工业炉管穿管机控制系统设计说明书.docx
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工业炉管穿管机控制系统设计说明书
本科毕业设计（论文）
工业炉管穿管机控制系统设计
DesignoftheControlSystemofWearMachineforIndustrialFurnace
学院：
机械工程学院
专业班级：
机械设计制造及其自动化机械111
学生姓名：
武全荣
学号：
2011120020
指导教师：
黄大志（副教授）
2015年5月
毕业设计（论文）中文摘要
工业炉管穿管机控制系统设计
摘要：
本设计主要针对卓然靖江生产基地的装配车间的穿管过程进行了分析和改造，同时为其设计了由PLC控制的自动化穿管机构的控制系统部分（机械部分由另一位同学完成）。
通过对比国内多家现有的穿管技术和国外的一些自动化穿管技术的优缺点，我们清晰地意识到企业对这套自动化穿管机构的需求。
因为该机构对位置精度有一定的要求，所以在穿管机移动的两个方向上采用步进电机；考虑到成本问题，对位置精度要求不高的穿管动作就采用普通三相异步电动机。
为了保证穿管过程中翅片管的不被撞坏，本设计还添加了声光一体报警器。
每次当穿管机移动到位后由激光传感器检测并判断，穿管机上的翅片管的圆心是否与管板的孔的圆心重合，如果重合就穿管；否则系统报警并急停，此时就需要采用手动方式加以辅助。
该机构有自动和手动两种操作方式，自动用于正常工业生产，手动用于维修和调试；程序方面，该程序主要由初始化程序、主程序和子程序三部分组成。
该机构一旦应用于现场，不仅可以大大提高穿管工作的效率和可靠性，生产成本也会大大降低，原本需要六七个操作工的工序现在只要一个人即可。
该自动化机构同样适用于其他类似的大型穿管工作环境中，如各种大型炉管的铺设、石油天然气管道的安装等等。
关键词：
穿管机；控制系统；PLC；工业炉
毕业设计（论文）外文摘要
DesignoftheControlSystemofWearMachineforIndustrialFurnace
Abstract:
ThisdesignmainlyaimingattheassemblyshopoftheJingjiangproductionbaseoftheSupeZET’stubewearprocessisanalyzedandmodification,meanwhileIdesignthecontrolsystemwhichismainlycontrolledbythePLCforthewearmachine（mechanicalpartscompletedbyanotherclassmate）.Throughthecomparisonofseveralexistingdomesticandforeignsomeautomatedweartubetechnologyadvantagesanddisadvantages,weclearlyrealizedemandofenterprisefortheAutomationweartubebody.BecausetheMechanismhascertainrequirementsforpositionaccuracy,sothewearmachinemovebothdirectionsusingstepmotor;Consideringthecostproblem,fortheweartubelocationwhoseaccuracyisnothigh,weuseaordinarythree-phaseasynchronousmotormovement.Inordertoguaranteethefinnedtubeintheprocessofweartubewillnotbedamaged,thisdesignalsoaddedsoundandlightalarm.Atatimewhenwearingmachinemovingisokaybyalasersensordetectionandjudgment,whethertowearthefinnedtubeonthemachine'scenterandthecenteroftheholeofthetubeplate,ifoverlappingweartube;Otherwisethesystemalarmandstop,thistimeitwillneedtousemanualwaytoassist.TheMechanismhasbothautomaticandmanualoperationmode,automaticfornormalindustrialproduction,manualformaintenanceanddebugging.Fortheprogram,theprogramismainlycomposedofinitializationprogram,themainprogramandsubroutineofthreeparts.Oncetheapplicationinthefield,itwillnotonlygreatlyimprovetheefficiencyandreliabilityofwearpipework,butgreatlyreduceproductioncost.Originallyitneedssixorsevenoperatorinthisprocess,butitneedsonlyonepersonnow!
.Theautomaticmechanismalsoapplytoothersimilarlargepipeworkenvironment,suchasvariouslargefurnacepipelaying,oilandgaspipelineinstallation,andsoon.
