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弯管机控制系统设计PLC控制和编程

CompanyDocumentnumber：

WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT

弯管机控制系统设计PLC控制和编程

弯管机电气控制系统设计

摘要

本文以河北沧州盐山县电力管件有限公司给的弯管机系统为设计和写作背景，介绍了弯管机的工作原理、工艺流程、软件编程控制。

详细阐述了电气控制系统的特点以及应用。

弯管机广泛应用于石油行业，同时在国家开发的西气东输的工程中也得到了应用，可见弯管机在我国机械事业中占有重要的地位，它的发展也体现了我工国业的发展。

现代弯管的特点是大口径，厚臂管，针对这一特点我们采用中频液压加热弯管机对其弯管。

采用PLC来控制弯管机，用上位机显示温度、速度等，能更好的控制弯管的质量和效率。

本文介绍了弯管机的工作原理和简单工艺流程，PLC结构、内部原理、使用性能，以及S7-200内部结构和使用它编写弯管机控制程序。

使用S7-200可编程控制器在恶劣环境下比继电器、接触器安全、可靠、耐用，并且直观，应用灵活。

最后以STEP-7编程软件编写梯形图弯管机的控制程序，以此来控制弯管机弯管时所需的温度和速度。

关键字：

弯管机；PLC；控制系统；软件编程

PipeBenderElectricControlSystemDesign

Abstract

Inthispaper,Cangzhou,HebeiYanshanElectricPowerPipeFittingsCo.,Ltd.tothepipesystemforthedesignandwritingbackground,introducedtheworkingprincipleofbendingmachine,process,controlofsoftwareprogramming.Describedindetailthecharacteristicsofelectricalcontrolsystemsandapplications.

Bendingmachineiswidelyusedintheoilindustry,whilethenationaldevelopmentoftheWest-EastGasPipelineProjecthasalsobeenapplied,canbeseenbendingmachinemechanicalcauseinourcountryplayedanimportantrole,italsoreflectsthedevelopmentofindustry.Elbowischaracterizedbymodernlarge-diameter,thickarmsandtubes,wehaveadoptedforthischaracteristicfrequencyheatinghydraulicpipebenderits.PLCusedtocontrolbendingmachine,thehostcomputerdisplaytemperature,speedandsoon,tobettercontrolthequalityandefficiencyofpipe.

Thispaperintroducestheworkingprincipleofthebendingmachineandasimpleprocess,PLCstructure,internalprinciple,theuseofperformance,aswellastheinternalstructureofS7-200anduseittopreparebendercontrolprocedures.TheuseofS7-200programmablelogiccontrollerinadversecircumstancesthantherelays,contactorssafe,reliable,durable,andintuitive,flexibleapplication.STEP-7Finally,thepreparationofladderdiagramprogrammingsoftwareofthecontrolprocedurespipebender,pipebenderinordertocontrolthetemperaturerequiredtobendandspeed.

Keywords:

bendingmachine;PLC;controlsystem;softwareprogramming

1绪论

前言

弯管机的简介

中频感应加热弯管机,其工作原理是利用中频电源对钢管进行加热，同时将钢管匀速推进，使加热部分的钢管沿预设的轨道行走从而形成具有一定曲率半径和角度的弯管。

先将钢管安装就位，通过摇臂回转装置上的丝杠丝母传动装置调整好弯曲半径，采用中频感应加热圈对钢管加热到一定温度后进行弯曲，弯曲时以液压为动力，由小车将钢管向前推进，沿调整好的弯曲半径在加热处发生变形而弯曲，钢管变形后对其喷水冷却，从而获得所需的弯管管件。

动力系统由电机和液压系统构成组成。

特点：

弯出的管具有形变小，壁厚差小，无应力。

弯曲半径0-1800可调节管道系统在电力、石化、等工程建设中有着广泛的应用。

尤其是随着经济建设的迅速发展,管道的规格和用材也在向着大型化和高强度发展。

目前国内的中频弯管机多以外国的技术为蓝本,采用机械传动,自动化程度偏低,难以使大口径的管道在弯制的过程中,达到规定的质量和精度要求,因此,决定采用液压系统推进代替机械进给。

