摘 要：本文介紹了高頻焊螺旋翅片管生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想及實(shí)現(xiàn)技術(shù)，著重闡述了該系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)、組態(tài)配置、工作過程及原理，提出了應(yīng)用SLC500對(duì)多臺(tái)交流電機(jī)的變頻控制，從而實(shí)現(xiàn)翅片螺距的無級(jí)調(diào)整。
關(guān)鍵詞：高頻焊螺旋翅片管 SLC500 變頻器
1 引言
高頻焊螺旋翅片管是目前國內(nèi)外一致公認(rèn)的一種新型高效熱交換元件，是**的節(jié)能產(chǎn)品。其特點(diǎn)：翅片與基管具有良好的金屬接觸面，接觸阻近于零，適用溫度廣、耐熱性能好，傳熱效率高。它是利用高頻電阻接觸加熱的方法將成盤的金屬帶狀材料以一定的速度連續(xù)不斷地，在鋼管外側(cè)邊纏繞邊焊接上呈螺旋狀的散熱片，大大增加了鋼管的外表面，使其散熱效率提高幾倍，從而減小了設(shè)備體積，提高了熱效率。
高頻焊螺旋翅片管生產(chǎn)線主要是由牽引機(jī)、高頻電源、焊接專用設(shè)備、冷卻循環(huán)系統(tǒng)、輔助配套設(shè)備等組成。工作時(shí)把鋼帶固定在鋼管上，高頻裝置開啟后，高頻電流通過饋電系統(tǒng)在鋼管和鋼帶很小的范圍內(nèi)流過，由于高頻電流的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，在極短的時(shí)間內(nèi)，把電流經(jīng)過區(qū)域的鋼管和鋼帶加熱到呈塑性流狀態(tài)。兩個(gè)待結(jié)合的金屬表面在頂鍛力的作用下形成牢固的焊縫。隨著鋼管連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)和軸向移動(dòng)，以及鋼帶的同步輸入，鋼帶就形成繞焊在鋼管上的翅片。如圖1所示。
目前，國內(nèi)生產(chǎn)高頻焊螺旋翅片管企業(yè)的生產(chǎn)線自動(dòng)化程度水平較低，在控制系統(tǒng)方面大多是采用繼電器，接觸器強(qiáng)電的一般邏輯順序控制。其生產(chǎn)線牽引纏繞機(jī)頭的牽引和旋轉(zhuǎn)合用一個(gè)電機(jī)。電機(jī)旋轉(zhuǎn)，有兩個(gè)輸出，一個(gè)是直接帶動(dòng)鋼管旋轉(zhuǎn)，一個(gè)是通過傳動(dòng)齒輪，拖動(dòng)鋼管及附件做直線運(yùn)動(dòng)。螺距的變化調(diào)整，是通過很多組備用齒輪組及齒輪箱共同調(diào)節(jié)，而且，螺距受齒輪比的限制，為有限個(gè)量級(jí)，不能達(dá)到無級(jí)設(shè)定，往往不能滿足客戶的要求，達(dá)不到*佳的焊接速度，時(shí)常出現(xiàn)質(zhì)量問題。
為此，很有必要在高頻焊螺旋翅片管生產(chǎn)中加強(qiáng)控制功能，提高控制精度。從而，達(dá)到**控制焊接速度，提高工效，降低廢品率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，更好地滿足客戶的要求。
2 控制系統(tǒng)的組成及工作過程原理
本控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖2所示。我們是以美國A-B公司的SLC500可編程控制器(PLC)為控制核心，它的特點(diǎn)是運(yùn)算精度高，響應(yīng)速度快，16K的程序內(nèi)存空間，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾能力；有豐富的輸入/輸出口，*多控制960個(gè)I/O點(diǎn)。豐富簡單的集成指令，更具有高級(jí)數(shù)學(xué)運(yùn)算功能——三角、PID、指數(shù)、浮點(diǎn)運(yùn)算以及各種運(yùn)算指令。并可運(yùn)用內(nèi)置的RS-232通道和上位機(jī)進(jìn)行通訊。該控制器性能可靠，維護(hù)量小，編程方便、靈活，可用功能圖、梯形圖和語句表進(jìn)行單獨(dú)或綜合編程，完成各種不同的控制要求。