基于PLC和触摸屏的长U弯管机控制系统设计及实现.pdf

Sheji yu Fenxi设计与分析基于PLC和触摸屏的长U弯管机控制系统设计及实现尚玉廷1,2.3（1.广州番禺职业技术学院智能制造学院，广东广州5114 8 3;2.珠海格力电器股份有限公司，广东珠海5190 0 0；3.珠海格力智能装备有限公司，广东珠海5190 0 0)摘要：为控制弯管机速度，使长U弯管机在次品率降低的前提下又快又好地弯制出所要求角度的长U管，设计了长U弯管机控制系统。详细分析了长U弯管机控制系统的设计方案，详细阐述了长U弯管机系统的电气元器件选型、电气原理图绘制、PLC程序设计、触摸屏界面程序设计。实际运行中测得伺服电机的实际负载率，有效监测了设备使用情况。该控制系统解决了因弯管机速度控制不当引起的管径开裂、管壁厚度不均等缺陷，能够实现手动、转机和自动连续生产，弯制过程中各参数稳定，受人为因素影响少，弯制出的长U管外观平整一致，U管的稳定性及褶皱等参数能满足技术要求，生产效率高，极大地降低了生产成本。关键词：长U弯管机；热交换器；PLC；触摸屏；程序设计图1长U弯管机整体图中图分类号：TP273D01:10.19514/32-1628/tm.2023.20.0090引言长U弯管机是制冷行业热交换器用U管的特种加工设备，可实现铜管盘料放料、校圆校直、定长切割弯制。长U管是制冷系统中冷媒循环流通的主要通道，其加工精度、质量一致性是确保制冷系统密闭性的关键。由于弯管工艺对其折弯机构的模具和运行速度都有较高要求，所以弯管机对铜管弯制过程中速度的控制要求相当高!。在弯管成型过程中常会因速度控制不当引起管径开裂、管壁厚度不均等缺陷，因此有必要设计一个程序去控制弯管机速度，使其在次品率降低的前提下又快又好地弯制出所要求角度的弯管。1长U弯管机结构设计长U弯管机整体图如图1所示，主要包括机械部分和控制系统部分。长U弯管机主要结构组成如图2所示，包括校圆校直机构、送料机构、切割机构、折弯退管机构、导料机构、料架机构等。2控制系统的PLC硬件设计长U弯管机控制系统由3个伺服电机（折弯电机、退管电机、机架移动电机）、2 个普通电机（送料电机、切割旋转电机）、1个液压电机（控制靠模、夹模、抽芯项目来源：广州番禺职业技术学院校级科研项目(2022KJ08)文献标志码：A文章编号：16 7 1-0 7 97(2 0 2 3)2 0-0 0 31-0 7折弯退管机构图2 长U弯管机组成电磁阀）、2 个变频器（控制送料电机和切割旋转电机）、3个平移皮带电机、送料压紧气缸（8 个）、刀架前移和后退气缸、退料套复位气缸、操作台和控制监视系统组成。长U弯管机控制系统整体图如图3所示。2.1PLC外围硬件设计电源部分采用单回路供电模式，电控柜主要是校圆校直机构送料机构导料机构切割机构料架机构机电信息2 0 2 3年第2 0 期总第7 16 期31设计与分析Sheji yuFenxi伺服驱动器1伺服驱动器2脉冲+方向伺服驱动器3-机架移动电机变频器1送料电机变频器2切割电机主控电磁阀接触器靠模电磁阀下位机液压电机汇川上位机H3UMT8071iE触摸屏给PLC、触摸屏、伺服驱动器、伺服电机、变频器、开关电源供电，同时用来进行缺相、短路、过载、过流、掉电欠压保护。设备装有两对安全光栅确保操作人员的安全，在主控台上安装一个急停开关，在长U弯管机的四个角上各安装一个急停开关，以确保出现异常时在各个位置都能迅速按下急停按钮。为了员工操作方便，设备采用按钮和触摸屏进行手动控制 2 。长U弯管机操作平台图如图4 所示。