基于PLC和触摸屏的长U弯管机控制系统设计及实现

引言

长U弯管机是制冷行业热交换器用U管的特种加工设备，可实现铜管盘料放料、校圆校直、定长切割弯制。长U管是制冷系统中冷媒循环流通的主要通道，其加工精度、质量一致性是确保制冷系统密闭性的关键。由于弯管工艺对其折弯机构的模具和运行速度都有较高要求，所以弯管机对铜管弯制过程中速度的控制要求相当高[1]。在弯管成型过程中常会因速度控制不当引起管径开裂、管壁厚度不均等缺陷，因此有必要设计一个程序去控制弯管机速度，使其在次品率降低的前提下又快又好地弯制出所要求角度的弯管。

1长U弯管机结构设计

长U弯管机整体图如图1所示，主要包括机械部分和控制系统部分。长U弯管机主要结构组成如图2所示，包括校圆校直机构、送料机构、切割机构、折弯退管机构、导料机构、料架机构等。

2控制系统的PLC硬件设计

长U弯管机控制系统由3个伺服电机（折弯电机、退管电机、机架移动电机）、2个普通电机（送料电机、切割旋转电机）、1个液压电机（控制靠模、夹模、抽芯电磁阀）、2个变频器（控制送料电机和切割旋转电机）、3个平移皮带电机、送料压紧气缸（8个）、刀架前移和后退气缸、退料套复位气缸、操作台和控制监视系统组成。长U弯管机控制系统整体图如图3所示。

2.1 PLC外围硬件设计

电源部分采用单回路供电模式，电控柜主要是给PLC、触摸屏、伺服驱动器、伺服电机、变频器、开关电源供电，同时用来进行缺相、短路、过载、过流、掉电欠压保护。设备装有两对安全光栅确保操作人员的安全，在主控台上安装一个急停开关，在长U弯管机的四个角上各安装一个急停开关，以确保出现异常时在各个位置都能迅速按下急停按钮。为了员工操作方便，设备采用按钮和触摸屏进行手动控制[2]。长U弯管机操作平台图如图4所示。

2.2 PLC选型和I/O分配

根据所需的I/O点数和具体PLC控制系统的功能要求,选择类型合适的PLC,需要考虑PLC的机型、存储容量、电源模块和其他功能模块等。在考虑PLC机型时,在满足系统功能的前提下,选择最可靠、使用和维护方便、性价比最优的机型[3]。长U弯管机是控制过程比较复杂、控制功能要求较高的系统,因此选择了汇川H3U系列PLC。长U弯管机I/O分配表如表1所示。

3控制系统的PLC软件设计

3.1系统控制流程图

根据控制对象和控制要求对PLC进行编程。在PLC程序设计阶段一般先画出程序流程图，再编写程序。根据长U弯管机控制系统工艺要求和具体情况，确定程序的逻辑流程图如图5所示。

3.2 PLC控制程序设计

PLC软件设计是根据长U弯管机工艺和控制要求，将控制任务和过程分解为许多子过程和子任务,再对各个子过程和子任务进行模块设计、功能说明,形成一个模块化的程序结构[4]。

由于工艺比较复杂,本程序采用主子程序模块化顺序结构进行编程,程序包括程序密码、回零点动、手动模式、自动模式、机架移动、喷油喷气、指示灯、输出等几大部分[5]。系统各种子程序均由主循环程序调用执行,按事先输入的控制程序实现自动控制,系统编程灵活,修改程序方便,仅需修改子程序梯形图即可改变控制功能,便于现场维护管理,使弯管机运行安全性和可靠性得到了大幅提高。

3.2.1程序框架结构

程序总体分为：程序密码、伺服电机手动（伺服回零、伺服点动部分、伺服手动部分）、普通电机手动、气缸手动、自动模式、喷油喷气、指示灯、输出等几大部分[6]。围绕这几大部分编写程序,力求框架清晰,看程序时一目了然。长U弯管机程序框架图如图6所示。

3.2.2主要程序介绍

送料部分子程序包括送料高速进,到达减速长度以后再低速送料,送料到位传感器检测到位后停切割部分子程序包括切割高速进，快要切断时切割低速进，到达设定的切割时间后停止切割。