Keywords:
Wearmachine；Controlsystem；PLC（ProgrammableLogicController）；IndustrialFurnace
1绪论…………………………………………………………………………………1
1.1课题背景及研究意义…………………………………………………………1
1.2工业炉穿管技术简介………………………………………………………1
1.3国内穿管技术发展概况……………………………………………………2
1.4国内主要研究方向…………………………………………………………2
1.5电气控制系统…………………………………………………………………2
1.6PLC概述………………………………………………………………………2
1.7课题来源和主要内容…………………………………………………………2
2.工业炉穿管机的PLC控制系统整体方案…………………………………………3
2.1目前国内的穿管方式和优缺点方案…………………………………………3
2.2本设计的整体研究和设计方案………………………………………………3
2.3工艺过程与控制要求………………………………………………………4
2.4工艺流程图…………………………………………………………………5
3.电机和报警器的设计与选型……………………………………………………8
3.1竖直Z方向步进电机的选型分析………………………………………………8
3.2水平Y方向步进电机的选型分析………………………………………………9
3.3前后X方向步进电机的选型分析……………………………………………10
3.4声光一体报警器……………………………………………………………10
4.电气控制系统设计………………………………………………………………13
4.1电气控制系统方案设计………………………………………………………13
4.2主控电路设计…………………………………………………………………13
5.PLC系统设计…………………………………………………………………15
5.1PLC系统总体方案及主要元器件选型…………………………………………15
5.2PLC系统硬件结构及电路设计…………………………………………………16
5.3PLC程序设计………………………………………………………………17
结论………………………………………………………………………22
致谢…………………………………………………………………………………23
参考文献……………………………………………………………………………24
1.绪论
1.1.课题背景及研究意义
当今社会已经到了一个能源危机的时代，如何能发现优质、廉价、丰富的新能源或者如何把现有能有更充分地利用起来，已经成为当今时代的难题。
虽然新能源在不断地被发现，新的工艺在不断地被开发，但是煤、石油、天然气依然是现在社会的三大主要能源，“石油是工业的血液”这句话依然是那么贴切。
工业炉是一种专门用来炼制原油的设备，在石化产业起着举足重轻的作用。
工业原油成分非常复杂，如何将各种成分顺利地分离并且尽量的提高纯度是一个技术问题；原油的各种分离提纯物中，汽油、柴油等轻油的利用价值更高，如何使同量的原油分离出更多的轻油也是一个技术问题。
而工业炉就在后一个问题中给出了最好的答案，原油经工业炉的高温加热后，原油中各种成分因为沸点不同而被成功地分离；而大分子的碳连断开，分解为小分子的碳连，这样就提高了原油中轻油的含量。
由此看来，工业炉便是一个石化企业效益的关键因素。
工业炉的结构，简言之就是几根长长的加热管在炉子内部多次盘旋，原油经过这些管子的时候被加热，然后分离提纯或者裂解为其他成分。
而工业炉的优劣，关键在于其内部的加热管的质量的优劣。
一台完整的工业炉，内部至少有上百根炉管，炉管的质量好坏不仅仅由其制造过程决定，穿管过程也会有很大影响。
把几百斤甚至上千斤重、长10米多的炉管依次穿过预先安装好的管板，是一个繁琐的过程，我们简言之“穿管”。