它負(fù)責(zé)焊接工藝的電氣邏輯控制，包括各焊接設(shè)備的狀態(tài)檢測、速度檢測；執(zhí)行邏輯、算術(shù)運(yùn)算；輸出控制執(zhí)行指令，完成對(duì)焊接啟停控制，各電磁閥及狀態(tài)過程控制等。操作員終端是操作員直接輸入相關(guān)參數(shù)的人機(jī)接口界面，我們選用A-B公司高性能小型平面型設(shè)計(jì)的PanelView550，它的特點(diǎn)和功能是：預(yù)組態(tài)符號(hào)和動(dòng)態(tài)目標(biāo)使畫面組態(tài)變得很容易，鍵盤終端或觸摸屏和鍵盤的組合終端為操作員提供了方便靈活的數(shù)據(jù)輸入途徑，操作員通過使用10個(gè)可組態(tài)的功能鍵和一個(gè)數(shù)據(jù)鍵盤進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入，或簡單地點(diǎn)觸摸屏上的圖標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。通過DH-485通道，PanlView550操作員終端能直接接入SLC500處理器，能直接訪問SLC500的數(shù)據(jù)文件，減少了梯形圖的編程。
首先我們根據(jù)實(shí)際工藝要求確定SLC500的I/O，選擇合適的CPU，內(nèi)存模塊及I/O模塊。運(yùn)用上位機(jī)軟件RSLogix500梯形圖編程軟件對(duì)I/O進(jìn)行組態(tài)和編程，通過RS-232通道和下位機(jī)SLC500進(jìn)行通訊，再利用PanelBuilder1400e軟件編輯操作員終端的人機(jī)接口界面(HMI)，把編輯好的參數(shù)文本框、按鈕、指示燈、報(bào)警畫面等，在PanelView550和SLC500之間建立DH-485通道通訊，這樣操作員終端的人機(jī)接口界面就可直接控制SLC500處理器及相關(guān)I/O模塊。
系統(tǒng)工作設(shè)有自動(dòng)/手動(dòng)2種控制方式，由選擇開關(guān)轉(zhuǎn)換。焊接電機(jī)速度、液壓站電磁閥等檢測信號(hào)串聯(lián)輸入到SLC500，作為SLC500啟動(dòng)焊接開始的聯(lián)鎖條件，從而保證系統(tǒng)在正常條件下工作。控制面板上設(shè)有故障復(fù)位、急停等按鈕，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生緊急故障時(shí)，可按急停按鈕終止所有設(shè)備運(yùn)行；當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障或工藝參數(shù)不正常時(shí)，由SLC500控制對(duì)應(yīng)的指示燈亮且蜂鳴器報(bào)警，僅當(dāng)故障排除后，才能有效通過蜂鳴器復(fù)位按鈕消除報(bào)警聲，用指示燈復(fù)位按鈕復(fù)位指示燈。
3 變頻調(diào)速控制
保證兩個(gè)電機(jī)之間具有一定的速度比，常采用機(jī)械傳動(dòng)剛性聯(lián)接裝置來實(shí)現(xiàn)。但根據(jù)實(shí)際需要考慮采用獨(dú)立控制的非剛性聯(lián)接傳動(dòng)方法。利用SLC50和變頻器實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)間速度保持一定速度比的控制方法。
用變頻調(diào)速器帶動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，即牽引電機(jī)和旋轉(zhuǎn)機(jī)電是相對(duì)獨(dú)立的。目的是使翅片螺距可根據(jù)用戶要求達(dá)到無級(jí)調(diào)整。用公式從理論上來推算過程如下：
設(shè)n—旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min）
υ軸—牽引電機(jī)行進(jìn)速度(mm/s)
p—螺距(mm)
Φ—鋼管直徑(mm)
υ線—焊接速度(mm/s)
ω—旋轉(zhuǎn)電機(jī)角速度(rad/s)
ω＝2πn/60 (1)