GGREE手动横式刀后租图4 长U弯管机操作平台图折弯电机退管电机夹模电磁阀系列抽芯电磁阀PLC控制器1/O控制图3长U弯管机控制系统整体图退料进2.2FPLC选型和I/O分配根据所需的I/O点数和具体PLC控制系统的功能要求，选择类型合适的PLC，需要考虑PLC的机型、存储容量、电源模块和其他功能模块等。在考虑PLC机型时，在满足系统功能的前提下，选择最可靠、使用和维护方便、性价比最优的机型 3。长U弯管机是控制过程比较复杂、控制功能要求较高的系统，因此选择了汇川H3U系列PLC。长U弯管机I/O分配表如表1所示。3#控制系统的PLC软件设计刀架移动气缸3.1系统控制流程图送料压紧气缸根据控制对象和控制要求对PLC进行编程。在进刀气缸磁性开关退料套气缸接料气缸传感器三色指示灯PLC程序设计阶段一般先画出程序流程图，再编写程序。根据长U弯管机控制系统工艺要求和具体情况，确定程序的逻辑流程图如图5所示。3.2PLC控制程序设计PLC软件设计是根据长U弯管机工艺和控制要求，将控制任务和过程分解为许多子过程和子任务，再对各个子过程和子任务进行模块设计、功能说明，形成一个模块化的程序结构 4 。由于工艺比较复杂，本程序采用主子程序模块化顺序结构进行编程，程序包括程序密码、回零点动、手动模式、自动模式、机架移动、喷油喷气、指示灯、输出等几大部分 5。系统各种子程序均由主循环程序调用执行，按事先输入的控制程序实现自动控制，系统编程灵活，修改程序方便，仅需修改子程序梯形图即可改变控制功能，便于现场维护管理，使弯管机运行安全性和可靠性得到了大幅提高。3.2.1程序框架结构程序总体分为：程序密码、伺服电机手动（伺服回零、伺服点动部分、伺服手动部分）、普通电机手动、气缸手动、自动模式、喷油喷气、指示灯、输出等几大部分 6 。围绕这几大部分编写程序，力求框架清晰，看程序时一目了然。长U弯管机程序框架图如图6所示。3.2.2主要程序介绍送料部分子程序包括送料高速进，到达减速长度以后再低速送料，送料到位传感器检测到位后停32机电信息2 0 2 3年第2 0 期总第7 16 期Sheji yuFenxi设计与分析表1长U弯管机I/0分配表输入注释（名称用途）X3折弯电机报警X4退管电机报警X5机架移动报警X6折弯处光电检测X7切割光电检测X12折弯退极限/原点检测X13退管原点检测X15刀架前移检测X16刀架后移检测X17抽芯始位检测X20折弯保护检测X21温度检测X23液位检测1（低）X24光电保护1#检测X25光电保护2#检测X26送料1到位检测X27送料2 到位检测X30送料3到位检测X31送料4 到位检测X32送料5到位检测X33送料6 到位检测X34送料7 到位检测X35送料8 到位检测X36无料1#检测X37无料2#检测X40无料3#检测X41无料4#检测X42无料5#检测X43无料6#检测X44无料7#检测X45无料8#检测X46液压电机报警X47自动启动X50自动停止X51自动暂停X52紧急停止X53手动/自动选择X54送料进手动输入注释（名称用途）X55送料退手动X56刀架前移手动X57刀架后移手动X60退管进手动X61退管退手动X62进刀手动X63退刀手动X64夹具手动X65夹具退手动X66折弯进手动X67折弯退手动X70抽芯手动进X71抽芯退手动X72接料进手动X73接料退手动X741#退刀检测X752#退刀检测X763#退刀检测X774#退刀检测X1005#退刀检测X1016退刀检测X1027#退刀检测X1038#退刀检测X104送料电机变频器报警X105切割电机变频器报