弯管机电气控制系统的设计系统设计解析.docx
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弯管机电气控制系统的设计系统设计解析
弯管机电气控制系统的设计—系统设计
摘 要
本文主要介绍了弯管机的工作原理、工艺流程以及电气控制电路的设计。
针对弯管机电气控制系统硬件的设计,利用AUTO-CAD软件绘制九个控制电机的电路原理图和现场总体电路分布结构设计图;根据设计精度要求和对元器件性价比的比较,对包括PLC、编码器、红外测温仪及变频器等元件在内的各类硬件设备的选型。
本文所设计的电气控制系统用于控制中频加热弯管机的工业现场实际运行,采用PLC来控制弯管机,用上位机显示温度、速度等,能更好的控制弯管的质量和效率,主要实现弯管机的加热、送料、弯曲、冷却等功能的控制。
所设计的电路及选取的硬件在工业现场调试中基本能够达到预期的效果。
关键词:
弯管机、控制系统、可编程序控制器PLC、电路原理图
PipeBenderElectricControlSystemDesign-SystemDesign
Abstract
Thispapermainlyintroducestheworkingprincipleofpipebendingmachine,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
1绪论
1.1课题背景
目前,大大小小的弯管器件已广泛应用于日常生活中,小到汽车零器件,自来水管道,天然气管道,大到石油行业,管道工程,同时在国家开发的西气东输的工程中也得到了应用,可见弯管机在我国机械事业中占有重要的地位,它的发展也体现了我工国业的发展。
管材的弯曲加工,在金属结构、农牧机械、动力机械、工程机械、以及锅炉、电力、石油化工、轻工、航天机械、管道工程等工业部门,有着十分广泛的应用。
随着经济建设的迅速发展,对各种弯曲成型管件的数量、规格及用材的要求都在不断地增加,花样不断翻新,同时对弯管精度和表面质量提出了更高的要求。
在广泛的市场要求的前提下,国内的弯管技术出现了越来越多的关于材质﹑管径及弯管半径等的具体要求。
现代弯管的特点是大口径,厚臂管,针对这一特点我们采用中频液压加热弯管机对其弯管。
采用PLC来控制弯管机,用上位机显示温度、速度等,能更好的控制弯管的质量和效率。
1.2课题研究意义
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。
作为弯管机的电气控制部分,其设计的合理性及科学性关系到弯管机的整体性能的提高。
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,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高精度的中频加热弯管机,采用了电气控制系统,用于弯管工艺的自动控制和弯管质量控制。
同时弯管机在石油行业也得到了广泛应用,可见弯管机在我国机械事业中占有重要的地位,它的发展也体现了我工国业的发展。
本文设计弯管机的目的在于,结合现实中的情况,在巩固和应用所学支持的前提下,充分发挥自己的动手和实际设计的能力,设计出一款简单实用高效的弯管机。
1.3国内外研究现状及发展方向
1.3.1弯管机的发展及国内外研究情况
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。
另外,随着科学技术的不断发展,弯管机的型式日趋多样化,弯管性能也在大幅度地提高。
特别是微型计算机、单片机、可编程控制器、先进的交流伺服系统以及新型液压元器件和液压技术的应用,使传统弯管机的功能更趋完善,数控弯管机将取代传统弯管机而成为现代弯管的主要设备。
1.3.2西门子PLC的发展史
1.西门子公司的产品最早是1975年投放市场的SIMATIC S3,它实际上是带有简单操作接口的二进制;
2.1979年,S3系统被SIMATIC S5所取代,该系统广泛地使用了微处理器;
3.20世纪80年代初,S5系统进一步升级——U系列PLC,较常用机型:
S5-90U、95U、100U、115U、135U、155U;
4.1994年4月,S7系列诞生,它具有更国际化、更高性能等级、安装空间更小、更良好的WINDOWS用户界面等优势,其机型为:
S7-200、300、400,分别对应小型、中型、大型PLC;
5.1996年,在过程控制领域,西门子公司又提出PCS7(过程控制系统7)的概念,将其优势的WINCC(与WINDOWS兼容的操作界面)、PROFIBUS(工业现场总线)、COROS(监控系统)、SINEC(西门子工业网络)及控调技术溶为一体;
6.现在,西门子公司又提出TIA(Totally Integrated Automation)概念,即全集成自动化系统,将PLC技术溶于全部自动化领域。
此外,西门子PLC还有M7、C7二个系列。
在以后章节中主要介绍S7-200 PLC控制器。
PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的,二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制,首先应用的是汽车制造行业。
它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令;并通过数字输入和输出操作,来控制各类机械或生产过程。
用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求,并事先存入PLC的用户程序存储器中。
运行时按存储程序的内容逐条执行,以完成工艺流程要求的操作。
PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器,在程序运行过程中,每执行一步该计数器自动加1,程序从起始步(步序号为零)起依次执行到最终步(通常为END指令),然后再返回起始步循环运算。
PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。
不同型号的PLC,循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。
