弯管机电气控制系统的设计.docx
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弯管机电气控制系统的设计
弯管机电气控制系统的设计
——系统设计
摘要
弯管机是机械制造行业中的重型机械设备,是衡量一个国家机械制造水平和能力的标志之一。
作为弯管机的关键零部件主分配器,其设计的合理性及科学性关系到弯管机的整体性能的提到。
我国弯管机机的设计制造经历了学习、仿制到不断改进的过程。
本文介绍了弯管机的工作原理,分析了其控制系统的硬件组成,对运行结果作了充分肯定。
可编程控制器在恶劣环境下比继电器、接触器安全、可靠、耐用。
以弯管机编程控制器程序控制为例,阐述了液压、气动、电气联合作用下系统的可编程控制设计方法。
关键字:
弯管机可编程序控制器控制系统
TheDesignofthePipeBender ExpressureExperimentMachineControlSystem
——ControlSystemSection
Abstract
ThePipeBenderexperimentmachineisprofessionheavydutymachineryequipmentinthemachinemanufacture,isoneofsymbolsthatweighsacountrymachinemanufacturelevelandability.Bendingmachineasthemaindistributorofthekeycomponentsofitsdesignandscientificrationalitytothebendingmachineoftheoverallperformanceofthementioned.Thedesignandmanufactureofourcountryforgingpumppresshasexperiencedtheprocesswhichthestudy,imitatesunceasinglyimproving.
ThepaperintroducestheprincipleofthePipeBenderexperimentmachine,analysesthehardwarecomposition,Theoperatingresultsarefullyapproved.PLCinadversecircumstancesthantherelays,contactswithsafe,reliable,durable.Tohydrostatictestingmachineprogrammingcontrollerprogrammingforexample,onahydraulic,pneumatic,electricalsystemunderthejointcontrolofprogrammabledesignmethods.
Keywords:
PipeBenderexperimentmachine,programme-logicController,controlsystem
毕业设计(论文)知识产权声明....................................33
毕业设计(论文)独创性声明.....................................34
附录............................................................35
1绪论
1.1课题背景
中频感应加热弯管机,其工作原理是利用中频电源对钢管进行加热,同时将钢管匀速推进,使加热部分的钢管沿预设的轨道行走从而形成具有一定曲率半径和角度的弯管。
先将钢管安装就位,通过摇臂回转装置上的丝杠丝母传动装置调整好弯曲半径,采用中频感应加热圈对钢管加热到一定温度后进行弯曲,弯曲时以液压为动力,由小车将钢管向前推进,沿调整好的弯曲半径在加热处发生变形而弯曲,钢管变形后对其喷水冷却,从而获得所需的弯管管件。
1.2课题研究的意义
西气东输是国家为开发西部进行的战略性工程,在西气东输中,需要大量大口径弯管用于管线转弯处,这些管线的口径在,厚度在巧以上,国内管道行业现有的弯管能力最大,电气控制系统采用继电器控制和专用电路控制相结合,不能满足工程需要,为此,在充分消化吸收原有弯管设备特点的基础上,采用最新的控制手段设计了适用于大口径、厚壁管线的中频加热弯管机,采用了控制系统,用于弯管工艺的自动控制和弯管质量控制。
