中频加热弯管机及其PLC控制

介绍了一种由液压驱动、可编程控制器控制的中频加热液压弯管机。该文对其工作原理、液压系统以及PLC控制系统等方面进行了介绍，并阐述了该机的性能特点。控制系统采用了可编程控制器和人机界面，提高了系统的可靠性及其柔性，增强了机床的抗干扰能力。

    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。

1 弯管机工作原理

    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1所示，其基本过程是：在将管道安装好之后，利用中频电源通过感应圈对其待弯区域进行加热，当加热到一定温度后，由小车将管道按照一定的速度向前推进，沿调整好的弯曲半径进行弯曲。

图1 中频加热液压弯管机工作原理示意图

2 中频加热液压弯管机的液压系统

    中频加热液压弯管机的液压系统原理图如图2所示，主要由9个液压缸和2个液压马达组成。主夹缸在弯管时始终保证管道通过夹具固定于转臂之上，确保管道按预定的半径进行弯曲；导夹缸起辅助夹管的作用，同时具有导向和支撑的功能；推进缸在弯管进行时，为弯管机提供动力；辅夹缸在弯管时把弯管固定于推进小车之上，防止管道在推进时产生振动；定位夹紧缸将主夹头定位在摇臂导轨上，防止其在工作中因受力而移动；定位液压马达，实现摇臂工作台的移动；复位马达是在弯管结束时，使摇臂复位。在弯管机的液压系统中，弯曲主夹缸、导夹缸、辅夹缸、推进缸以及定位夹紧缸均采用液控单向锁紧阀，减少压力损失，以保证弯管过程中夹紧、弯曲动作可靠。

图2 液压系统原理图

    操作人员装好管坯，通过点动按钮控制电磁铁9YA通电而10YA断电，从而调整弯管的半径，半径调整好之后，点动另一按钮控制7YA通电而8YA断电，定位夹紧。然后按下启动按钮，在可编程控制器（PLC）的控制下依次自动执行以下的动作：

    （1）电磁铁3YA通电，主夹缸驱动夹头关闭，从而把管子加紧；
    （2）电磁铁SYA通电，辅夹缸驱动夹头关闭，把管子和推进小车固定在一起；
    （3）电磁铁11YA通电，导夹缸驱动压料模把管子压紧；
    （4）电磁铁13YA通电，主驱动缸推动小车，从而由小车带动钢管前进，沿调整好的的弯曲半径进行快速弯曲；
    （5）电磁铁巧YA通电，将快速推进改为工进；
    （6）弯管结束后，电磁铁12YA通电而11YA断电，导向缸退回，使压料模后退；
    （7）电磁铁6YA通电SYA断电，辅夹头松开退回；
    （8）电磁铁4YA通电3YA断电，主夹头松开退回。

    操作人员将弯制好的管件取下之后，按下复位开关令电磁铁16YA通电而17YA断电，摇臂反向回转，使弯管机复位，准备下一个弯管开始，从而完成一个工作循环。

3 弯管机的PLC控制系统

    3.1 控制系统的功能

    （1）弯管前的工装过程：包括摇臂定位，主夹头、辅夹头的开和闭，导向轮的开和闭以及工件位置的调整。
    （2）主要工艺参数的实时采集和显示：包括加热温度、弯曲的角度。
    （3）参数设定的功能：包括弯曲角度的设定、加热温度上下限、工件行进速度定工艺过程参数的设定。
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    3.2 控制系统原理

    中频加热液压弯管机的控制系统采用可编程控制器，选用日本某公司的FXZN-64MR，操作系统采用新型人机界面F940G0T，它们之间通过一根通信电缆实现实时通信。FXZN-64MR接受人机界面上的操作控制按钮以及温度的参数设置和光电编码器检测的位置和角度控制信号，使液压缸按规定的顺序完成各动作。触摸屏一方面将弯管机操作控制信号和工艺参数等传送给PLC，另一方面将PLC工作状态和运行信息显在触摸屏上，实现生产过程的动态监视。中频加热液压弯管机的控制系统组成框图如图3所示。

