基于PLC和觸摸屏的長U彎管機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

引言

長U彎管機(jī)是制冷行業(yè)熱交換器用U管的特種加工設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)銅管盤料放料、校圓校直、定長切割彎制。長U管是制冷系統(tǒng)中冷媒循環(huán)流通的主要通道，其加工精度、質(zhì)量一致性是確保制冷系統(tǒng)密閉性的關(guān)鍵。由于彎管工藝對(duì)其折彎機(jī)構(gòu)的模具和運(yùn)行速度都有較高要求，所以彎管機(jī)對(duì)銅管彎制過程中速度的控制要求相當(dāng)高[1]。在彎管成型過程中常會(huì)因速度控制不當(dāng)引起管徑開裂、管壁厚度不均等缺陷，因此有必要設(shè)計(jì)一個(gè)程序去控制彎管機(jī)速度，使其在次品率降低的前提下又快又好地彎制出所要求角度的彎管。

1長U彎管機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

長U彎管機(jī)整體圖如圖1所示，主要包括機(jī)械部分和控制系統(tǒng)部分。長U彎管機(jī)主要結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，包括校圓校直機(jī)構(gòu)、送料機(jī)構(gòu)、切割機(jī)構(gòu)、折彎退管機(jī)構(gòu)、導(dǎo)料機(jī)構(gòu)、料架機(jī)構(gòu)等。

2控制系統(tǒng)的PLC硬件設(shè)計(jì)

長U彎管機(jī)控制系統(tǒng)由3個(gè)伺服電機(jī)（折彎電機(jī)、退管電機(jī)、機(jī)架移動(dòng)電機(jī)）、2個(gè)普通電機(jī)（送料電機(jī)、切割旋轉(zhuǎn)電機(jī)）、1個(gè)液壓電機(jī)（控制靠模、夾模、抽芯電磁閥）、2個(gè)變頻器（控制送料電機(jī)和切割旋轉(zhuǎn)電機(jī)）、3個(gè)平移皮帶電機(jī)、送料壓緊氣缸（8個(gè)）、刀架前移和后退氣缸、退料套復(fù)位氣缸、操作臺(tái)和控制監(jiān)視系統(tǒng)組成。長U彎管機(jī)控制系統(tǒng)整體圖如圖3所示。

2.1 PLC外圍硬件設(shè)計(jì)

電源部分采用單回路供電模式，電控柜主要是給PLC、觸摸屏、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源供電，同時(shí)用來進(jìn)行缺相、短路、過載、過流、掉電欠壓保護(hù)。設(shè)備裝有兩對(duì)安全光柵確保操作人員的安全，在主控臺(tái)上安裝一個(gè)急停開關(guān)，在長U彎管機(jī)的四個(gè)角上各安裝一個(gè)急停開關(guān)，以確保出現(xiàn)異常時(shí)在各個(gè)位置都能迅速按下急停按鈕。為了員工操作方便，設(shè)備采用按鈕和觸摸屏進(jìn)行手動(dòng)控制[2]。長U彎管機(jī)操作平臺(tái)圖如圖4所示。

2.2 PLC選型和I/O分配

根據(jù)所需的I/O點(diǎn)數(shù)和具體PLC控制系統(tǒng)的功能要求,選擇類型合適的PLC,需要考慮PLC的機(jī)型、存儲(chǔ)容量、電源模塊和其他功能模塊等。在考慮PLC機(jī)型時(shí),在滿足系統(tǒng)功能的前提下,選擇最可靠、使用和維護(hù)方便、性價(jià)比最優(yōu)的機(jī)型[3]。長U彎管機(jī)是控制過程比較復(fù)雜、控制功能要求較高的系統(tǒng),因此選擇了匯川H3U系列PLC。長U彎管機(jī)I/O分配表如表1所示。

3控制系統(tǒng)的PLC軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)控制流程圖

根據(jù)控制對(duì)象和控制要求對(duì)PLC進(jìn)行編程。在PLC程序設(shè)計(jì)階段一般先畫出程序流程圖，再編寫程序。根據(jù)長U彎管機(jī)控制系統(tǒng)工藝要求和具體情況，確定程序的邏輯流程圖如圖5所示。