警X111退管后限位检测X124液压油温度过高检测X123急停2X120液位上限X22机架原点检测X112退管前限位X121机架平移电机后限位X14机架前移检测X10接料架防撞检测X1062#接料退检测X113#接料退检测X1071#接料架下位检测输出注释（输出设备）输出注释（输出设备）YO折弯电机PP30Y1退管电机PPY3折弯电机NPY4折弯电机CRY5退管电机NPY6CRY10机架移动CRY11送料电机正转启动Y60Y12送料电机反转启动Y62Y13送料高速Y14送料低速Y15切割电机Y16刀头电机高速Y17刀头电机低速Y20液压电机Y21抽芯进电磁阀Y23夹模上Y24夹模下Y25刀架前移电磁阀Y74Y26刀架后移电磁阀Y75Y27刀头喷油电磁阀Y76Y30刀头喷气Y31送料1#压紧电磁阀Y100Y32送料2#压紧电磁阀Y101Y33送料3#压紧电磁阀Y102Y34送料4#压紧电磁阀Y104Y35送料5#压紧电磁阀Y105Y36送料6#压紧电磁阀Y106Y37送料7#压紧电磁阀Y110Y40送料8#压紧电磁阀Y112Y411#抽芯喷油电磁阀Y114Y422#抽芯喷油电磁阀Y115Y433#抽芯喷油电磁阀Y107Y444#抽芯喷油电磁阀Y111Y455#抽芯喷油电磁阀Y61Y466#抽芯喷油电磁阀Y116Y477#抽芯喷油电磁阀Y103Y50Y51Y52Y53Y54Y55Y56Y57Y63Y64Y65自动启动/停止指示灯Y66送料进按钮指示灯Y67送料退按钮指示灯Y70折弯进按钮指示灯Y71折弯退按钮指示灯Y72夹具按钮指示灯Y73退管进按钮指示灯退管退按钮指示灯进刀电磁阀退料套电磁阀Y77换模上移电磁阀平移皮带1平移皮带2平移皮带3低压电磁阀液压风机主控液压阀靠模上自动加油电磁阀注油排气3#接料电磁阀1#接料电磁阀2#接料电磁阀加油阀自动加油排气阀8#抽芯喷油电磁阀1#抽芯喷气电磁阀2#抽芯喷气电磁阀3#抽芯喷气电磁阀4#抽芯喷气电磁阀5#抽芯喷气电磁阀6#抽芯喷气电磁阀7#抽芯喷气电磁阀8#抽芯喷气电磁阀红色指示灯绿色指示灯黄色指示灯机电信息22023年第2 0 期总第7 16 期33设计与分析Sheji yuFenxi系统上电系统初始化系统自检控制系统伺服电机系统气压通信状态连接状态供给状态故障处理T否自检成功是否自动模式?是选择铜管型号进料、折弯、退料、接料信号采集、处理人机界面显示信号信号正常否声光报警是结束？是退出系统止送料。切割部分子程序包括切割高速进，快要切断时切割低速进，到达设定的切割时间后停止切割。折弯、退管、接料部分子程序包括折弯高速进，到达减速角度以后再折弯低速进，折弯进到位后，夹模、靠模松开，接料气缸上升，抽芯退出长U管底部，准备卸料。此时退料电机前移将长U管退到接料气缸上，接料气缸下降并到位，折弯高速退，到达减速角度后折弯低速退到位，传送带卸料完成。3.2.3动作互锁程序为防止操作过程中的误动作，进行了互锁程序的设计，主要如下：(1)先夹模、靠模，同时刀架必须后移到位，芯杆动作后才能进行折弯操作。(2)松开夹模、靠模及把模具退管机构返回到设定位置后，同时刀架后移到位，接料机构退回到位，折弯电机退管电机平移电机送料电机切割电机液压电机5种气缸正转反转前进后退前进后退前进后退进刀退刀电磁阀动作前进后退故障故障显示处理图5PLC控制系统控制流程图即接料退始位检测开关检测到位，模具内没有管才可进行折弯退操作。(3)送料过程中不能夹模、靠模，不能进行进刀等操作。(4)进刀过程中不能执行刀架前移、后移、送料等动作。(5）只有在刀架前移到位后才可进行进刀操作。