入/輸出I3.6Q3.232拖輪下降輸入/輸出I3.7Q3.3332號(hào)變頻器正轉(zhuǎn)輸入/輸出I4.6Q3.6342號(hào)變頻器反轉(zhuǎn)輸入/輸出I4.7Q3.735閥1啟停輸出Q3.436閥2啟停輸出Q3.53.8.1上位機(jī)和下位機(jī)的通訊 上位機(jī)和下位機(jī)的通訊圖如圖3.7所示?？删幊炭刂破鬟x用西門子S7-200系列，將溫度，速度等輸入信號(hào)接入，工控機(jī)與西門子S7-200通訊，記錄現(xiàn)場狀態(tài)和設(shè)置各種參數(shù)，可顯示彎管推進(jìn)速度和溫度、工作狀態(tài)、動(dòng)作曲線等。圖3.7上位機(jī)和下位機(jī)的通訊圖3.8.2電機(jī)的起停控制線路 此控制系統(tǒng)采用了聯(lián)鎖控制裝置，18.5KW的齒輪泵和18KW的感應(yīng)線圈水泵的電機(jī)加熱繼電器保護(hù)，進(jìn)入PLC控制，因?yàn)榫艂€(gè)電機(jī)都在22KW以下，所以電機(jī)采用直接啟動(dòng)。本次設(shè)計(jì)泵起?？刂朴玫?個(gè)電機(jī)提供動(dòng)力，通過1號(hào)柱塞泵〔11KW的電動(dòng)機(jī)〕、2號(hào)柱塞泵〔11KW〕和齒輪泵(18.5KW)控制鋼管的推進(jìn)，2號(hào)柱塞泵為常開柱塞泵，用于提供兩個(gè)抱管輪的加緊和松開和懸臂半徑調(diào)節(jié)所需要的動(dòng)力；齒輪泵的設(shè)計(jì)是為了彎管之前小車的快進(jìn)和快退，提高鋼管的推進(jìn)速度；1號(hào)柱塞泵的設(shè)計(jì)，是彎管時(shí)鋼管慢進(jìn)和慢退提供動(dòng)力。加熱裝置使用中頻電源加熱線圈提供。感應(yīng)線圈的位置調(diào)整通過感應(yīng)線圈前后調(diào)整電機(jī)和感應(yīng)線圈上下位置調(diào)整電機(jī)完成，使用風(fēng)扇、氣泵、感應(yīng)線圈水泵和中頻電源水泵到達(dá)降溫效果。除此之外還設(shè)計(jì)了運(yùn)行所需交流電源和直流電源。如圖3.8〔1〕所示，1號(hào)柱塞泵使用11KW的電機(jī)，通過調(diào)節(jié)變頻器VFD110B43A〔11KW、380V〕給定電壓調(diào)節(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)速度繼而改變液壓壓力，改變鋼管的推進(jìn)速度，使用QF1作為斷路器〔空開〕，要使1號(hào)柱塞泵運(yùn)行，依次關(guān)閉QF1、SA1、KA14，通過CPU226A輸出使KA1吸合，KA1接通，KM1吸合，KM1閉合，HL1燈亮，要調(diào)節(jié)彎管工作速度，可通過調(diào)節(jié)1號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過關(guān)閉SA14，CPU226B使KA14吸合，從而關(guān)閉KA14，調(diào)節(jié)電位器來從而調(diào)節(jié)電機(jī)電壓的給定，改變電機(jī)速度，繼而改變液壓壓力來實(shí)現(xiàn)，通常運(yùn)行前設(shè)置好速度，勻速工作。同樣通過CPU226B實(shí)現(xiàn)2號(hào)柱塞泵、齒輪泵、氣泵、線圈前后調(diào)整電機(jī)、風(fēng)扇、感應(yīng)線圈上下位置調(diào)整電機(jī)、感應(yīng)線圈水泵、中頻電源水泵的運(yùn)行和停止，如圖3.8〔2〕所示。用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器分別實(shí)現(xiàn)推管位移檢測和感應(yīng)線圈位移檢測。〔1〕〔2〕圖3.8電機(jī)的起?？