3.2 PLC控制程序設(shè)計(jì)

PLC軟件設(shè)計(jì)是根據(jù)長U彎管機(jī)工藝和控制要求，將控制任務(wù)和過程分解為許多子過程和子任務(wù),再對(duì)各個(gè)子過程和子任務(wù)進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)、功能說明,形成一個(gè)模塊化的程序結(jié)構(gòu)[4]。

由于工藝比較復(fù)雜,本程序采用主子程序模塊化順序結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程,程序包括程序密碼、回零點(diǎn)動(dòng)、手動(dòng)模式、自動(dòng)模式、機(jī)架移動(dòng)、噴油噴氣、指示燈、輸出等幾大部分[5]。系統(tǒng)各種子程序均由主循環(huán)程序調(diào)用執(zhí)行,按事先輸入的控制程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制,系統(tǒng)編程靈活,修改程序方便,僅需修改子程序梯形圖即可改變控制功能,便于現(xiàn)場維護(hù)管理,使彎管機(jī)運(yùn)行安全性和可靠性得到了大幅提高。

3.2.1程序框架結(jié)構(gòu)

程序總體分為：程序密碼、伺服電機(jī)手動(dòng)（伺服回零、伺服點(diǎn)動(dòng)部分、伺服手動(dòng)部分）、普通電機(jī)手動(dòng)、氣缸手動(dòng)、自動(dòng)模式、噴油噴氣、指示燈、輸出等幾大部分[6]。圍繞這幾大部分編寫程序,力求框架清晰,看程序時(shí)一目了然。長U彎管機(jī)程序框架圖如圖6所示。

3.2.2主要程序介紹

送料部分子程序包括送料高速進(jìn),到達(dá)減速長度以后再低速送料,送料到位傳感器檢測到位后停切割部分子程序包括切割高速進(jìn)，快要切斷時(shí)切割低速進(jìn)，到達(dá)設(shè)定的切割時(shí)間后停止切割。

折彎、退管、接料部分子程序包括折彎高速進(jìn)，到達(dá)減速角度以后再折彎低速進(jìn)，折彎進(jìn)到位后，夾模、靠模松開，接料氣缸上升，抽芯退出長U管底部，準(zhǔn)備卸料。此時(shí)退料電機(jī)前移將長U管退到接料氣缸上，接料氣缸下降并到位，折彎高速退，到達(dá)減速角度后折彎低速退到位，傳送帶卸料完成。

3.2.3動(dòng)作互鎖程序

為防止操作過程中的誤動(dòng)作，進(jìn)行了互鎖程序的設(shè)計(jì)，主要如下：

（1）先夾模、靠模，同時(shí)刀架必須后移到位，芯桿動(dòng)作后才能進(jìn)行折彎操作。

（2）松開夾模、靠模及把模具退管機(jī)構(gòu)返回到設(shè)定位置后，同時(shí)刀架后移到位，接料機(jī)構(gòu)退回到位，即接料退始位檢測開關(guān)檢測到位，模具內(nèi)沒有管才可進(jìn)行折彎退操作。

（3）送料過程中不能夾模、靠模，不能進(jìn)行進(jìn)刀等操作。

（4）進(jìn)刀過程中不能執(zhí)行刀架前移、后移、送料等動(dòng)作。

（5）只有在刀架前移到位后才可進(jìn)行進(jìn)刀操作。

（6）進(jìn)刀時(shí)或退刀未全部到位時(shí)，不能進(jìn)行送料進(jìn)或退操作。

（7）先松開夾模、靠模折彎進(jìn)到位，折彎角度二170O以上，才可執(zhí)行退管操作。

3.2.4故障報(bào)警

眾所周知，設(shè)備安全是重中之重，操作信號(hào)和保護(hù)信號(hào)均引入PLC控制系統(tǒng)，這些參數(shù)和信號(hào)與操作控制相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行邏輯運(yùn)算，最后產(chǎn)生控制指令[7]。將這些參數(shù)和信號(hào)送監(jiān)視器顯示故障類型并控制聲光報(bào)警。長U彎管機(jī)報(bào)警程序框架如圖7所示。

4控制系統(tǒng)組態(tài)畫面設(shè)計(jì)