穿管这个过程在各种热交换器里边很常见，将一系列的管子按预先设定好的空位穿入即可，如空调机、暖气片等热交换器。
但是如果需要装配的管子尺寸和重量巨大，而使穿管过程采用传统的方式不能或者不方便操作时，就给穿管带了困难。
在工业炉的生产过程中也要用到穿管这个过程，不同的就是这个过程中用的管子尺寸大、重量大，一般都是直径200mm左右、长约10米、炉管最重的接近一吨，而且这种庞大的管子多为翅片管。
如何操作才能使穿管这个过程高效可靠，成了一个关键问题。
1.2工业炉穿管技术简介
工业炉主要用于化工企业的石油裂解、制氢等行业。
工业炉的一般结构包括：
辐射段模块、对流段模块、余热回收系统、燃烧器模块、通风系统，决定其性能好坏的就是辐射段和对流段炉管的质量。
辐射段的铸管装配到工业炉中比较简单，只需要简单的悬挂即可，主要是对流段的翅片管。
这些翅片管首先穿插进预先制做好的对流段模块管板中，然后将各个模块装配在工业炉中。
这些翅片管都接近一吨重，现在的普遍做法也是最简单就是先用行车吊起，人工操作到接近管板时，让翅片管的一头先伸入到孔内，再由叉车推送，如此做法将管子一根一根的穿入管板中。
这种方法操作很简单，但是效率低下：
一般的管板都有十几个空位，一般穿入一根管子就需要几分钟，一个模块结束大概需要一个小时；而且可靠性很差，翅片管的翅片很容易在其插入管板孔的时候被推倒而损坏。
1.3国内穿管技术发展概况
随着电子技术的发展和工业自动化的普及，自动化在工业中应用日趋广泛，工业穿管工艺也正在朝着高效、快速、自动化方向迈进。
但是考虑到生产线改造成本巨大，自动化生产线设计、管理和维护方面的人才缺乏，国内的很多小型企业尚未尝试运行自动化生产线。
现在我们对自动化生产线做一个简单分析：
穿管过程运行了自动化生产线后，只需要简单的按键控制，就可以顺利地穿入一根甚至一排炉管。
实现自动化之后，定位精准，完全可以改变现有方法的可靠性问题，大幅度减少管子因穿管而损坏的可能性；自动化操作全过程由自动化控制系统操作完成，效率大大提高，至少可提高4~5倍；而且操作人员需求数量明显减少，只需要个一操作工在控制面板前简单操作即可。
这种控制系统简单易学，只需要简单讲解，便可由操作工完全掌握。
1.4国内主要研究方向
和传统的穿管过程相比，自动化生产线有着明显的优势，所以开发安全、高效、可靠的生产线及控制系统自然成为了国内技术的关键和研究方向，尽快地培养设计、管理和维护自动化生产线的相关人才也成了国内各大高校的时代性任务。
1.5电气控制系统
鉴于PLC具有使用灵活、通用性强，编程简单、易于掌握，可靠性强、适用于各种工业环境，接口简单便于维护等优点，该控制系统采用PLC控制；传感器采用激光传感器；整个系统共3个电动机，穿管用绕线式三相异步电动机，其他两个均采用三项步进电机。
绕线式电机采用串电阻调速，需要一个交流接触器。
用于报警事件，该系统还设计了报警灯和报警喇叭。
1.6PLC概述
传统的自动化生产线大多采用继电器控制，如果控制系统稍微复杂，硬件的物理接线就会非常繁琐，可靠性不好而且维修时必须由专门的技术人员负责；如果生产线发生变化，那么硬控制件系统就要设计和布线，生车间因为产品变化而带来的生产线变化是很常见的，也就是这种传统的生产线硬件接线就要经常变化，这个过程不仅繁琐，而且不需要专门的工程技术人员才能完成，无形中增加了新产品的开发周期和成本。
PLC（ProgrammableLogicalController）又称为可编程逻辑控制器，简称可编程控制器，是20世纪60年代开发出来的一种新型工业自动化控制装置，用来取代传统的继电器控制系统。
如果把上述的这种情况应用于PLC控制系统，就会简单很多。
当生产线发生变化时，只需要对已有的程序稍作修改就好，然后将PLC和各个传感器或者接触器等重新接线就是了，大大降低了工作量，明显缩短了新产品的研发周期，降低了生产成本。
1.7课题来源和主要内容