PLC用梯形图编程,在解算逻辑方面,表现出快速的优点,在微秒量级,解算1K逻辑程序不到1毫秒。
它把所有的输入都当成开关量来处理,16位(也有32位的)为一个模拟量。
大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。
把计算结果送给PLC的控制器。
相同I/O点数的系统,用PLC比用DCS,其成本要低一些(大约能省40%左右)。
PLC没有专用操作站,它用的软件和硬件都是通用的,所以维护成本比DCS要低很多。
一个PLC的控制器,可以接收几千个I/O点(最多可达8000多个I/O)。
如果被控对象主要是设备连锁、回路很少,采用PLC较为合适。
PLC由于采用通用监控软件,在设计企业的管理信息系统方面,要容易一些。
近10年来,随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大,越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制,PLC在我国的应用增长十分迅速。
随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高,今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。
1.3.3电气控制的发展
本系统的电控部分的下位机采用可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller. PLC)。
PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、功能丰富等强大技术优势,己经成为目前自动化领域的主流控制系统。
然而,从目前的应用情况来看,PLC还大都只是承担最基本的控制功能,模块。
虽然PID算法控制有很高的稳定性,但对于一些复杂控制系统,PID控制很难满足控制要求,这也使PLC的发展面临着一种挑战。
随着越来越多的PLC产品与IEC1131-3标准兼容,PLC控制系统越来越开放,将先进控制算法嵌入PLC常规控制系统成为可能。
本课题采用PLC S7-200来控制,根据其特点,把一些先进控制算法,在PLC及组态系统上得以实现,并开发相应的应用程序,经过实验调试,验证可以用到弯管机弯管工业中。
作为离散控的制的首选产品,PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展,世界范围内的PLC年增长率保持为20%~30%。
随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大,近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。
但是,在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。
综合相关资料,2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右,在自动化领域占据着十分重要的位置。
1.4本文研究的主要内容
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进行硬件的设计,主要是对弯管机电气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。
采集、存储和显示加热温度、推管速度,实现控制
(1)推管油缸:
行程12米,工作速度:
10mm~60mm/分
(2)温度范围:
850℃~1100℃(3)感应圈移动速度:
10mm~60mm/分(4)中频电源功率:
500~1000KW。
2弯管机电气控制系统总体设计
2.1系统设计方案
本课题主要是对弯管机电气控制部分的研究与实现。
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,采用中频感应加热线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。
动力系统由电机和液压系统构成。
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2.1所示。
图2.1电气控制系统结构框图
2.1.1弯管机控制系统组成
采用西门子PLCS7-200作为主控制器实现稳速和调速控制。
西门子S7-200系列PLC作为主控制器进行数据采集和信息处理。
S7-200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。
采用旋转编码器,测量推进距离和推进速度,用红外测温仪测量中频电源加热钢管的温度,检测中频电源电压、电流和功率,提高控制系统精度和整机自动化水平。
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,实现对加热温度和推进速度的数据采集、显示和存储,建立信息数据库并实现历史数据的查询和打印等功能。
本次设计弯管机采用红外测温仪测量它的温度,采用旋转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。
中频加热弯管机组控制系统结构图如图2.2所示。
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。
图2.2中频加热弯管机组控制系统结构图
2.2弯管机的工作原理
中频加热液压弯管机工作原理示意图如图2.3所示。
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、冷却系统组成。
系统工作时中频加热系统通过感应线圈给钢管加热到850°C到1100°C,推动钢管以10mm-60mm/min的速度缓慢速度推进,旋转摇臂是一个定轴随动机构,从使关以R为半径完成所需要的弯管,冷却系统用于中频加热中频电源、补偿电容、感应线圈及钢管的冷却。
中频加热液压弯管机组是由中频加热电源、液压传动和电气控制系统组成。
机组工作原理:
将需要弯曲的钢管固定在前夹具上,利用中频感应加热线圈加热,使钢管在一个狭窄的轴向范围内达到热变形温度,钢管中频在腰鼓轮夹持机构的作用下限位。