折弯、退管、接料部分子程序包括折弯高速进，到达减速角度以后再折弯低速进，折弯进到位后，夹模、靠模松开，接料气缸上升，抽芯退出长U管底部，准备卸料。此时退料电机前移将长U管退到接料气缸上，接料气缸下降并到位，折弯高速退，到达减速角度后折弯低速退到位，传送带卸料完成。

3.2.3动作互锁程序

为防止操作过程中的误动作，进行了互锁程序的设计，主要如下：

（1）先夹模、靠模，同时刀架必须后移到位，芯杆动作后才能进行折弯操作。

（2）松开夹模、靠模及把模具退管机构返回到设定位置后，同时刀架后移到位，接料机构退回到位，即接料退始位检测开关检测到位，模具内没有管才可进行折弯退操作。

（3）送料过程中不能夹模、靠模，不能进行进刀等操作。

（4）进刀过程中不能执行刀架前移、后移、送料等动作。

（5）只有在刀架前移到位后才可进行进刀操作。

（6）进刀时或退刀未全部到位时，不能进行送料进或退操作。

（7）先松开夹模、靠模折弯进到位，折弯角度二170O以上，才可执行退管操作。

3.2.4故障报警

众所周知，设备安全是重中之重，操作信号和保护信号均引入PLC控制系统，这些参数和信号与操作控制相关内容进行逻辑运算，最后产生控制指令[7]。将这些参数和信号送监视器显示故障类型并控制声光报警。长U弯管机报警程序框架如图7所示。

4控制系统组态画面设计

为使长U弯管机手动调试、自动运行、参数设置等操作更为方便、直观，采用威给通MT8071iE触摸屏配合操作台按钮进行控制，采用EasybuilderPro软件设计了图形操作界面，可用于数据显示和参数设置，扩展了PLC的功能，减少了按钮、开关、仪表等仪器的使用[8]。当触摸屏上的按钮被按下时，触摸屏会给PLC发送按钮信息，PLC收到数据后执行显示实时参数、控制执行机构等指令[9]。

触摸屏界面实现功能如下：

（1）在手动调试操作界面下，手动操作实现折弯电机、退管电机、机架平移电机、液压电机、送料电机、切割电机的点动和手动操作以及各个气缸的动作。

（2）在自动运行操作界面下实现长U管的正常弯制功能，在自动运行过程中，可以随时按暂停按钮停止，停止后再按自动启动按钮启动，并对长U管规格进行存储，设置弯制速度、模拟运行等参数。

（3）在线监控与报警功能。实现折弯电机、退管电机、机架平移电机的在线状态监控和对各伺服电机的限位、液压电机报警、变频器报警以及在操作过程中操作方法不对进行相应的提示报警、各种故障报警等功能。

由于程序设计界面较多，仅以主要界面为例。手动模式界面如图8所示，参数设置界面如图9所示，速度控制界面如图10所示，自动模式界面如图11所示。

5伺服电机的负载率

由于伺服电机的正常使用条件是年平均环境温度30节，平均负载率80%以下，日运行时间20 h以内，因此伺服电机的负载率是评判电机选型的重要依据。在设备运行过程中，采集了各伺服电机的负载率数据。

5.1折弯电机负载率

折弯进90%、折弯退100%，加减速时间500 ms，管长1 165 cm时负载率如图12所示。

5.2机架移动电机负载率

机架移动电机负载率如图13所示。

5.3退管电机负载率

退管电机退管速度90%，加减速时间300 ms时负载率如图14所示。

由以上三个电机的数据可知，伺服电机的实际运行负载率都在80%以下，满足伺服电机长时间运行的正常使用条件。

6结论

长U弯管机控制系统解决了因速度控制不当引起的管径开裂、管壁厚度不均等缺陷，能够实现手动、转机和自动连续生产，弯制过程中各参数稳定，受人为因素影响少，弯制出的长U管外观平整一致，U管的稳定性及福皱等参数能满足技术要求，生产效率高。长U弯管机的成功研发使公司拥有了自己的核心技术，摆脱了对外部厂家的依赖，大大减少了制造成本，在公司长U弯管机设备整体更新换代过程中必将发挥更大的作用。