為使長U彎管機(jī)手動(dòng)調(diào)試、自動(dòng)運(yùn)行、參數(shù)設(shè)置等操作更為方便、直觀，采用威給通MT8071iE觸摸屏配合操作臺(tái)按鈕進(jìn)行控制，采用EasybuilderPro軟件設(shè)計(jì)了圖形操作界面，可用于數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)設(shè)置，擴(kuò)展了PLC的功能，減少了按鈕、開關(guān)、儀表等儀器的使用[8]。當(dāng)觸摸屏上的按鈕被按下時(shí)，觸摸屏?xí)oPLC發(fā)送按鈕信息，PLC收到數(shù)據(jù)后執(zhí)行顯示實(shí)時(shí)參數(shù)、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)等指令[9]。

觸摸屏界面實(shí)現(xiàn)功能如下：

（1）在手動(dòng)調(diào)試操作界面下，手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)折彎電機(jī)、退管電機(jī)、機(jī)架平移電機(jī)、液壓電機(jī)、送料電機(jī)、切割電機(jī)的點(diǎn)動(dòng)和手動(dòng)操作以及各個(gè)氣缸的動(dòng)作。

（2）在自動(dòng)運(yùn)行操作界面下實(shí)現(xiàn)長U管的正常彎制功能，在自動(dòng)運(yùn)行過程中，可以隨時(shí)按暫停按鈕停止，停止后再按自動(dòng)啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)，并對(duì)長U管規(guī)格進(jìn)行存儲(chǔ)，設(shè)置彎制速度、模擬運(yùn)行等參數(shù)。

（3）在線監(jiān)控與報(bào)警功能。實(shí)現(xiàn)折彎電機(jī)、退管電機(jī)、機(jī)架平移電機(jī)的在線狀態(tài)監(jiān)控和對(duì)各伺服電機(jī)的限位、液壓電機(jī)報(bào)警、變頻器報(bào)警以及在操作過程中操作方法不對(duì)進(jìn)行相應(yīng)的提示報(bào)警、各種故障報(bào)警等功能。

由于程序設(shè)計(jì)界面較多，僅以主要界面為例。手動(dòng)模式界面如圖8所示，參數(shù)設(shè)置界面如圖9所示，速度控制界面如圖10所示，自動(dòng)模式界面如圖11所示。

5伺服電機(jī)的負(fù)載率

由于伺服電機(jī)的正常使用條件是年平均環(huán)境溫度30節(jié)，平均負(fù)載率80%以下，日運(yùn)行時(shí)間20 h以內(nèi)，因此伺服電機(jī)的負(fù)載率是評(píng)判電機(jī)選型的重要依據(jù)。在設(shè)備運(yùn)行過程中，采集了各伺服電機(jī)的負(fù)載率數(shù)據(jù)。

5.1折彎電機(jī)負(fù)載率

折彎進(jìn)90%、折彎退100%，加減速時(shí)間500 ms，管長1 165 cm時(shí)負(fù)載率如圖12所示。

5.2機(jī)架移動(dòng)電機(jī)負(fù)載率

機(jī)架移動(dòng)電機(jī)負(fù)載率如圖13所示。

5.3退管電機(jī)負(fù)載率

退管電機(jī)退管速度90%，加減速時(shí)間300 ms時(shí)負(fù)載率如圖14所示。

由以上三個(gè)電機(jī)的數(shù)據(jù)可知，伺服電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行負(fù)載率都在80%以下，滿足伺服電機(jī)長時(shí)間運(yùn)行的正常使用條件。

6結(jié)論

長U彎管機(jī)控制系統(tǒng)解決了因速度控制不當(dāng)引起的管徑開裂、管壁厚度不均等缺陷，能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)、轉(zhuǎn)機(jī)和自動(dòng)連續(xù)生產(chǎn)，彎制過程中各參數(shù)穩(wěn)定，受人為因素影響少，彎制出的長U管外觀平整一致，U管的穩(wěn)定性及福皺等參數(shù)能滿足技術(shù)要求，生產(chǎn)效率高。長U彎管機(jī)的成功研發(fā)使公司擁有了自己的核心技術(shù)，擺脫了對(duì)外部廠家的依賴，大大減少了制造成本，在公司長U彎管機(jī)設(shè)備整體更新?lián)Q代過程中必將發(fā)揮更大的作用。