经实践证明,是切实可行的。

弯管机的发展及国内外研究情况

弯管机的发展与计算机技术的发展息息相关，早在20世纪70年代时，美国EATONLEONARD公司就已经研制生产了计算机数控弯管设备，首创计算机编程数控弯管之先河，大大提高了当时的数控弯管水平。

20世纪80年代，日本千代田工业株式会社在美国EATONLEONARD公司的研究成果上，成功研制了M-1型管型测量机和EC、TC两种系列十多种型号的数控弯管机，功能非常强大，很快便以崭新的技术面貌挤入了国际市场。

早在1970年武昌造船厂就研制成功一台数控弯管机，这是国内自主研制的第一台数控弯管机。

1973年武昌造船厂又成功研制了SKWG-2型数控弯管机。

此后上海造船厂工艺研究所等多家国内企业也陆续研制出了数控弯管机。

目前我国弯管加工的现状是既有自动化程度高的数控弯管机，也有半自动的数控弯管机，甚至还有相当一部分中小企业还在使用传统的手工弯管，具有典型的“老、

中、青”（即手工弯管设备、半自动弯管机床和全自动弯管机床）三者结合的中国特色。

课题研究的目的、意义

弯管机是我国国防和基础建设的关键设备，为我国的经济发展和国防建设起到了不可估量的作用。

弯管机在前期经过了第一步改造，实现了PLC控制、上位计算机监控管理、人机友好界面。

但现有的操纵控制系统较为落后，不能很好的满足生产的需要。

在此基础上，迫切需要对弯管机进行第二步改造，将整个操作系统改为中频感应加热控制，对弯管机的工作过程实现快速、精确控制以提高弯管机的工作效率和加工精度。

在电力，石油化工等工业和天然气，集中供热等输送工程中，需要大量的弯管，弯头，所以弯管机都作为重要生产设备之一。

它的安全、可靠、高效运行,直接关系到自动生产线的生产效率和加工质量。

中频加热弯管机具有解热快，氧化少，解热均匀，解热效率高，能保证产品你质量等优点。

弯管机的PLC控制和编程对弯管起着至关重要的作用，它的工作性能对整个控制系统都有着重要的影响，所以研究PLC控制和编程极其重要。

中频加热液压弯管机组采用了先进的计算机网络控制技术，用PLC编程语言及梯形图进行逻辑控制连接，采用计算机监控系统监视和控制现场设备工作状态，设置工艺参数，下的大工艺命令，整机与其他弯管设备相比：

技术含量高，自动化程度先进，控制精度高，能大大的降低生产成本，提高生产率。

控制系统是弯管机的关键组成部分，弯管机的工作性能是系统改造设计的主要目标。

弯管机主要由机械装置，液压系统，中频加热系统，PLC控制系统，冷却系统等组成。

从系统的观念考虑机械、电气和液压系统之间的匹配问题，得到性能最好的弯管机。

本课题对弯管机PLC控制和编程的意义：

1.解放工程技术人员，重复性的工作交给计算机来完成，提高工作效率，缩短系统的研发周期。

2.通过计算机对液压系统的控制，比较不同的可编程控制器，选择合理的元件和回路完成特定的功能。

3.研究不同可编程控制器系统的特性，选择合理的控制策略，实现系统的精确的控制。

4.对系统的安装调试有指导性作用，使现场的工程技术人员有的放矢的对参数进行调整。

国内外研究现状及发展方向

1．西门子公司的产品最早是1975年投放市场的SIMATICS3，它实际上是带有简单操作接口的二进制

2．1979年，S3系统被SIMATICS5所取代，该系统广泛地使用了微处理器；

3．20世纪80年代初，S5系统进一步升级——U系列PLC，较常用机型：

S5-90U、95U、100U、115U、135U、155U

4．1994年4月，S7系列诞生，它具有更国际化、更高性能等级、安装空间更小、更良好的WINDOWS用户界面等优势，其机型为：

S7-200、300、400，分别对应小型、中型、大型PLC。

5．1996年，在过程控制领域，西门子公司又提出PCS7（过程控制系统7）的概念，将其优势的WINCC（与WINDOWS兼容的操作界面）、PROFIBUS（工业现场总线）、COROS（监控系统）、SINEC（西门子工业网络）及控调技术溶为一体

