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高频焊螺旋翅片管生产线自控系统的设计

晨怡热管 黑龙江省科学院自动化研究所 陈洪林 牛晓明 陈 刚 经 韬 2009-9-29 12:45:25

    摘  要:本文介绍了高频焊螺旋翅片管生产线自动控制系统的设计思想及实现技术,着重阐述了该系统的控制结构、组态配置、工作过程及原理,提出了应用SLC500对多台交流电机的变频控制,从而实现翅片螺距的无级调整。

    关键词:高频焊螺旋翅片管   SLC500   变频器

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1  引言

   高频焊螺旋翅片管是目前国内外一致公认的一种新型高效热交换元件,是先进的节能产品。其特点:翅片与基管具有良好的金属接触面,接触阻近于零,适用温度广、耐热性能好,传热效率高。它是利用高频电阻接触加热的方法将成盘的金属带状材料以一定的速度连续不断地,在钢管外侧边缠绕边焊接上呈螺旋状的散热片,大大增加了钢管的外表面,使其散热效率提高几倍,从而减小了设备体积,提高了热效率。

    高频焊螺旋翅片管生产线主要是由牵引机、高频电源、焊接专用设备、冷却循环系统、辅助配套设备等组成。工作时把钢带固定在钢管上,高频装置开启后,高频电流通过馈电系统在钢管和钢带很小的范围内流过,由于高频电流的集肤效应和邻近效应,在极短的时间内,把电流经过区域的钢管和钢带加热到呈塑性流状态。两个待结合的金属表面在顶锻力的作用下形成牢固的焊缝。随着钢管连续不断地旋转和轴向移动,以及钢带的同步输入,钢带就形成绕焊在钢管上的翅片。如图1所示。

    目前,国内生产高频焊螺旋翅片管企业的生产线自动化程度水平较低,在控制系统方面大多是采用继电器,接触器强电的一般逻辑顺序控制。其生产线牵引缠绕机头的牵引和旋转合用一个电机。电机旋转,有两个输出,一个是直接带动钢管旋转,一个是通过传动齿轮,拖动钢管及附件做直线运动。螺距的变化调整,是通过很多组备用齿轮组及齿轮箱共同调节,而且,螺距受齿轮比的限制,为有限个量级,不能达到无级设定,往往不能满足客户的要求,达不到最佳的焊接速度,时常出现质量问题。

    为此,很有必要在高频焊螺旋翅片管生产中加强控制功能,提高控制精度。从而,达到精确控制焊接速度,提高工效,降低废品率,保证产品质量,更好地满足客户的要求。

 

 

控制系统的组成及工作过程原理

    本控制系统硬件构成如图2所示。我们是以美国A-B公司的SLC500可编程控制器(PLC)为控制核心,它的特点是运算精度高,响应速度快,16K的程序内存空间,具有良好的环境适应性和抗干扰能力;有丰富的输入/输出口,最多控制960I/O点。丰富简单的集成指令,更具有高级数学运算功能——三角、PID、指数、浮点运算以及各种运算指令。并可运用内置的RS-232通道和上位机进行通讯。该控制器性能可靠,维护量小,编程方便、灵活,可用功能图、梯形图和语句表进行单独或综合编程,完成各种不同的控制要求。它负责焊接工艺的电气逻辑控制,包括各焊接设备的状态检测、速度检测;执行逻辑、算术运算;输出控制执行指令,完成对焊接启停控制,各电磁阀及状态过程控制等。操作员终端是操作员直接输入相关参数的人机接口界面,我们选用A-B公司高性能小型平面型设计的PanelView550,它的特点和功能是:预组态符号和动态目标使画面组态变得很容易,键盘终端或触摸屏和键盘的组合终端为操作员提供了方便灵活的数据输入途径,操作员通过使用10个可组态的功能键和一个数据键盘进行数据输入,或简单地点触摸屏上的图标来实现。通过DH-485通道,PanlView550操作员终端能直接接入SLC500处理器,能直接访问SLC500的数据文件,减少了梯形图的编程。

    首先我们根据实际工艺要求确定SLC500I/O,选择合适的CPU,内存模块及I/O模块。运用上位机软件RSLogix500梯形图编程软件对I/O进行组态和编程,通过RS-232通道和下位机SLC500进行通讯,再利用PanelBuilder1400e软件编辑操作员终端的人机接口界面(HMI),把编辑好的参数文本框、按钮、指示灯、报警画面等,在PanelView550SLC500之间建立DH-485通道通讯,这样操作员终端的人机接口界面就可直接控制SLC500处理器及相关I/O模块。