1.3国内外研究现状及发展方向
弯管机的发展与计算机技术的发展息息相关,早在20世纪70年代时,美国EATONLEONARD公司就已经研制生产了计算机数控弯管设备,首创计算机编程数控弯管之先河,大大提高了当时的数控弯管水平。
20世纪80年代,日本千代田工业株式会社在美国EATONLEONARD公司的研究成果上,成功研制了M-1型管型测量机和EC、TC两种系列十多种型号的数控弯管机,功能非常强大,很快便以崭新的技术面貌挤入了国际市场。
我国的数控弯管机研究起步较晚,但发展很快,早在1970年武昌造船厂就研制成功一台数控弯管机,这是国内自主研制的第一台数控弯管机。
1973年武昌造船厂又成功研制了SKWG-2型数控弯管机。
此后上海造船厂工艺研究所等多家国内企业也陆续研制出了数控弯管机。
目前我国弯管加工的现状是既有自动化程度高的数控弯管机,也有半自动的数控弯管机,甚至还有相当一部分中小企业还在使用传统的手工弯管,具有典型的“老、中、青”(即手工弯管设备、半自动弯管机床和全自动弯管机床)三者结合的中国特色。
1.4本文研究的主要内容
本课题主要是对弯管机电器控制部分的研究与实现。
由于弯管工艺对其加热过程的速度和温度都有较高要求,所以弯管机在对钢管推制过程中的加热温度和推制速度的控制要求相当高。
在弯管成形过程中常会因速度和温度控制不当引起管径开裂、管壁厚度不均等
缺陷。
因此,本课题的主要研究内容是:
设计一个怎样的控制器去控制弯管机的温度和速度使其在减少次品率的条件下又快又好的推制出所要求角度的弯管。
其次,弯管机电器控制系统以一台SiemensS7-200CPU226为控制核心,输入输出包括三个模拟量输入(电流变送器、电压变送器、激光温度传感器),两个模拟量输出(电压变送器、电液比例溢流阀),约68个数字量I/O点(一个线旋转编码器,若干限位开关、手动开关、继电器和指示灯)以及通过PC-PPI通信的上位机。
其他电器包括四台电动机。
对他们的系统设计也是本课题的一个研究方向。
1.5论文结构
本文通过五部分对中频加热弯管机电气控制系统设计进行了叙述:
1绪论,介绍了课题背景、研究意义、国内外相关领域的研究现状和研究内容;2、通过对其原理系统进行分析,选择合适的方案;3、系统方案的确定,对CPU的选择及其他器件的选择做一个简绍;4、系统硬件设计,说明了系统硬件电路的具体设计方法;5、总结本课题。
2弯管机原理系统结构分析
2.1弯管机的工作原理
中频加热液压弯管机主要由机械装置、液压系统、中频加热系统、PLC控制系统、冷却系统等组成。
机械装置主要有卡紧装置、小车推进装置、导向轮装置和摇臂回转装置等组成。
弯管的工作原理如图2.1所示。
其基本过程是:
在将管道安装好之后,利用中频电源通过感应圈对其待弯区域进行加热,当加热到一定温度后,由小车将管道按照一定的速度向前推进,沿调整好的弯曲半径进行弯曲。
1、管坯2、导向轮3、中频加热 4、夹头 5、摇臂 6、进给小车
图2.1中频加热液压弯管机工作原理示意图
2.2中频加热弯管机的机械装置
机械装置主要有卡紧装置、小车推进装置、导向轮装置和摇臂回转装置等组成。
其工作原理是利用中频电源对钢管进行加热,同时将钢管匀速推进,使加热部分的钢管沿预设的轨道行走从而形成具有一定曲率半径和角度的弯管。
先将钢管安装就位,通过摇臂回转装置上的丝杠丝母传动装置调整好弯曲半径,采用中频感应加热圈对钢管加热到一定温度后进行弯曲,弯曲时以液压为动力,由小车将钢管向前推进,沿调整好的弯曲半径在加热处发生变形而弯曲,钢管变形后对其喷水冷却,从而获得所需的弯管管件。
2.3中频加热弯管机的液压系统
中频加热液压弯管机的液压系统原理图如图2所示,主要由9个液压缸和2个液压马达组成。
主夹缸在弯管时始终保证管道通过夹具固定于转臂之上,确
保管道按预定的半径进行弯曲;导夹缸起辅助夹管的作用,同时具有导向和支撑的功能;推进缸在弯管进行时,为弯管机提供动力;辅夹缸在弯管时把弯管固定于推进小车之上,防止管道在推进时产生振动;定位夹紧缸将主夹头定位在摇臂导轨上,防止其在工作中因受力而移动;定位液压马达,实现摇臂工作台的移动;复
位马达是在弯管结束时,使摇臂复位。
在弯管机的液压系统中,弯曲主夹缸、导夹缸、辅夹缸、推进缸以及定位夹紧缸均采用液控单向锁紧阀,减少压力损失,以保
证弯管过程中夹紧、弯曲动作可靠。
操作人员装好管坯,通过点动按钮控制电磁铁9YA通电而10YA断电,从而调整弯管的半径,半径调整好之后,点动另一按钮控制7YA通电而8YA断电,定位夹紧。