(6)进刀时或退刀未全部到位时，不能进行送料进或退操作。(7)先松开夹模、靠模折弯进到位，折弯角度170以上，才可执行退管操作。3.2.4故障报警众所周知，设备安全是重中之重，操作信号和保护信号均引入PLC控制系统，这些参数和信号与操作控制相关内容进行逻辑运算，最后产生控制指令 7 。将这些参数和信号送监视器显示故障类型并控制声34机电信息2 0 2 3年第2 0 期总第7 16 期Sheji yu Fenxi设计与分析工程管理汇J川1.3米长U机 H3U中国程序块中-口MAIN网络1数据网络2 送料夹紧等网络3送料电磁阀网络4 自动计时网络5原位状态网络6 伺服动作指令申口SBR_001设备各级进入密码国网络1机架原点密码设置网络3机架移动密码设置网络2 折弯原点密码设置口网络4 退管原点密码设置申口SBR_002折弯退管回零点动网络1伺服回零回网络2 折弯伺服点动网络3退管伺服点动申口SBR_003手动模式网络1送料点动网络2 刀架点动目网络3刀头电机手动网络4 夹模、靠模手动网络5抽芯网络6 折弯手动国网络7 退管手动口网络9手动互锁条件网络8 接料电磁阀申-口SBR_004自动模式网络1自动总启动、自动暂停网络2 靠模、夹模口网络3送料口网络4 刀架、进刀网络5折弯、退管、接料申口SBR_005机架移动网络1机架移动画面及数据网络2 机架前移到位、后移到位口网络3机架移动报警网络4 机架点动网络5机架手动图6 长U弯管机程序框架图光报警。长U弯管机报警程序框架如图7 所示。白SBR_009报警一目网络1联锁类报警一目区网络2 刀头次数到达不能走自动-报落网络3电机报警网络4 无料报警（全部和单道）目网络5光栅报警网络6 刀头使用次数到达报警目网络7 液压油温度过高报警网络8 刀架、退刀报警网络9折弯光电、刀头光电报警目网络10 计数报警网络11折弯保护检测报警网络12 送料超时报警网络13液位检测报警目网络14 D10报警网络15D1报警图7 长U弯管机报警程序框架4控制系统组态画面设计为使长U弯管机手动调试、自动运行、参数设置等操作更为方便、直观，采用威纶通MT8071iE触摸屏配合操作台按钮进行控制，采用EasybuilderPro软件设计了图形操作界面，可用于数据显示和参数设置，扩展了PLC的功能，减少了按钮、开关、仪表等仪器的使用 8 。当触摸屏上的按钮被按下时，触摸屏会给PLC发送按钮信息，PLC收到数据后执行显示实时参申口SBR_006喷油喷气自动加油口网络11#芯杆喷油喷气网络2 2#芯杆喷油喷气网络33#芯杆喷油喷气网络4 4#芯杆喷油喷气网络55#芯杆喷油喷气网络6 6#芯杆喷油喷气网络7 7#芯杆喷油喷气网络8 8#芯杆喷油喷气网络9喷油周期设定网络10 刀头喷油、喷气网络11自动加油申口SBR_007指示灯网络1红色指示灯网络2 绿色指示灯网络3黄色指示灯申-口SBR_008输出口网络1送料电机正反转、高低速网络2 送料高低压网络3切割电机网络4 送料1-8#电磁阀口网络51-3#接料电磁阀和平移皮带网络6 液压系统抽芯、靠模、夹模网络7 液压风扇一网络8 刀架、进刀白-SBR_009报警网络1联锁类报警网络2 刀头次数到达不能走自动-报警网络3电机报警口网络4 无料报警（全部和单道）国网络5光栅报警网络6 刀头使用次数到达报警网络7 液压油温度过高报警网络8 刀架、退刀报警网络9折弯光电、刀头光电报警网络10 计数报警网络11折弯保护检测报警网络12 送料超时报警网络13液位检测报警网络14 D10报警一回网络15D1报警三数、控制执行机构等指令 9。