引言

長U彎管機是制冷行業(yè)熱交換器用U管的特種加工設備，可實現(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)密閉性的關鍵。由于彎管工藝對其折彎機構的模具和運行速度都有較高要求，所以彎管機對銅管彎制過程中速度的控制要求相當高[1]。在彎管成型過程中常會因速度控制不當引起管徑開裂、管壁厚度不均等缺陷，因此有必要設計一個程序去控制彎管機速度，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彎管機結構設計

長U彎管機整體圖如圖1所示，主要包括機械部分和控制系統(tǒng)部分。長U彎管機主要結構組成如圖2所示，包括校圓校直機構、送料機構、切割機構、折彎退管機構、導料機構、料架機構等。

2控制系統(tǒng)的PLC硬件設計

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

2.1 PLC外圍硬件設計

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)動器、伺服電機、變頻器、開關電源供電，同時用來進行缺相、短路、過載、過流、掉電欠壓保護。設備裝有兩對安全光柵確保操作人員的安全，在主控臺上安裝一個急停開關，在長U彎管機的四個角上各安裝一個急停開關，以確保出現(xiàn)異常時在各個位置都能迅速按下急停按鈕。為了員工操作方便，設備采用按鈕和觸摸屏進行手動控制[2]。長U彎管機操作平臺圖如圖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的機型、存儲容量、電源模塊和其他功能模塊等。在考慮PLC機型時,在滿足系統(tǒng)功能的前提下,選擇最可靠、使用和維護方便、性價比最優(yōu)的機型[3]。長U彎管機是控制過程比較復雜、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I/O分配表如表1所示。

3控制系統(tǒng)的PLC軟件設計

3.1系統(tǒng)控制流程圖

根據(jù)控制對象和控制要求對PLC進行編程。在PLC程序設計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控制程序設計

PLC軟件設計是根據(jù)長U彎管機工藝和控制要求，將控制任務和過程分解為許多子過程和子任務,再對各個子過程和子任務進行模塊設計、功能說明,形成一個模塊化的程序結構[4]。

由于工藝比較復雜,本程序采用主子程序模塊化順序結構進行編程,程序包括程序密碼、回零點動、手動模式、自動模式、機架移動、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)場維護管理,使彎管機運行安全性和可靠性得到了大幅提高。

3.2.1程序框架結構

程序總體分為：程序密碼、伺服電機手動（伺服回零、伺服點動部分、伺服手動部分）、普通電機手動、氣缸手動、自動模式、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,看程序時一目了然。長U彎管機程序框架圖如圖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,到達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，快要切斷時切割低速進，到達設定的切割時間后停止切割。

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

3.2.3動作互鎖程序

為防止操作過程中的誤動作，進行了互鎖程序的設計，主要如下：

（1）先夾模、靠模，同時刀架必須后移到位，芯桿動作后才能進行折彎操作。

（2）松開夾模、靠模及把模具退管機構返回到設定位置后，同時刀架后移到位，接料機構退回到位，即接料退始位檢測開關檢測到位，模具內(nèi)沒有管才可進行折彎退操作。

（3）送料過程中不能夾模、靠模，不能進行進刀等操作。

（4）進刀過程中不能執(zhí)行刀架前移、后移、送料等動作。

（5）只有在刀架前移到位后才可進行進刀操作。

（6）進刀時或退刀未全部到位時，不能進行送料進或退操作。

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

3.2.4故障報警

眾所周知，設備安全是重中之重，操作信號和保護信號均引入PLC控制系統(tǒng)，這些參數(shù)和信號與操作控制相關內(nèi)容進行邏輯運算，最后產(chǎn)生控制指令[7]。將這些參數(shù)和信號送監(jiān)視器顯示故障類型并控制聲光報警。長U彎管機報警程序框架如圖7所示。

4控制系統(tǒng)組態(tài)畫面設計

為使長U彎管機手動調(diào)試、自動運行、參數(shù)設置等操作更為方便、直觀，采用威給通MT8071iE觸摸屏配合操作臺按鈕進行控制，采用EasybuilderPro軟件設計了圖形操作界面，可用于數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)設置，擴展了PLC的功能，減少了按鈕、開關、儀表等儀器的使用[8]。當觸摸屏上的按鈕被按下時，觸摸屏會給PLC發(fā)送按鈕信息，PLC收到數(shù)據(jù)后執(zhí)行顯示實時參數(shù)、控制執(zhí)行機構等指令[9]。

觸摸屏界面實現(xiàn)功能如下：

（1）在手動調(diào)試操作界面下，手動操作實現(xiàn)折彎電機、退管電機、機架平移電機、液壓電機、送料電機、切割電機的點動和手動操作以及各個氣缸的動作。

（2）在自動運行操作界面下實現(xiàn)長U管的正常彎制功能，在自動運行過程中，可以隨時按暫停按鈕停止，停止后再按自動啟動按鈕啟動，并對長U管規(guī)格進行存儲，設置彎制速度、模擬運行等參數(shù)。

（3）在線監(jiān)控與報警功能。實現(xiàn)折彎電機、退管電機、機架平移電機的在線狀態(tài)監(jiān)控和對各伺服電機的限位、液壓電機報警、變頻器報警以及在操作過程中操作方法不對進行相應的提示報警、各種故障報警等功能。

由于程序設計界面較多，僅以主要界面為例。手動模式界面如圖8所示，參數(shù)設置界面如圖9所示，速度控制界面如圖10所示，自動模式界面如圖11所示。

5伺服電機的負載率

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

5.1折彎電機負載率

折彎進90%、折彎退100%，加減速時間500 ms，管長1 165 cm時負載率如圖12所示。

5.2機架移動電機負載率

機架移動電機負載率如圖13所示。

5.3退管電機負載率

退管電機退管速度90%，加減速時間300 ms時負載率如圖14所示。

由以上三個電機的數(shù)據(jù)可知，伺服電機的實際運行負載率都在80%以下，滿足伺服電機長時間運行的正常使用條件。

6結論

長U彎管機控制系統(tǒng)解決了因速度控制不當引起的管徑開裂、管壁厚度不均等缺陷，能夠?qū)崿F(xiàn)手動、轉(zhuǎn)機和自動連續(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)能滿足技術要求，生產(chǎn)效率高。長U彎管機的成功研發(fā)使公司擁有了自己的核心技術，擺脫了對外部廠家的依賴，大大減少了制造成本，在公司長U彎管機設備整體更新?lián)Q代過程中必將發(fā)揮更大的作用。