然后按下启动按钮,在可编程控制器(PLC)的控制下依次自动执行以下的动作:
(1)电磁铁3YA通电,主夹缸驱动夹头关闭,从而把管子加紧;
(2)电磁铁5YA通电,辅夹缸驱动夹头关闭,把管子和推进小车固定在一起;
(3)电磁铁11YA通电,导夹缸驱动压料模把管子压紧;
(4)电磁铁13YA通电,主驱动缸推动小车,从而由小车带动钢管前进,沿调整好的的弯曲半径进行快速弯曲;
(5)电磁铁15YA通电,将快速推进改为工进;
(6)弯管结束后,电磁铁12YA通电而11YA断电,导向缸退回,使压料模后退;
(7)电磁铁6YA通电5YA断电,辅夹头松开退回;
(8)电磁铁4YA通电3YA断电,主夹头松开退回。
操作人员将弯制好的管件取下之后,按下复位开关令电磁铁16YA通电而17YA断电,摇臂反向回转,使弯管机复位,准备下一个弯管开始,从而完成一个工作循环。
图2.2液压系统原理图
2.4弯管机中频加热系统
由于管材的材质各异,管径、壁厚、弯曲角度等差异较大,使得中频电源加热温度和弯管推进速度之间的关系都不一样,并且各工艺参数的设定也比较复杂,而参数设定的合适与否会极大影响弯管的各种机械性能,所以要根据工况的不同进行参数选择,并由此控制弯管的质量。
系统工作时,中频加热系统通过感应线圈给钢管加热到960℃左右,卡紧装置在液压系统驱动下使尾卡盘、导辊架和导向卡盘等夹紧管体,并在驱动马达的强大推力下,推动钢管以0.2一8mm/s的速度缓慢向前推进。
依据中央操作台输入的各种管材加热温度T,高温状态σS的参数,经工艺提供的模型计算得出加热温度给定值,由计算机送入PLC,PID调节仪与测温反馈信号(加热测温点的最高值)进行比较,输出到中频感应加热电源柜,来自动控制加热功率,上位机显示中频感应加热的加热功率及加热温度。
实现这一控制也可采用手动给定方式,在中央操作台将加热功率给定选择手动位置,调节加热功率给定电位器,手动给定加热功率信号至中频电源柜。
完成加热功率的给定。
感应加热位置的控制:
加热测温点为内外弧两点。
测温信号进入PLC与计算机设定内外弧允许温差进行比较,PLC控制步进电机拖动感应圈轴向移动,以此来控制内外弧温差不大于±10℃。
感应圈轴向移动可以采用自动和手动两种方式。
感应圈三维移动时均设有限位开关进行保护。
2.5PLC控制系统
可编程控制器简称为PLC(Programmablelogi2calcontroller),是一种数字运算操作的电子系统,是工业控制专用计算机,是生产过程控制的通用自动控制部件,能完成算术/逻辑运算、定时/计数控制等操作。
2.5.1PLC控制原理
20世纪中叶,由于市场的需要,工业生产开始从大批量、少品种的方式转变为小批量、多品种的生产方式。
这种方式在汽车生产中得到充分的体现,当时汽车组装生产线的控制采用继电器控制系统。
这种控制系统体积大,耗电多,特别是改变生产程序很困难。
因此,一种新型的控制设备呼之欲出。
为了改变这种状况,1968年美国通用汽车公司提出了十项招标指标公开对外招标,要求用新的电气控制装置取代继电器控制系统,以适应迅速改变生产程序的需要。
1969年,美国DEC公司研制出第一台可编程控制器PDP214,用在GM公司生产线上,大获成功。
PLC的控制特点可以简单概括为:
用软件代替硬件,PLC内部的软接点代替了继电器的硬接点。
它具有编程方便、稳定可靠、控制功能强、使用和维护方便、环境要求低以及性能价格比好等特点。
因此,改变生产控制要求时,只要对控制系统的软件进行修改即可,大大缩短了生产周期,提高生产效率。
而PLC的MTBF(平均无故障工作时间)更是高达(4~6)×105h[2]。
PLC的出现被誉为20世纪70年代的一场工业革命[3],自1969年问世以来,发展迅猛。
现在,与机器人、CAD/CAM并称为自动化三大技术支柱之一的PLC,在工业控制各个领域获得了越来越广泛的应用。
PLC控制系统的动作说明
手动操作
(1)先按启停按钮,人机界面的“油泵状态”项显示“运行”,表示油泵已经启动。
(2)将“手动/自动”选择开关打到手动位置,手动指示灯亮。
同时,人机界面的“机器当前状态”项中显示“手动”。
(3)夹具夹紧松开是通过“夹具夹紧、松开”选择开关操作,当打到“夹紧”时,夹具夹紧;当打到“松开”时,夹具松开;当打到中间时,夹具停止动作。
(4)弯管前进后退是通过“弯管前进、后退”选择开关操作,当打到“前进”时,弯管前进;当打到“后退”时,弯管后退;当打到中间时,弯管停止动作。