ω／2＝υ切 (2)
pω／2π＝υ軸 (3)
由以上四個(gè)公式可得出一個(gè)結(jié)論：在定管徑和定螺距的情況下，υ線與n及υ軸均為線性關(guān)系。受高頻焊極及焊合率的限制，υ線的范圍是有限的，一般在250～350mm/s。根據(jù)客戶的使用要求，螺距p:4～20mm，管徑：21～219mm，可以推算出ω及υ軸的范圍和極限速度。
根據(jù)以上的理論推算，分別選用合適的電機(jī)，每個(gè)電機(jī)加一個(gè)變頻調(diào)速器來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。利用旋轉(zhuǎn)編碼器1和旋轉(zhuǎn)編碼器2分別采集上述兩個(gè)電機(jī)的脈沖信號(hào)，并送到SLC500的高速計(jì)數(shù)口。以這兩個(gè)速度信號(hào)數(shù)據(jù)為輸入量，進(jìn)行比例積分(PI)控制算法，運(yùn)算結(jié)果作為輸出信號(hào)送SLC500的模擬量模塊，經(jīng)上下限處理后，存儲(chǔ)于某個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)中，經(jīng)計(jì)算后的值，送到模擬量輸出通道，經(jīng)過上下限標(biāo)定后，換算成變頻器能接受的電流或電壓信號(hào)，以控制高頻焊接電機(jī)的變頻器。這樣，就可以保證旋轉(zhuǎn)速度跟蹤牽引速度的變化而發(fā)生變化，使兩個(gè)速度保持同步。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無級(jí)設(shè)定螺距。
4 軟件設(shè)計(jì)
采用狀態(tài)設(shè)計(jì)法編制控制程序梯形圖：根據(jù)高頻焊螺旋翅片管生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝流程，首先對(duì)各主體設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)分配中間變量作標(biāo)記；確定各狀態(tài)的先后次序及聯(lián)鎖關(guān)系；明確系統(tǒng)所要涉及到的輸入、輸出量，畫出SCL500各輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的邏輯關(guān)系；再由邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)化為梯形圖。該程序分別由液壓站控制、變頻調(diào)速控制、過程監(jiān)控、故障診斷等功能塊組成。翅片焊接過程時(shí)間雖短，但條件多，動(dòng)作復(fù)雜，為此，將系統(tǒng)的運(yùn)行和故障聯(lián)鎖全部由SLC500來控制，以提高系統(tǒng)的可靠性；在軟件設(shè)計(jì)中適當(dāng)添加聯(lián)鎖條件，使各動(dòng)作間嚴(yán)格確保相互約束或時(shí)序關(guān)系；建立合適的狀態(tài)標(biāo)志位，設(shè)置識(shí)別及處理故障的能力。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制流程圖如圖4所示。
5 結(jié)束語
本控制系統(tǒng)運(yùn)用SLC500為控制核心，體現(xiàn)了其操作簡單、維護(hù)容易、可擴(kuò)展等諸多優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)也取代了傳統(tǒng)繼電器的復(fù)雜控制。利用SLC500對(duì)高頻焊螺旋翅片管生產(chǎn)線的自動(dòng)控制，大大提高了生產(chǎn)線的運(yùn)行可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量，由于PanlView550操作員終端的靈活性，可在現(xiàn)場改變產(chǎn)品的工藝參數(shù)，更好地滿足客戶對(duì)產(chǎn)品的多種要求。
參考文獻(xiàn)
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