触摸屏界面实现功能如下：(1)在手动调试操作界面下，手动操作实现折弯电机、退管电机、机架平移电机、液压电机、送料电机、切割电机的点动和手动操作以及各个气缸的动作。(2)在自动运行操作界面下实现长U管的正常弯制功能，在自动运行过程中，可以随时按暂停按钮停止，停止后再按自动启动按钮启动，并对长U管规格进行存储，设置弯制速度、模拟运行等参数。(3)在线监控与报警功能。实现折弯电机、退管电机、机架平移电机的在线状态监控和对各伺服电机的限位、液压电机报警、变频器报警以及在操作过程中操作方法不对进行相应的提示报警、各种故障报警等功能。由于程序设计界面较多，仅以主要界面为例。手动模式界面如图8 所示，参数设置界面如图9所示，速度控制界面如图10 所示，自动模式界面如图11所示。GREE格力手动模式参数设置当前角度：0.00当前长度：0.00点动折弯进点动折弯退液压启动CGREE格力折弯退管参数调整喷油设置程序参数传送带51伺服电机的负载率由于伺服电机的正常使用条件是年平均环境温送料选择芯杆喷油刀头喷油刀头喷气mm点动靠模夹紧靠模松开央模夹紧夹模松开液压关闭刀头电机启动刀头电机停止图8 手动模式界面参数设置速度设置机架移动折弯原点退管原点保持架液压站换模操作返回图9参数设置界面退管进点动退管退机电信息2 0 2 3年第2 0 期总第7 16 期35设计与分析Sheji yu Fenxi依据。在设备运行过程中，采集了各伺服电机的负载口折弯速度500mmL500L折弯速度设置进0%0%0%退0%0%0%进加速0ms0ms0ms进减速0ms0ms0ms退加速0ms0ms0ms退加速0ms0ms0ms图10折弯速度界面设置CGREE格力自动模式0.0次分始位油位液压运行单循环状态报警温度指示循环运行投入液压启动液压关闭度30，平均负载率8 0%以下，日运行时间2 0 h以内，因此伺服电机的负载率是评判电机选型的重要InoServoshop4.10开始参数管理(M)试运行(S）监视(O）辅助功肥（U）调试向号()电子凸轮(E）查看M）室口（)借高（L）风格()）格助（HO新虚拟示波器250.001000-0R平均负裁率（HOB12)2.00,0001000m+00R1.50,000 1000+00R10,00:1000m00R0,0030000n+00750.0000.000-100,00010000n+007-10,00010000n+00R2.00,000.:0000#+00R250,00010000+008钱柜招今（%）CH1:32-位蓝采集速度采集SGGREE格力退管电机速度设置下一页上一页返回气压/速度高压高速模拟运行计数监控始位状态自动停止自动暂停图11自动模式界面2000.00.0通道1平均员钱率（HOB12）W率数据。5.1折弯电机负载率折弯进90%、折弯退10 0%，加减速时间50 0 ms，管长116 5cm时负载率如图12 所示。5.2机架移动电机负载率机架移动电机负载率如图13所示。5.3退管电机负载率退管电机退管速度90%，加减速时间30 0 ms时负载率如图14 所示。由以上三个电机的数据可知，伺服电机的实际运行负载率都在8 0%以下，满足伺服电机长时间运行的正常使用条件。6结论长U弯管机控制系统解决了因速度控制不当引起的管径开裂、管壁厚度不均等缺陷，能够实现手动、转机和自动连续生产，弯制过程中各参数稳定，受人为因素影响少，弯制出的长U管外观平整一致，送料控制U管的稳定性及褶皱等参数能满足技术要求，生产效率高。