2015.1.4.-2015.2.17，2015年1月5日——2015年2月7日，以完成毕业实习和进一步强化自己的专业实践能力为目的，在老师的带领下，我和几位同学去了卓然设备制造有限公司（靖江）生产基地（以下简称“卓然公司”）进行了为期一个月的驻厂实习，对卓然公司有了一个较为全面的了解。
工业炉及其各个模块是卓然的主要产品，主要用于化工企业的石油裂解、制氢等行业。
工业炉的一般结构包括：
辐射段、对流段、余热回收系统、燃烧器、通风系统，决定其性能好坏的就是辐射段和对流段的炉管的质量。
炉管质量的优劣不仅仅决定于制作过程，穿管的工艺也对其有很大的影响。
现在的穿管方式是先用行车吊起，人工操作到接近管板时，让翅片管的一头先伸入到孔内，再由叉车推送，如此做法将管子一根一根的穿入管板中。
这种方法操作很简单，但是效率低下：
一般的管板都有十几个空位，一般穿入一根管子就需要几分钟，一个模块结束大概需要一个小时；而且可靠性很差，翅片管的翅片很容易在其插入管板孔的时候被推倒而损坏。
如果能设计一套可靠、高效的自动化穿管机构，不仅仅可以大幅提高效率，而且可以将现有的五六个操作工人缩减为一个操作工人，大大降低生产成本。
2.工业炉穿管机的PLC控制系统整体方案
2.1目前国内的穿管方式和优缺点方案
目前国内大多数企业均采用人工穿管，这种方式优点是操作简单，但是明显的缺点是工作效率低下，可靠性差而且需要六七个操作工和一台叉车协调工作才能完成任务。
2.2本设计的整体研究和设计方案
图2-14X4管板示意图
Y
Z
图2-2穿管示意图
管板圆孔直径φ289mm，翅片管外径φ269mm，单边余量10mm。
水平移动最大距离1470mm，竖直移动最大距离1050mm。
穿管顺序有两种方案：
一是可以按照图2-2所示编号依次穿管，二是可以先穿管1、2、3、4、9号五根管子，其他的然后依次穿管。
2.3工艺过程与控制要求
2.3.1工艺过程与控制要求
如图2所示，穿管架能够实现在Y-Z平面内的移动，可以把炉管移动至将要穿入的各个孔位，因为该过程需要炉管与孔位的圆心实现精准重合，所以在Y-Z两个方向上的移动，均由步进电机驱动；炉管在滚轮的带动下能够向右运动，实现穿管，穿管过程不需要精准控制，所以采用普通电机即可。
考虑到辊子高速启动会使炉管在辊子上“打滑”，所以采用绕线式三相异步电动机串电阻调速，该方法较变频器调速设计简单。
每次穿管前必须对炉管是否已经对准孔位的圆心进行判断，如果对准了就穿管；如果没有对准就报警，并停车，可以手动调节直至对准圆心也可以手动调节回原点。
动作过程大概可以分为五个步骤：
回原点、等待、移动至对准圆心、穿管于这
穿管顺序的问题，我想过两种方案：
方案一，
从YZ交点处开始，从左向右依次穿管，四根穿管完成后从下向上依次完成第二排、第三排和第四排的穿管。
这种穿管顺序最容易想到，但是在后续的自动穿管过程中出了问题。
比如，初始是对准圆心的，所以可以直接穿1号管；后边的2号、3号和4号3个就可以按照“回原点、等待、右移、穿管、左移”的顺序循环，但是到了第二排的时候就变了“回原点、等待、右移、上移、穿管、下移、左移”，而到了第9号管子的时候却是“回原点、等待、上移、穿管、下移”。
这就给后边的自动循环过程产生了麻烦。
方案二
从YZ交点处开始，从左向右依次穿管，四根穿管完成后再给第9号孔位穿管。
把这5根炉管穿管结束后，剩下的11根就可以按照“回原点、等待、右移、上移、穿管、下移、左移”的顺序循环了。
综合比较两个方案，该控制系统选用第二种穿管顺序。
开始时，穿管架停在YZ交点处，由三个激光传感器检测穿管架上的炉管是否对准了孔位的圆心（如图3），如果对准了，就穿管；如果没有对准，就报警，之后手动调节直至对准圆心，
图2-3激光传感器确定圆心示意图
然后穿管并由穿管架和管板上的激光传感器确定穿管成功。
穿管后等待5s，由其他辅助机构将需要的翅片管放在穿管架上，并由穿管架两端的激光传感器确定摆放到位，穿管架右移，激光传感器确定翅片管对准第二个孔位的时候，穿入第二根炉管，左移碰到限位开关后回原点。
如此重复3次，完成最下排1号、2号、3号和4号的穿管。
然后穿第9号：