自动操作
(1)首先对人机界面里的参数进行设定,人机界面上的“ESC”键为“退出”;“上箭头”键为“向上移动或增加”;“下箭头”键为“向下移动或减少”;“右箭头”键为“向右移动或向右移位”;“ENTER”键为“确定”;“PageUp”键为“向上翻页”;“PageDn”键为“向下翻页”。
(2)第一步要设定的是“设定弯道数量”,该项是指一个工件弯道数的总和。
把光标移到该项后面的数值上,按下“ENTER”键,用“上箭头”键、“下箭头”键改变到所需数值,再按下“ENTER”键。
(3)第二步要设定的是“限位1~6对应第几弯”,在所需的角度限位开关后面的数值中写入对应的弯道数。
(4)按下油泵的启停按钮,人机界面的“油泵状态”项显示“运行”,表示油泵已经启动。
(5)将“手动/自动”选择开关打到自动位置。
按下启动按钮,就会自动完成“夹具夹紧”→“弯管前进”→“夹具松开”→“弯管后退”→“停止”,完成一个循环。
再按下启动按钮,就开始进入下一循环,如此循环工作。
复位方法
在自动运行过程中,需要改变参数时,就要对其进行复位,复位的方法就是将“自动/手动”选择开关先拨到中间位置复位,再拨回自动即可。
表2.1弯管机信息点数统计
序号
功能描述
输入/输出
地址分配
备注
1
旋转编码器A相
输入
I0.0
2
旋转编码器B相
输出
I0.1
3
7.5KW电机开
输入/输出
I0.2Q0.0
4
7.5KW电机关
输入
I0.3
5
18.5KW电机1开
输入/输出
I0.4Q0.1
6
18.5KW电机1关
输入
I0.5
7
18.5KW电机2开
输入/输出
I0.6Q0.2
8
18.5KW电机2关
输入
I0.7
9
18.5KW电机3开
输入/输出
I1.0Q0.3
10
18.5KW电机3关
输入
I1.1
11
快进
输入/输出
I1.2Q0.4
12
快退
输入/输出
I1.3Q0.5
13
工进1
输入/输出
I1.4Q0.6
14
工进2
输入/输出
I1.5Q0.7
15
慢退1
输入/输出
I1.6Q1.0
16
慢退2
输入/输出
I1.7Q1.1
17
气泵开
输入/输出
I2.0Q1.2
18
气泵停
输入
I2.1
19
风扇开
输入/输出
I2.2Q1.3
20
风扇停
输入
I2.3
21
中频电源水泵开
输入/输出
I2.4Q1.4
22
中频电源水泵关
输入
I2.5
23
感应线圈水泵开
输入/输出
I2.6Q1.5
24
感应线圈水泵关
输入
I2.7
25
旋臂夹头松
输入/输出
I3.0Q1.6
26
旋臂夹头紧
输入/输出
I3.1Q1.7
27
旋臂夹头销子松
输入/输出
I3.2Q2.0
28
旋臂夹头销子紧
输入/输出
I3.3Q2.1
29
旋臂半径调节进
输入/输出
I3.4Q2.2
30
旋臂半径调节退
输入/输出
I3.5Q2.3
31
旋臂移动进
输入/输出
I3.6Q2.4
32
旋臂移动退
输入/输出
I3.7Q2.5
33
管道抱管轮进
输入/输出
I4.0Q2.6
34
管道抱管轮退
输入/输出
I4.1Q2.7
35
感应线圈进
输入/输出
I4.2Q3.0
36
感应线圈退
输入/输出
I4.3Q3.1
37
中频功率手动
输入
I4.4
38
中频功率自动
输入
I4.5
39
中频功率调节
AQW0
40
感应线圈移动速度(显示)
AIW0
41
推管速度调节
AQW2
42
感应线圈温度
AIW2
43
中频直流电压
AIW4
44
中频直流电流
AIW6
2.6弯管机的冷却系统
感应加热后喷淋冷却手动控制时,在中央操作台上,调节喷淋给定电位器,手动给定喷淋水量信号至电动调节阀。
完成喷淋水量的给定调节。
感应加热喷淋冷却后所测得的内外弧两点温度与计算机设定的冷却温度送入PLC,通过PID调节仪调节电动调节阀的开口度来调节喷淋水量的大小,从而调节最后的冷却温度,以此达到工艺要求。
冷却系统用于中频加热系统中频电源、中频变压器、感应线圈及钢管的冷却。
当旋转摇臂达到设定弯曲角度时,控制系统自动停止弯管作业。
2.7弯管机的工艺流程
本课题的研究工作主要是根据弯管机的工艺流程对弯管机的控制系统进行分析和数学建模,确定适用于该系统的控制算法,进行硬件的设计和软件的编程,并到现场进行调试,完成理论与实践的结合。
图2.3中频加热感应弯管机的工艺流程