随即对加热变形后的弯管进行喷淋冷却,完成定型。
特点:
弯出的管具有形变小,壁厚差小,无应力,弯曲半径可调节。
1、管坯2、导向轮3、中频加热 4、夹头 5、摇臂 6、进给小车
图2.3中频加热液压弯管机工作原理示意图
2.3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进行硬件的设计,并到现场进行调试,完成理论与实践的结合。
中频加热感应弯管机的工艺流程如图2.4所示:
图2..4中频加热感应弯管机的工艺流
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电气控制系统原理图的设计。
2.4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。
鼓轮张开、托管轮抬起,上料,鼓轮夹紧、托管轮落下,后推板点动快进,感应线圈调节到适合的位置,夹头闭合,半径微调节,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。
2.5弯管机中频加热系统
中频感应加热弯管机是利用中频加热系统通过感应线圈给钢管加热,中频电源功率设计要求为500~1000KW/h,使中频加热感应线圈温度控制在850℃~1100℃。
由于管材的材质不同,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。
弯管机系统工作时,中频加热系统通过感应线圈给钢管加热到850℃~1100℃之间,卡紧装置在液压系统的驱动下使尾卡盘、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,推管油缸推动钢管以10mm~60mm/min的速度缓慢向前推进。
同时感应圈以10mm~60mm/min的速度同向移动。
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,经过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。
2.6中频加热弯管机的液压系统
采用液压为整个弯管机提供动力,通过液压泵输出高压油来满足各个执行元件的正常工作。
在管子的加工过程中,有加紧装置、转模装置、提升装置及模子横移装置都是采用液压来提供动力的,因此液压系统尤其重要。
2.7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。
适时的冷却可使管坯下在弯曲的部位能够受到冷却介质的作用而迅速冷却,致管坯内侧褶皱还未形成便冷却成形,这样可有效地防止弯曲时管坯内壁出现褶。
冷却系统主要分为两种形式,一种是水冷却系统,应用于弯曲碳素钢管、低合金钢钢管;另一种是空气冷却系统,应用于弯曲不锈钢钢管。
3弯管机电气控制系统硬件电路设计
3.1电气控制系统硬件电路设计
弯管机控制系统硬件设计包括电气控制元件的选择和硬件电路的设计,硬件电路设计和部分元器件选材详见附录1。
3.1.1上位机
工控机,工作站,触摸屏作为上位机,采用西门子公司的WINCC作为上位机组态软件,实现对加热温度和推进速度的数据采集、显示和存储,建立信息数据库并实现历史数据的查询和打印等功能。
可编程控制器PLC作为输入信息检测,信号处理和输出控制单元。
上位机与PLC联机实现数据采集上传,处理、显示和保存加工过程信息入数据库。
上位机还可设置系统参数和运行速度设定。
上位机主要功能:
数据输入及加工过程数据信息转换;转换数据下载和上传;加工过程关键工艺数据显示和记录;系统压力、位移和速度显示。
3.1.2下位机
下位机由PLC担任,它负责将现场传感器检测到的模拟信号传送给上位机进行数字信号处理,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,它使用适宜于控制的专门语言,实时性强,可与各种输入/输出设备直接连接,可在较恶劣的现场环境中工作。
PLC主要由中央处理单元(CPU)、存储器((ROM/RAM)、输入/输出单元(I/O)、电源以及外部设备(如编程器)等几大部分组成。
SIMATICS7-200系列PLC是模块化设计的,使用的模块有基本模块、扩展模块两类,结构简单、成本低廉、功能强大。
基本模块有CPU221,CPU222,CPU224和CPU226,本系统选用CPU226,它主要具有以下特点:
①具有一个RS485串行口,支持点对点(PPI)方式、自由方式(Freemode)等多种通讯协议,可以方便地实现同微机、其它PLC、以及打印机之类的外围设备的通信。
对该型号PLC的编程,也是通过同一个接口,使用一个RS485到RS232的转换器,由微机来实现的;
②使用超级电容保存数据,在断电以后,可以继续保存程序、数据以及维持时钟准确运行达190小时以上;
③具有较强的中断能力,包括用于自由方式的发送、接收中断,4个由输入信号上升沿或下降沿触发的输入中断,2个定时器中断;
④6个带20kHz时钟的高速计数器,6个30kHz时钟频率的单相计数器,4个20kHz时钟频率的两相计数器。
SIMATICS7-200系列PLC的扩展模块是通用的,用于扩充基本模块的输入、输出点数目。
扩展模块不仅适用于所有基本模块的扩充,而且扩充操作十分方便,只需使用接口插销,将扩展模块和基本模块,或者和其它扩展模块连接起来,扩充操作就完成了。
如EM235型(4路模拟量输入/1路模拟量输出)模拟量扩展模块。
EM223数字量输入输出模块,16DI/16DO,继电器输出。
3.1.3人机接口
人机接口是指人与计算机之间建立联系、交换信息,实现信息传输的控制电路。
输入/输出设备的接口,这些设备包括键盘、显示器、打印机、鼠标器和操作台等。
人机接口是计算机同人机交互通过电脑操作画面完成参数传递和实时监控显示以及数据报表的打印等操作。
操作台完成外围辅助设备的动作,包括钢管推进、温度调节、速度控制等。
在人机交互设备与人机接口之间的信息传输中,采用并行通信方式。
它与人机交互设备一起完成两个任务:
(1)信息形式的转换
(2)信息传输的控制。
3.2PLC控制系统
可编程控制器简
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