刂凭€路3.8.3CPU輸入輸出電氣控制 旋轉(zhuǎn)編碼器是用來設(shè)置彎管機(jī)推管位移檢測和線圈位移檢測，SA1用來控制1號(hào)柱塞泵電機(jī)啟動(dòng)、停止；SA2用來控制2號(hào)柱塞泵電機(jī)啟動(dòng)、停止；SA3用來控制齒輪泵電機(jī)啟動(dòng)、停止；SA4用來控制氣泵電機(jī)啟動(dòng)、停止；SA5用來控制風(fēng)扇啟動(dòng)、停止；SA6用來控制感應(yīng)線圈水泵電機(jī)啟動(dòng)、停止；SA7用來控制中頻電源水泵電機(jī)啟動(dòng)、停止；SA8用來控制感應(yīng)線圈前后移動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)、停止；SA9用來控制感應(yīng)線圈上下移動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)、停止。如圖3.9所示：圖3.9CPU226A輸入輸出電氣控制SA10和SA11控制推管油缸在工件加料時(shí)的快進(jìn)和快退；SA12和SA13控制彎管時(shí)的慢進(jìn)和慢退；SA14控制變頻器一的運(yùn)行進(jìn)而控制1號(hào)柱塞泵的速度；SA15控制1號(hào)抱管輪的夾緊和松開；SA16控制2號(hào)抱管輪的加緊和松開；SA17用來實(shí)現(xiàn)懸臂半徑的增大或減小的調(diào)節(jié)。通過這些行程開關(guān)的控制，從而使彎管機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行工作。如圖3.10所示：圖3.10CPU226A輸入輸出電氣控制3.8.4EM223輸入輸出控制線路 此系統(tǒng)用來調(diào)節(jié)旋臂移動(dòng)的前進(jìn)和后退、旋臂夾頭松開或加緊、旋臂夾頭銷子的拔出或插入，還有拖輪的上升或下降。通過SA24和SA25控制變頻器2到達(dá)調(diào)節(jié)線圈前后調(diào)整電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。此系統(tǒng)中中間繼電器作用是用來傳遞信號(hào)或同時(shí)控制多個(gè)電路，也可直接用它來控制小容量電動(dòng)機(jī)或其他電氣執(zhí)行元件，它的結(jié)構(gòu)和交流接觸器根本相同，只是電磁系統(tǒng)小些，觸點(diǎn)多些。繼電器的工作原理是當(dāng)某一輸入量(如電壓、電流、溫度、速度、壓力等)到達(dá)預(yù)定數(shù)值時(shí)，使它動(dòng)作，以改變控制電路的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)既定的控制或保護(hù)的目的。在此過程中，繼電器主要起了傳遞信號(hào)的作用。在輸出控制信號(hào)時(shí)，用繼電器做“功率放大〞。如圖3.11所示：〔1〕〔2〕圖3.11EM223輸入輸出電氣圖3.8.5EM231和EM232的電氣控制如圖3.12所示，EM231采集現(xiàn)場通過兩個(gè)紅外測溫儀傳來的內(nèi)外弧兩點(diǎn)的溫度，以及電流變換器和電壓變換器所傳來的中頻電源的電流和電壓，調(diào)節(jié)電壓、溫度，從而使功率恒定，保持鋼管以10-60mm/min的速度向前推進(jìn)。電流變換器BHQ1，輸入是來自測得的中頻電源的0-200A交流電流，經(jīng)過電流變換器輸出4-20mA的直流電流，輸入至EM231。輸入0-600V的電壓，經(jīng)過分壓電阻將分得AC100V電壓經(jīng)過電容濾波，輸入到電壓變換器BHQ2，變換為DC4-20mA電流信號(hào)輸入至EM231。