1 引言

　　高頻焊螺旋翅片管是目前國(guó)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(pán)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(kāi)啟后，高頻電流通過(guò)饋電系統(tǒng)在鋼管和鋼帶很小的范圍內(nèi)流過(guò)，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(guò)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(guó)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(guò)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(guò)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(wú)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(wèn)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(guò)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(guó)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(jiǎn)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(yǔ)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(cè)、速度檢測(cè);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(guò)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(huà)面組態(tài)變得很容易，鍵盤(pán)終端或觸摸屏和鍵盤(pán)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(guò)使用10個(gè)可組態(tài)的功能鍵和一個(gè)數(shù)據(jù)鍵盤(pán)進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入，或簡(jiǎn)單地點(diǎn)觸摸屏上的圖標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)DH-485通道，PanlView550操作員終端能直接接入SLC500處理器，能直接訪問(wèn)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(guò)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(huà)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(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換。焊接電機(jī)速度、液壓站電磁閥等檢測(cè)信號(hào)串聯(lián)輸入到SLC500，作為SLC500啟動(dòng)焊接開(kāi)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(guò)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(lái)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(wú)級(jí)調(diào)整。用公式從理論上來(lái)推算過(guò)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(lái)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(guò)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(wú)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(huà)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(guò)程監(jiān)控、故障診斷等功能塊組成。翅片焊接過(guò)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(lái)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(yǔ)

　　本控制系統(tǒng)運(yùn)用SLC500為控制核心，體現(xiàn)了其操作簡(jiǎn)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(chǎng)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。