穿管架在原点等待5s，待翅片管摆放好后上移，激光传感器确定翅片管对准第9号孔位的时穿入炉管，当检测到穿管成功后，穿管架下移，碰到限位开关时回到原点。
之后进行11次循环即可：
等待5s，待翅片管摆放好后右移再上移，激光传感器确定翅片管对准孔位的圆心时穿入炉管，当检测到穿管成功后穿管架下移再左移，碰到限位开关时回原点。
重复完11次后完成一个周期。
穿管架的控制分为手动和自动两种操作方式，手动时穿管架在Y-Z平面内的移动以及穿管都是点动控制。
此操作方式主要用于维修。
自动时每按一次按钮，穿管架从原点开始，按方案二的穿管顺序开始穿管，直到完成16根翅片管的穿管任务后回原点等待下一次操作。
流程图如下
2.3.2工艺流程图
图2-4穿管工艺流程图
3.电动机和报警器的设计与选型
3.1竖直Z方向步进电机的选型分析
图3-1穿管机升降机构
F2
F3
F1
F1
F2
F3
图3-2升降机构受力分析
F1
经分析不难看出，剪刀架处于最低点的时候需要的转矩最大。
现就此情形做力学分析：
经测量知∠BAC=135°∠ABC=∠ACB=22.5°
（1.2为矫正系数，考虑到机架重量等）这里翅片管重保守估计1000kg
即：
螺纹杆受最大拉力1.8KN在这个拉力的作用下，丝杠螺母旋转时会产生阻力矩M1,当丝杠受到动力矩M2大于M1时，即可旋转。
现对螺纹做受力分析：
F32
A
F31
F3
图3-3丝杠受力分析图
。
查阅资料，钢铁动摩擦因
=0.2~0.8取
=0.5丝杠半径R=24mm
F31
图3-4丝杠截面力矩分析图
由此看出，要实现穿管架升降，需要较大的转矩的电机。
查阅研控集团的YK31328A三项步进电动机可以满足该动作要求，其参数如下：
图3-5YK31328A三项步进电动机参数\
表3-1步进电机M1数据表
型号步距角电机长度保持转矩适配驱动器
YK31328A1.2°280mm50N·MYKC3722MA
该款步进电动机的驱动器为YK3722MA，参数如下：
图3-6YK3722MA步进电动机的驱动参数
3.2水平Y方向步进电机的选型分析：
因为穿管机要实现穿管机左右移动只要用步进电机驱动底座四组滚轮即可，所以只需要克服四组滚轮的滚动摩擦即可。
查阅网上资料得知，滚动摩擦实则是力矩平衡问题。
查得钢轮和钢轨滚动摩擦系数μ=0.05cm保守估计穿管机和翅片管总重1300kg,底座滚轮直径100mm则滚动阻力
滚动阻力矩
考虑到安全系数，选取转矩为12N·m的YK31115A，参数如下：
图3-7YK31115A三项步进电动机参数
表3-2步进电机M1数据表
型号步距角电机长度保持转矩适配驱动器
YK31115A1.2°148mm12N·MYKC3722MA
驱动器同样为YKC3722MA
3.3前后X方向步进电机的选型分析：
由于穿管本身动作不需要随时精准停车，只要实现正反转即可，故选用普通三相异步电动机。
翅片管在滚子上前进时的推力也是只需要克服滚子的滚动摩擦即可前进，同样假设翅片管重1000Kg那么阻力矩
滚子最细处直径Ф113mm,拟使三相异步电动机经减速器后转速为60r/min，则翅片管前进速度为：
一根长10m的翅片管穿管需要时间为
该速度符合实际情况，可以满足生产需要。
选取YRZ112M绕线式三相异步电动机,，可以通过传电阻方式，很容地实现调速。
蜗杆蜗轮减速器选WSJ-35,最大输入转速1500r/min，传动比1:
22
图3-9涡轮蜗杆减速机参数
表3-3蜗杆涡轮减速器数据表
传动比模数计算转速许用扭矩
2221500105公斤/厘米
按照此设计，翅片管最终前进速度为：
穿一根翅片管用时间为：
符合实际需求。
3.4声光一体报警器
图3-10声光一体报警器
表3-4声光一体报警器数据表
产品型号可选电压警示灯功率喇叭分贝尺寸安装
YS-01声光DC12V/DC24V/15W110dB150W*152L*278.5H壁挂式
报警器AC36V/
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