由計(jì)算機(jī)送入PLC，PID調(diào)節(jié)儀與測溫反應(yīng)信號(hào)〔加熱測溫點(diǎn)的最高值〕進(jìn)行比擬，輸出到中頻感應(yīng)加熱電源柜，來自動(dòng)控制加熱功率，上位機(jī)顯示中頻感應(yīng)加熱的加熱功率及加熱溫度。EM231的輸入方框圖如圖3.13所示。實(shí)現(xiàn)這一控制也可采用手動(dòng)給定方式，在中央操作臺(tái)將加熱功率給定選擇手動(dòng)位置，調(diào)節(jié)加熱功率給定電位器，手動(dòng)給定加熱功率信號(hào)至中頻電源柜，完成加熱功率的給定。圖3.12EM231的電氣控制圖EM231的輸入方框圖如圖3.13所示，測溫信號(hào)進(jìn)入PLC與計(jì)算機(jī)設(shè)定內(nèi)外弧允許溫差進(jìn)行比擬，EM232通過數(shù)模輸出，輸出DC0-10V電壓輸出，經(jīng)過直流電壓變換器放大為0-15V直流電壓，控制中頻電源電壓給定，以此來控制內(nèi)外弧溫差不大于±10℃。圖3.14為EM232輸出方框圖，EM232接它的電壓輸出端子。圖3.13EM232的電氣控制圖圖3.14EM232輸出方框圖4彎管機(jī)電氣控制系統(tǒng)PLC局部軟件設(shè)計(jì)本章內(nèi)容簡單介紹本次設(shè)計(jì)方案中軟件程序的編寫內(nèi)容，根據(jù)中頻加熱彎管機(jī)的工藝流程，作出PLC梯形圖程序的軟件流程框圖，再根據(jù)流程框圖可以便捷快速的編寫梯形圖程序。根據(jù)中頻加熱彎管機(jī)的工藝流程，我們可以作出PLC梯形圖程序的軟件流程框圖，再根據(jù)流程框圖可以便捷快速的編寫梯形圖程序。軟件流程圖如圖4.1所示：設(shè)置中斷，變量清零設(shè)置中斷，變量清零編碼器初始化調(diào)整參數(shù)中頻加熱溫度是否達(dá)標(biāo)液壓推進(jìn)管件推官速度是否達(dá)標(biāo)是否到達(dá)彎管要求結(jié)束彎管 否是否是否是圖4.1程序流程框圖彎管機(jī)電氣控制系統(tǒng)PLC局部軟件設(shè)計(jì)包含了：(1)中斷程序設(shè)計(jì)中斷程序的設(shè)置主要是為了檢測推管及加熱線圈的速度和位移以及中頻加熱溫度的測量,并且設(shè)定一些變量值。(2)速度測量程序推管速度的算法是每中斷一次，存放器自增1，并再與預(yù)設(shè)速度進(jìn)行比擬，當(dāng)兩者相等時(shí)，讀取高速計(jì)數(shù)器0的值，并清零存放器，計(jì)算出推管距離D；而推管時(shí)間T=20*250ms=5s，所以推管速度V=D/T〔cm/s〕。最后再把單位換算為每分鐘，即推管速度=60V〔cm/min〕。〔3〕溫度采集程序本次方案中溫度的測量采用兩組紅外溫度傳感器來檢測，以保證測得的溫度盡可能的減小誤差。紅外溫度傳感器的測量范圍是0度~1200度，變換后輸出4~20mA的電流。因?yàn)楣芗洗嬖阡P蝕等問題〔主要考慮氧化層對(duì)測溫的影響〕會(huì)對(duì)溫度的測量有一定的影響，所以會(huì)設(shè)置一個(gè)溫度波動(dòng)的調(diào)節(jié)程序。設(shè)置一個(gè)測量溫度的下限值，數(shù)值比上次測量溫度值低50度。當(dāng)測得的溫度比下限值高時(shí)，輸出本次測量溫度；比下限值低時(shí)，輸出為測量溫度的下限值。〔4〕位移測量程序位移測量程序包括兩局部，分別為推管位移的測量和線圈位移的測量。推管位移的測量是通過旋轉(zhuǎn)編碼器1實(shí)現(xiàn)的，旋轉(zhuǎn)編碼器1與PLC的高速計(jì)數(shù)器0相接。VD108中存儲(chǔ)的是旋轉(zhuǎn)編碼器1的轉(zhuǎn)換系數(shù)，測量時(shí)直接讀取高速計(jì)數(shù)器0的數(shù)值并與旋轉(zhuǎn)編碼器1的轉(zhuǎn)換系數(shù)相乘，就能得到推管的位移距離。