由于管材的材质各异,管径、壁厚、弯曲角度等差异较大,使得中频电源加热温度和弯管推进速度之间的关系都不一样,并且各工艺参数的设定也比较复杂,而参数设定的合适与否会极大影响弯管的各种机械性能,所以要根据工况的不同进行参数选择,并由此控制弯管的质量。
其次在对弯管机的系统以及弯管工艺有一个很好的了解的基础上,根据实际情况,完成硬件设备的选型和软件的设计。
3弯管机控制系统的设计
3.1设计方案
电气控制系统选用了以西门子S7-200PLC和工控机主控设备的计算机监控系统,电气控制系统框图如图3.1所示。
图3.1控制系统结构图
采用西门子S7一200系列PLC作为主控制器进行数据采集和信息处理.S7一200具有PID控制的功能.通过设置和调节PID参数实现速度和温度和功率平衡控制。
采用西门子公司的WINCC作为上位机组态软件,完成上位机监控界面的设计,对加热温度和推进速度的数据实施实时监控和存储,并实现历史数据的查询和打印功能。
此系统是以可编程控制器(PLC)控制为主的弯管机。
这种控制方式是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的,并逐渐发展成以微处理器为核心,把自动化技术计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业自动化控制装置。
可编程控制器有较高的稳定性和灵活性,采用可编程控制器控制,使系统的控制性能和可靠性大大提高。
弯管机是利用是利用中频电源对钢管进行加热,同时将钢管匀速推进,使加热部分的钢管沿预设的轨道行走从而形成具有一定曲率半径和角度的弯管。
先将钢管安装就位,通过摇臂回转装置上的丝杠丝母传动装置调整好弯曲半径,采用中频感应加热圈对钢管加热到一定温度后进行弯曲,弯曲时以液压为动力,由小车将钢管向前推进,沿调整好的弯曲半径在加热处发生变形而弯曲,钢管变形后对其喷水冷却,从而获得所需的弯管管件。
弯管机采用飞秒光电激光传感器来控制它的温度,采用编码器来控制它的速度,从而保持功率恒定,
PLC系统中所用的断路器、接触器、热继电器、转换开关、按钮、指示灯等控制元件
均应选用可靠性高、电气寿命长的IEC标准优质产品。
、弯管机、电机上的配线,采用包塑金属软管,并配有软管接头,打有管夹,可防止线缆拔脱和线缆的机械损伤。
温度传感器选用电流输出形式,温度传感器至控制台数字面板表的信号传输采用屏蔽信号电缆,克服了信号传输过程中的衰减和干扰,保证面板表显示数据的准确性。
控制系统选用西门子公司的模板式可编程控制器S7-200系列PLC控制,由一个PLC柜组成。
PLC和操作台控制柜之间使用PROFIBUS-DP方式通讯。
使用触摸屏进行设备状况监视和模拟量标定,进行各打压参数的设置。
应具有手动设置予密封力的功能,满足不同管径对设备平衡的要求。
3.2硬件电路设计的整体思想
3.2.1上位机
采用西门子公司的WINCC作为上位机组态软件,完成上位机监控界面的设计,对加热温度和推进速度的数据实施实时监控和存储,并实现历史数据的查询和打印功能。
它是4U高14槽机架安装工业电脑机箱,专为任务关键应用而设计。
此机箱包括一个通用14槽无源底板、带PFC(功率因数补偿)电源的高效300WATX和易于维护的双冷却风扇。
机箱前面板上的系统状态LED指示灯可显示电源、硬盘和系统电压的运行情况。
带有两个高CFM风扇的先进冷却系统能够提供充足的气流来冷却系统的主要部件。
前端接线的USB和PS/2键盘I/O接口可以连接各种外部设备,以便进行数据传输、备份和输入。
灵活的机械设计支持单PS/2电源或冗余电源(通过更换电源托架)。
所有这些特点使IPC-610-H成为性价比最佳和总价最优的选择。
它的配置内存是1g的,硬盘是120g的,有光驱,键盘+鼠标,它的配置很高能满足上位机软件运行的要求。
3.2.2下位机
下位机由PLC担任,它负责对现场传感器检测到的信号传送给上位机进行信号处理,同时它又把上位机的控制指令翻译成执行指令控制现场可执行元件的动作,从而实现系统整体自动协调动作,完成弯管的作业。
工控机和PLC之间的通信是通过专用的PC/PPI电缆来实现的,PLC和触摸屏之间的通讯是通过RS485/422专用电缆来实现的。
PLC实质上是一种专用于工业控制的计算机,其基本硬件结构与一般计算机几乎一样。
由于它是对机械或设备或某个系统直接进行控制的装置,所以与一般计算机又有所不同
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