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1、自动铝带绕片机控制系统的开发与研究宋国岩 隋秀凛摘 要：本文结合在自动铝带绕片机控制上所涉及的问题，采用西门子S7200PLC和变频调速技术实现了对液压系统、电控系统的可靠控制和翅片管螺距的无级调整，并在控制系统中引入PID控制技术。介绍了该控制系统的硬件组成、工作原理、运行方式和软件设计方法。关键词：铝带绕片机；可编程控制器；变频调速；PID 1.引言 作者简介：宋国岩（1964-）教授；1987年毕业于阜新矿业学院机械制造工艺设备专业；现从事教学及实验工作；先后在国家级、省部级刊物发表论文多篇。* 课题立项：本文为内蒙古自治区高等学校科学研究项目数控铝带绕片机的研究与开发阶段性成果；课题批
2、准号：NJ06025；课题负责人：宋国岩。翅片管是一种新型高效节能的热交换元件，是空气冷却器上的最基本、最重要的元件，在空调、制冷业上取得了广泛的应用。它利用绕片头的压力将成盘的铝带以一定的速度连续不断的在钢管外侧缠绕成螺旋状的散热片，使钢管的散热面积大大增加，成倍的提高散热效率。国外绕片机设备已经由电器自动控制发展到微机控制，有些还具备关键部位的状态监视和故障诊断功能。现正向高速绕片方向发展，以西德、意大利技术及产品居世界先进水平。目前国内的绕片机大多使用传统的继电器，接触器控制，翅片管螺距通过齿轮组调节，螺距受齿轮比的限制，螺距数是有限的，因此不能完成不同管径、不同螺距的无级调整，并且存在
3、效率低下、绕制质量差等缺点，属于半手工半机械的操作方式。为了更好的满足客户要求，就必须设计新的铝带绕片机来提高工效，保证产品质量，为此我们开发了这种新型自动铝带绕片机。本文主要介绍其自动控制系统部分。自动铝带绕片机主要由上料装置，自动传送装置，自动加工装置和自动下料装置组成,系统的整体结构如图1。其中上料装置由两个液压缸的同步回路驱动摆动液压缸实现，自动传送装置通过液压缸组与支撑机构的紧密结合来实现复杂的机械运动，自动加工装置和下料装置借助于电机拖动来实现，电机的转速由变频器控制，通过对电机转速的调节，实现螺距的无级调整。 控制柜电控系统液压系统纵向电机绕片电机下料电机变频器1进给装置下料装置
4、机头加工装置油泵变频器上料缸组支撑缸组上料装置传送装置图1 系统的整体结构框图2.控制方案的选择由单片机与继电器等组成的控制系统寿命短、故障率高，而工业控制计算机等其它控制系统价格昂贵、对环境要求高，势必被一种能够把计算机的简单功能以及灵活、通用等优点集于一体的装置所替代。当前PLC已经成为电气控制系统中应用最为广泛的核心装置。它不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能，并且可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，在恶劣环境下长时间、不间断的运行，并且编程简单、维护方便，并配有各类通信接口与模块处理，可方便于各级连接，是当今及今后工业控制的主要手段和重要的自动化控制设备。近年来
5、，德国西门子(SIEMENS)公司的S7-200系列PLC由于其较高的性价比和卓越完善的功能在我国已广泛应用于各行各业的生产过程的自动控制中。为此本控制系统我们采用S7-200PLC作为控制中心。3.控制系统的实现在绕片过程中就必须保持管网中有一定的压力来完成各种动作，否则系统无法正常工作。利用PLC配合压力传感器，根据管网中的压力，通过变频器控制油泵电机的转速，使管道中的压力保持在合适的范围。利用PLC控制变频器，由变频器控制纵向电机的转速及正反转，拖动溜板箱移动，实现绕片螺距的无级调整。3.1.工艺过程和控制系统的组成自动铝带绕片机的动作过程包括油泵启动、接料液压缸组升至接料位、上料液压缸
6、上料、接料液压缸组升至加工位、尾座缸顶进、纵向电机正转向右拖动机头运动、开启绕片电机、机头依次通过液压缸组、尾座退回、下料电机启动下料、进入纵向电机反转向左拖动机头运动加工过程、程序结束。自动铝带绕片机控制系统由液压系统和电控系统组成，系统框图见图2。液压系统由油泵、卸荷阀、三位四通电磁换向阀、单向阀、油箱、油缸等组成。电控系统由西门子S7200PLC和操作面板组成。程序操作的速度选择开关（5档）、工作方式选择开关（分为步进、单周期、手动、连续操作四种）及信号显示灯等都集中在操作面板上。操作面板 PLC变频器1(PID)变频器2液压装置油泵电机纵向电机 机械传动部分图2 控制系统框图保持系统压