图3 控制系统框图

    3.3 PLC的FO地址分配

    XO编码器A相脉冲输入  YO液压泵电动机控制接触器KM1
    X1编码器B相脉冲输入  Y1液压泵电动机卸荷电磁阀1YA
    X2急停按钮  Y2液压泵电动机卸荷电磁阀2YA
    X3液压泵过载  Y3主夹紧进位电磁阀3YA
    X4定位夹紧压力开关  Y4主夹紧退位电磁阀4YA
    X5主夹紧进压力开关  Y5辅夹紧进位电磁阀5YA
    X6辅夹紧进压力开关  Y6辅夹紧退位电磁阀6YA
    X7导向进压力开关  Y7定位夹紧进位电磁阀7YA
    X8定位退限位  Y8定位夹紧退位电磁阀8YA
    X9主夹紧退限位  Y9摇臂工作台进电磁阀9YA
    X10辅夹紧退限位  Y10摇臂工作台退电磁阀10YA
    X11摇臂复位限位  Y11导向轮夹紧进电磁阀11YA
    X12弯管机复位限位  Y12导向轮夹紧退电磁阀12YA
    X13摇臂工作台进  Y13弯管快进电磁阀13YA
    X14定位进  Y14弯管快退电磁阀14YA
    X15主夹紧进  Y15弯管快进电磁阀15YA
    X16辅夹紧进  Y16弯管机复位电磁阀16YA
    X17导向轮进  Y17中频电源控制接触器KM2
    X18弯管推进快  Y18冷却电磁阀18YA
    X19弯管工进
    X20弯管停
    X21弯管快退
    X22主夹紧退
    X23辅夹紧退
    X24导向轮退
    X25摇臂工作台退
    X26弯管机复位
    X27中频加热按钮
    X28冷却按钮

    3.4 控制系统的软件设计

    控制系统软件设计包括两部分：一为触摸屏界面设计；二是PLC程序设计。

    1）触摸屏界面设计
    触摸屏界面设计首先在计算机上安装触摸屏工具软件FX-PCS-DU/WIN-C，根据生产工艺的控制要求进行界面设计，并做好相关的设定，再进行编译，当计算机与触摸屏进行正确的通信后，下载给触摸屏F940GOT。触摸屏界面包括初始界面，手动模式、半自动模式、角度编辑，温度参数编辑和故障报警等。各界面之间可以方便、快捷的切换。
    手动模式界面主要为手动操作设备的各按钮及其相关的显示：自动模式界面主要完成弯管的自动操作及其相关的显示。角度编辑界面主要用于设置弯管的角度参数，以及实时地显示当前的弯管角度。温度编辑界面主要用于设置弯管时管子的加热温度参数，以及实时显示当前的温度。另外还有报警界面。在生产过程中，如果出现故障，触摸屏自动转入报警界面，并且显示故障信息，以便于进行相应的处理。

    2）PLC程序设计
    对于弯管机的手动和自动2种工作方式，采用模块化分别对其进行程序设计。在此重点介绍自动工作方式。图4为自动弯管的工艺流程图。

图4 弯管的工艺流程图

    按照这个工艺流程，把控制系统模块化为几个子程序，分别为机座位置定位子程序，角度测量子程序，钢管加热的恒温控制子程序，实时监控子程序。采用模块化设计，操作起来安全可靠，各模块之间的更改互不干扰，有利于程序的维护。

4 结束语

    采用PLC控制的弯管机具有以下几个特点：

    （1）弯管的工艺精度提高、质量好采用编码器和PLC，对弯管角度进行准确自动控制，弯管精度可达正负0.1°，完全满足弯管产品的精度需求。
    （2）安全可靠，操作方便弯管的控制系统采用可编程控制器，大大提高了系统的可靠性及设备的自动化程度；其操作系统采用人机界面，操作方便，并且提高了操作的精确度。

    在实践中，机床的运行比较稳定，产品质量也完全能够满足工业中所使用范围的要求，因此该弯管机有着广阔的应用前景。