长U弯管机的成功研发使公司拥有了自已的核心技术，摆脱了对外部厂家的依赖，大大减少了制造成本，在公司长U弯管机设备整体更新换代过程中必4000.06000通通2通通3Frutt二图12 折弯电机负载率4000.0003000.002.000.000100.0000.00-1000.0002000.00030.000-4000.0005000.0008000.01000.0速磨反（rm）600.000口通道4时间轴转矩指令（）连度反馈（p）设盟和运行采祥100X100:0us每格A11触发条件5单次果样下午3:0 72018/10/24星期三36机电信息2 0 2 3年第2 0 期总第7 16 期Sheji yuFenxi设计与分析InoServoShop4.10开参数管理M0诚课行监现(O）辅防功能（）网试向导0 0 电子的白香）曲口）请言（）风临)）精动0）新盛拟示波器回X27.00026.00025.00n24.00028.00n22.00n21.00020.0019.0001R.00KH132位质采集速康采集InoServoShop4.10开参数管理M）城行（S）监视（）请防功能（U）#试向学0 电子台轮（）查香(M#口W请高）风信）雅动0 作2000.0平均员数来（HOB12）4000.0.通道2ULL6000.0通道3转柜搭令（）回示图13林机架移动电机负载率8000.0通道4速度及摄（rp）星示L100000时间拍设照和造行100X100:0u脱发条件每格A11单次采祥2018/10/24星期三下年3:13X新燃拟示波器45,00040:00na5.non25.0002n.n0015:00010.0002000通道1CH1:32平均员款率（格0 8 12)位置采违康采集SeWI将发挥更大的作用。参考文献1李明，李丽娟，杨松，等.全自动液体定量灌装机控制系统设计 J.包装工程，2 0 13,34(5)：7 8-8 1.2张强，黄应强.基于触摸屏的灌装生产线控制系统设计J.机电信息，2 0 17（12)：117-118.3刘宝华，蔡志为.双头伺服驱动容积式灌装机设计J.包装工程,2 0 17,38(5)：6 8-7 1.4邢满荣，张鹏，王晓冬，等.基于PLC和MCGS组态的机械手控制系统的设计J，制造业自动化，2 0 15，37（7）：11-13.5徐亮亮，王正东，于新海，等.气动疏水阀冲蚀工况数值模10000.通渊2通道3ULL转矩指令（）图14退管电机负载率拟及结构优化 J.流体机械，2 0 17，4 5（2)：32-37.6苏晓峰，史启程，刘金颂，等.基于PLC的工业自动化立体仓库控制系统设计J.自动化与仪器仪表，2 0 16（3）：119-121.7刘湘琪，任旭，蔡增伟，等.五自由度电液伺服机械手运动控制系统研制J.机电工程，2 0 17,34（10）：114 4-114 9.8王菊叶，高瑞敏.基于MCGS和PLC的电机测控系统设计J.制造业自动化，2 0 12，34（6)：12 3-12 5.9李宁，唐少琴，边娟鸽.基于组态软件的生产线立体仓库监控系统设计 J.自动化与仪器仪表，2 0 14（7)：6 1-6 3.收稿日期：2 0 2 3-0 6-2 5作者简介：尚玉廷（197 9一），男，山东德州人，高级工程师，研究方向：智能控制系统设计、工业机器人技术及应用。通道4速度反渍（rpm）丑示示每格A11时间轴F100X100:0u设置和行胜发条件单次果样2018/10/24星期三下午3:19机电信息2 0 2 3年第2 0 期总第7 16 期37