系统工作设有自动/手动2种控制方式,由选择开关转换。焊接电机速度、液压站电磁阀等检测信号串联输入到SLC500,作为SLC500启动焊接开始的联锁条件,从而保证系统在正常条件下工作。控制面板上设有故障复位、急停等按钮,当系统发生紧急故障时,可按急停按钮终止所有设备运行;当设备出现故障或工艺参数不正常时,由SLC500控制对应的指示灯亮且蜂鸣器报警,仅当故障排除后,才能有效通过蜂鸣器复位按钮消除报警声,用指示灯复位按钮复位指示灯。

3 变频调速控制

    保证两个电机之间具有一定的速度比,常采用机械传动刚性联接装置来实现。但根据实际需要考虑采用独立控制的非刚性联接传动方法。利用SLC50和变频器实现两个电机间速度保持一定速度比的控制方法。

    用变频调速器带动两个电机,即牵引电机和旋转机电是相对独立的。目的是使翅片螺距可根据用户要求达到无级调整。用公式从理论上来推算过程如下:

    设n—旋转电机转速(r/min
     υ—牵引电机行进速度
(mm/s)

—螺距(mm)
     Φ—钢管直径
(mm)
       υ线—焊接速度
(mm/s)
       ω—旋转电机角速度
(rad/s)

            ω=2πn/60                                    (1)

            ω/2=υ                  (2)

ω/2π=υ              (3)

    由以上四个公式可得出一个结论:在定管径和定螺距的情况下,υ线与n及υ均为线性关系。受高频焊极及焊合率的限制,υ线的范围是有限的,一般在250350mm/s。根据客户的使用要求,螺距p:420mm,管径:21219mm,可以推算出ω及υ的范围和极限速度。

 

    根据以上的理论推算,分别选用合适的电机,每个电机加一个变频调速器来控制电机的转速。利用旋转编码器1和旋转编码器2分别采集上述两个电机的脉冲信号,并送到SLC500的高速计数口。以这两个速度信号数据为输入量,进行比例积分(PI)控制算法,运算结果作为输出信号送SLC500的模拟量模块,经上下限处理后,存储于某个数据区中,经计算后的值,送到模拟量输出通道,经过上下限标定后,换算成变频器能接受的电流或电压信号,以控制高频焊接电机的变频器。这样,就可以保证旋转速度跟踪牵引速度的变化而发生变化,使两个速度保持同步。进而实现无级设定螺距。

4  软件设计

    采用状态设计法编制控制程序梯形图:根据高频焊螺旋翅片管生产线的生产工艺流程,首先对各主体设备的运行状态分配中间变量作标记;确定各状态的先后次序及联锁关系;明确系统所要涉及到的输入、输出量,画出SCL500各输出信号与输入信号的逻辑关系;再由逻辑关系转化为梯形图。该程序分别由液压站控制、变频调速控制、过程监控、故障诊断等功能块组成。翅片焊接过程时间虽短,但条件多,动作复杂,为此,将系统的运行和故障联锁全部由SLC500来控制,以提高系统的可靠性;在软件设计中适当添加联锁条件,使各动作间严格确保相互约束或时序关系;建立合适的状态标志位,设置识别及处理故障的能力。该系统设计的控制流程图如图4所示。

 

结束语

    本控制系统运用SLC500为控制核心,体现了其操作简单、维护容易、可扩展等诸多优点。同时也取代了传统继电器的复杂控制。利用SLC500对高频焊螺旋翅片管生产线的自动控制,大大提高了生产线的运行可靠性和产品质量,由于PanlView550操作员终端的灵活性,可在现场改变产品的工艺参数,更好地满足客户对产品的多种要求。

参考文献

[1SLC500 Processors Documentation Reference GuideS].(USA,Rockwell Internationa Corporation,January 1999)

[2RSL500 Software Procedures GuideS.(USA,Rockwell International Corporation,May 2001)
3International Standard for Dimensions,Tolerances and Tests of High Frenq uency Resistance Welded FinsR.(Effective,June,1990)

[4]侯远龙.电气传动系统PID自适应控制研究[J].工业仪表与自动化装置,20012

[5]陈维山,赵杰.机电系统计算机控制[M].哈尔滨工业大学出版社,1999

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