6．现在，西门子公司又提出TIA（TotallyIntegratedAutomation）概念，即全集成自动化系统，将PLC技术溶于全部自动化领域。

此外，西门子PLC还有M7、C7二个系列。

我在主以后章节中要介绍S7-200PLC。

控制器；

电气控制的发展

本系统的电控部分的下位机采用可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController.PLC）。

PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、功能丰富等强大技术优势，己经成为目前自动化领域的主流控制系统。

然而，从目前的应用情况来看，PLC还大都只是承担最基本的控制功能，模块。

虽然PID算法控制有很高的稳定性，但对于一些复杂控制系统，PID控制很难满足控制要求，这也使PLC的发展面临着一种挑战。

随着越来越多的PLC产品与IEC1131-3标准兼容，PLC控制系统越来越开放，将先进控制算法嵌入PLC常规控制系统成为可能。

本课题采用PLCS7-200来控制，根据其特点，把一些先进控制算法，在PLC及组态系统上得以实现，并开发相应的应用程序，经过实验调试，验证可以用到弯管机弯管工业中。

作为离散控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%～30%。

随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。

但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。

综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。

PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只

有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。

它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。

用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。

运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。

PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。

PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。

不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。

PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。

它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。

大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。

把计算结果送给PLC的控制器。

相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。

PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。

一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。

如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。

PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。

近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。

随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。

本文研究的主要内容

本课题主要是对弯管机电器控制部分的研究与实现。

由于弯管工艺对其加热过程的速度和温度都有较高要求，所以弯管机在对钢管推制过程中的加热温度和推制速度的控制要求相当高。

在弯管成形过程中常会因速度和温度控制不当引起管径开裂、管壁厚度不均等缺陷。

因此，本课题的主要研究内容是：

设计一个怎样的控制器去控制弯管机的温度和速度使其在减少次品率的条件下又快又好的推制出所要求角度的弯管。

其次，弯管机电器控制系统以一台SiemensS7-200CPU226为控制核心，输入输出包括三个模拟量输入（电流变送器、电压变送器、激光温度传感器），两个模拟量输出（电压变送器、电液比例溢流阀），约68个数字量I/O点（一个线旋转编码器，若干限位开关、手动开关、继电器和指示灯）以及通过PC-PPI通信的上位机。

其他电器包括四台电动机。

对他们的系统设计也是本课题的一个研究方向。

本文的主要工作如下:

1.深入细致的了解弯管机的系统结构，技术要求等。

2.查找弯管机控制系统的相关资料，选择适合的可编程控制器和编程软件。

3.设计控制系统的方案，选择和论证弯管机控制系统的方案。

4.设计和编制西门子PLC的程序，进行模拟调试程序。

重点及难点如下:

重点：

PLC编程，温度，速度，角度等控制，及其使用S7-200的编程系统选择

难点：

由于管材的材质各异,管径、壁厚、弯曲角度等差异较大,使得中频电源加热温度和弯管推进速度之间的关系都不一样，并且各工艺参数的设定也比较复杂,而参数设定的合适与否会极大影响弯管的各种机械性能,所以要根据工况的不同进行参数选择,并由此控制弯管的质量。

2弯管机控制系统的工作原理

弯管机系统概述

中频加热液压弯管机主要由:

机械装置、液压系统、中频加热系统、PLC控制系统组成。

系统工作时中频加热系统通过感应线圈给钢管加热到850°C到1100°C，推动钢管以10mm-60mm/m的速度缓慢速度推进，旋转摇臂是一个定轴随动机构，从使关以R为半径完成所需要的弯管，冷却系统用于中频加热中频电源、补偿电容、感应线圈及钢管的冷却。

中频加热液压弯管机组是由中频加热电源、液压传动和电气控制系统组成。

机组工作原理:

将需要弯曲的钢管固定在前夹具上，利用中频感应加热线圈加热，使钢管在一个狭窄的轴向范围内达到热变形温度，钢管中频在腰鼓轮夹持机构的作用下限位。

随即对加热变形后的弯管进行喷淋冷却，完成定型。

弯管机系统结构

中频液压加热弯管机的硬件原理框图如图，在中频加热控制系统中，CPU将给定的控制量通过模拟量模块，输出到电压变送器，电压变送器将给定值输入到中频控制板上，中频控制板根据给定电压，进行工作。