再通過弧度計(jì)算公式α=l/r換算為弧度，最后換算為角度輸出。線圈位移的測量是通過旋轉(zhuǎn)編碼器2實(shí)現(xiàn)的，旋轉(zhuǎn)編碼器2與PLC的高速計(jì)數(shù)器1相接。線圈的位移測量更加簡單，直接讀取VD304中存儲(chǔ)的高速計(jì)數(shù)器1的值，再與VD112中存儲(chǔ)的旋轉(zhuǎn)編碼器1的轉(zhuǎn)換系數(shù)相乘，得到線圈的位移量?！?〕電壓電流采集程序電壓電流程序的作用是測量中頻電源的輸出電壓電流，以便計(jì)算中頻電源的輸出加熱功率。通過這種屢次采集求平均值的方法來減小電壓電流采集的誤差。(6)編碼器初始化程序本次設(shè)計(jì)方案采用了2個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，其中編碼器1是用來測量推管的速度和位移量，編碼器2是用來測量中頻加熱線圈的速度及位移量。(7)變量清零程序變量清零程序的作用是清零程序中的一些變量,為下一次推管做好準(zhǔn)備。軟件程序編寫的重點(diǎn)是對(duì)推管速度檢測與控制、中頻加熱溫度的檢測與控制以及中頻電源的加熱電流電壓和位移的測量。彎管機(jī)控制系統(tǒng)梯形圖程序的重點(diǎn)就是推管速度和中頻加熱溫度的控制，而其中推管速度根本是勻速不變的，也就是說只需要控制加熱溫度。溫度的控制是通過控制中頻加熱電源的輸出功率來實(shí)現(xiàn)，而中頻電源功率的控制是通過變頻器控制中頻電源電壓來實(shí)現(xiàn)的。所以溫度控制的實(shí)質(zhì)就是控制中頻電源的電壓。程序中推管速度和線圈移動(dòng)速度的檢測以及溫度采集和中頻電源功率的調(diào)節(jié)都是經(jīng)過中斷程序來進(jìn)行的。其中推管速度和線圈移動(dòng)速度的采集是每5s采集一次，溫度的采集是每0.5s采集一次，中頻電源功率的調(diào)節(jié)是每1s進(jìn)行一次。5結(jié)論本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是彎管機(jī)電氣控制系統(tǒng)硬件局部的設(shè)計(jì)。全文主要以中頻加熱彎管機(jī)的電氣控制進(jìn)行研究，從介紹彎管機(jī)的開展歷史和現(xiàn)狀開始著手，說明了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的和意義。文章介紹了中頻加熱彎管機(jī)的工作原理，主要對(duì)電氣控制系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。而在電路設(shè)計(jì)中，主要以電機(jī)的運(yùn)行控制和彎管機(jī)彎管過程中溫度和推進(jìn)速度的控制設(shè)計(jì)為主。在硬件局部的選型分析中，主要詳細(xì)介紹了PLC、紅外測溫儀、旋轉(zhuǎn)編碼器和變頻器等器件的選型。文章詳細(xì)介紹了這些元件的結(jié)構(gòu)、功能及原理。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的工作重點(diǎn)是硬件局部的設(shè)計(jì)和元器件選型，文章對(duì)這局部內(nèi)容做了較為詳細(xì)的講解。

本課題的難點(diǎn)是現(xiàn)場各種模擬量的采集和控制，包括中頻加熱溫度，推進(jìn)速度，以及中頻功率的測量。由于彎管工藝對(duì)其加熱過程的速度和溫度都有較高要求，所以彎管機(jī)在對(duì)鋼管推制過程中的加熱溫度和推制速度的控制要求相當(dāng)高，在彎管成形過程中常會(huì)因速度和溫度控制不當(dāng)引起管徑開裂、管壁厚度不均等缺陷。加熱溫度和變形速度選擇是否合理，對(duì)管子