7、力恒定原理自动铝带绕片机的全部动作由油缸和电机驱动，而油缸又由相应的电磁阀控制，当接料液压缸组升至加工位后由尾座缸顶进，然后绕片电机启动，在绕片过程中尾座顶尖的压力要保持恒定，系统压力参数由压力传感器反馈给变频器1进行PID调节，工作原理图如图3所示：实际压力 变频器（PID）给定参数油泵频率管网压力传感器转速反馈参数图3 系统压力恒定原理图将管网的实际压力和给定压力进行比较,当压力不足时，变频器增大输出频率，油泵转速加快，供油量增大，使得管网压力增加；反之油泵转速减慢,供油量减少，管网压力下降，保持系统压力恒定。在闭环控制系统中，PID调节器的控制作用是使系统在稳定的前提下，偏差最小。其算法
8、为： 式中：为第n个采样时刻的PID计算值；为回路增益；为第n个采样时刻的给定值；为第n个采样时刻的过程变量值；为采样时间间隔；为积分时间常数；MX为第n1个采样时刻的积分项值；为微分时间常数；为第n1个采样时刻的过程变量值。要在PLC中执行PID指令，要对PID参数表进行初始化处理，即将PID参数表中有关的参数（给定值、回路增益、采样时间、积分时间常数、微分时间常数），按照地址偏移量写入变量寄存器V中。一般通过调用子程序，在子程序中对PID参数表进行初始化处理。3.1.2 PLC与变频器调速原理自动铝带绕片机的启动、停止按钮、操作方式选择、液压缸组的上升与下降、支撑液压缸组至接料位限位开关、
9、支撑液压缸组至加工位限位开关、纵向溜板箱至液压缸组各液压缸的接近开关、速度选择开关及系统安保用的各限位设备都接在PLC的输入口。输出口是各种小型继电器，用来控制变频器的输出相序及频率、纵向电机的起停、支撑液压缸组的上升与下降、尾座液压缸的顶进与退回、各种显示灯和报警信号。当PLC控制变频器的输出口接变频器的正相正向相序端,纵向电机正转；当PLC控制变频器的输出口接变频器的反相正向相序端,纵向电机反转；当二者都不接通时，变频器中止电源输出，纵向电机停转。当PLC控制变频器的功率选择的三个输出口分别接变频器的多段功率选择端时，这三个端子可形成7种速度供选择，具体可通过变频器的功能码设定。本系统只选
10、用了其中5种速度，各速度档位分别对应不同的绕片螺距。变频器节能原理和方法由于本自控系统属于电机驱动频繁的启动、制动、正反转的机械设备，所以如果经费允许则很有必要讨论变频器的在生能量的储存和利用。当变频器所驱动的电机处于再生制动状态时，所产生的电能回馈给变频器，存储在变频器内部的滤波电容上，这样使其上的电压升高，对变频器构成威胁，所以传统的变频器是在其上安装一个由电子开关控制的附加电阻如图3，当电压升高时接入附加电阻将再生能量消耗掉，从而使能量白白浪费，而且产生大量热量使变频器工作不稳定，影响变频器寿命。变频器由于体积、价格等因素使得内部滤波电容的容量比较小，所以对于单台变频器可以采用直接外加电
11、容的方法，使外加电容与内部电容并联。这样当电机处于再生制动状态时可以将生成的电能储存在电容里，当电机处于电动状态时再将能量释放出来，达到节能的目的。3.2系统软件设计 CPU组态本控制系统采用的PLC是德国西门子公司生产的S7200CPU226。该机械手控制系统共使用了57个输入点，34个输出点。系统可以有多种不同模板的选取组合，图4为所选组合。 模板2EM2218DI继电器模板1EM22324DI16DO继电器模板4EM2234DI4DO继电器CPU22624DI16DO继电器模板3EM2218DI继电器模板5EM2354DI1DO图4 .扩展模板I/O链图程序设计自动铝带绕片机的操作方式分
12、为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为步进、单周期和连续操作方式。手动操作：使机床各部分停在原点。按照加载选择开关所选择的位置，用启动/停止按钮配合加载操作。(选择开关并且按下启动按钮代表：正转、上升、顶进和上料；按下停止按钮代表反转、下降、退回)。步进操作：机床在原点时每按下启动按钮一次，向前操作一步。单周期操作：机床在原点时，按下启动按钮自动操作一个周期后返回原点。连续操作：机床在原点时，按下启动按钮，自动，连续的执行周期性循环。当按下停止按钮，机床完成当前周期动作后自动回到原点停车。4. 结束语利用PLC和变频调速技术，不仅解决了传统铝带绕片机的半机械、半手工的操作方式的问题，更重要的是能够实现同一机构加工不同管径，而且能够实现螺距的无级调整，同时也加强了铝带绕片机生产的自动化控制功能，提高了控制精度，达到精确控制绕制速度，而且费用低，产品质量和生产效率高，可进行批量生产，投放市场。参考文献:1胡学林 主编 .可编程控制器教程.北京：电子工业出版社. 2003。2郭宗仁、吴亦锋、郭永 主编. 可编程序控制器应用系统设计及通信网络技术. 北京：人民邮电出版社2002.3张万忠 主编。可编程控制器入门与应用实例。北京：中国电力出版社. 2004。4周建洪、刘柏林 变频器再生能量的利用. 鞍钢技术（经验交流） 第7期 1996。