温度传感器，电压变送器、电流变送器和光电编码器将实时采集的数据，通过模拟量模块传送给CPU的高速计数器与给定量进行比较，从而达到PLC对温度和速度的闭环控制。

图硬件原理图

弯管机的工作原理

中频加热液压弯管机主要由机械装置、液压系统、中频加热系统、PLC控制系统、冷却系统等组成。

机械装置主要有卡紧装置、小车推进装置、导向轮装置和摇臂回转装置等组成。

弯管的工作原理如图所示。

1、管坯　2、导向轮　3、中频加热　4、夹头　5、摇臂　6、进给小车

图中频加热液压弯管机工作原理示意图

其工作原理是利用中频电源对钢管进行加热，同时将钢管匀速推进，使加热部分的钢管沿预设的轨道行走从而形成具有一定曲率半径和角度的弯管。

先将钢管安装就位，通过摇臂回转装置上的丝杠丝母传动装置调整好弯曲半径，采用中频感应加热圈对钢管加热到一定温度后进行弯曲，弯曲时以液压为动力，由小车将钢管向前推进，沿调整好的弯曲半径在加热处发生变形而弯曲，钢管变形后对其喷水冷却，从而获得所需的弯管管件。

特点：

弯出的管具有形变小，壁厚差小，无应力。

弯曲半径0-1800可调节。

弯管机的工艺流程

先将钢管安装就位，通过摇臂回转装置上的丝杠丝母传动装置调整好弯曲半径，采用中频感应加热圈对钢管加热到一定温度后进行弯曲，弯曲时以液压为动力，由小车将钢管向前推进，沿调整好的弯曲半径在加热处发生变形而弯曲，钢管变形后对其喷水冷却，从而获得所需的弯管管件。

其工艺流程图如图.

图弯管机工艺流程图

3可编程控制器（PLC）的选择和工作原理

PLC特点、分类及应用

自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。

同时，PLC的功能也不断完善。

随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。

今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。

PLC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体以存储指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械或鞥产过程。

这就是PLC的定义。

PLC的特点

现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。

可编程控制器由于具有一下特点而深受工厂技术人员和工人欢迎。

以下是PLC的特点

1、可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。

一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。

从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。

此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。

在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。

这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

2、配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。

可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

3、易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言

易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

4、系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。

更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。

这很适合多品种、小批量的生产场合。

5体积小，重量轻，能耗低

PLC的分类及应用

PLC的类型多，型号各异，各生产厂家的规格也各不相同，所以按一下两种方式分类：

（1）按容量分类

PLC的容量主要指PLC的输入/输出点数。

按照PLC的输入/输出点数，可将PLC分为小型PLC（I/O总点数在256点以下），中型PLC（I/O总点数在256到2048点之间）和大型PLC（I/O总点数在2048点以上）三种。

（2）按结构形式分类。

按结构形式的不同，PLC主要分为箱体式和模块式。

箱体式又称为整体式结构，它的特点是将PLC的基本部件，它的体积小，成本低，安装方便。

模块式这种结构的PLC是由一些标准模块单元构成，这些标准，普快如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等，将这些模块插在框架上或基板上即可组装而成。

PLC的应用范围通常可分为如下五种类型:

顺序控制，运动控制，过程控制，数据处理，通信和联网。

PLC控制器的组成及主要的原理

PLC组成

从硬件结构看PLC的主要组成：

CPU、存储器、输入接口电路、输出接口电路、键盘与显示器、还可外接存储器。

下面简单介绍期望各部分作用。

（1）CPU运算和控制中心

起“心脏”作用。

当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。

组成：

CPU由控制器、运算器和寄存器组成。

这些电路集成在一个芯片上。

CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。

（2）存储器

具有记忆功能的半导体电路。

分为系统程序存储器和用户存储器系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。

由只读存储器、ROM组成。

厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。

（3）输入/输出接口

①输入接口：

输入接口电路工作过程：

当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。

当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。

向内部电路输入信号。

也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。

②输出接口

PLC的继电器输出接口电路

工作过程：

当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。

当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。

也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。

三种类型：

a继电器输出：

有触点、寿命短、频率低、交直流负载；b晶体管输出：

无触点、寿命长、直流负载；c晶闸管输出：

无触点、寿命长、交流负载。

在本次设计中PLC采用继