CN111069336B - 一种管身卷制设备电气自动化控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种管身卷制设备电气自动化控制系统，管身卷制设备生产过程中的自动化任务由控制器完成，由有带材压制系统和带材卷绕系统的稳定力矩控制、带材输送速度的跟随控制、双轴伺服运动的联动控制、压轮轧制力和卷绕挤压力的实时采集和故障监控；人机交互由操控显示单元实现，带材压制和卷绕过程中轧制力和挤压力的测量由压力传感器和双向轴销传感器实现。本发明在金属软管制造工艺具体参数未知的情况下，通过管身卷制设备的稳定力矩控制实现卷绕速度对带材输送速度的跟随控制，从而达到软管卷制过程中力矩稳定性和速度一致性控制的目的，进而实现软管卷制成品率、管身外径一致性和软管生产效率的提高。

Description

一种管身卷制设备电气自动化控制系统
技术领域
本发明涉及电气控制领域，具体涉及一种管身卷制设备的制系统。
背景技术
管身卷制设备是金属软管生产线的核心设备，主要作用是卷制线导水下航行器用P4型不锈钢金属软管管身。管身卷制设备主要由带材输送系统、带材压制系统、带材卷绕系统、电气控制系统、管身排放架和软管盘绕装置等组成。带材压制系统和带材卷绕系统均采用伺服电机驱动，分别实现带材的压制变形和带材变形后的螺旋线滚动绞合。现有技术的管身卷制设备进行带材压制和卷绕时，其压轮轧制力和卷绕挤压力的大小均需要操作人员反复试调，因此卷制出来的软管，无论是柔韧性、管身外径还是卷制成品率均与人为因素关系很大，从而严重影响了金属软管的生产效率。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种管身卷制设备电气自动化控制系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种管身卷制设备电气自动化控制系统，包括带材压制系统、带材卷绕系统和电气自动化控制系统，其中，电气自动化控制系统包括控制器及扩展模拟量采集单元、压力传感器、双向轴销传感器、信号放大器、压制电机驱动器、卷制电机驱动器和操控显示单元，管身卷制设备生产过程中的自动化任务由控制器完成，由有带材压制系统和带材卷绕系统的稳定力矩控制、带材输送速度的跟随控制、双轴伺服运动的联动控制、压轮轧制力和卷绕挤压力的实时采集和故障监控；人机交互由操控显示单元实现，带材压制和卷绕过程中轧制力和挤压力的测量由压力传感器和双向轴销传感器实现；
管身卷制设备电气自动化控制系统上电后，通过操控显示单元设定管身卷绕参数，并通过EtherNet/IP端口将卷绕参数发送至控制器，控制器将卷绕参数解算后经EtherCat端口分别传送至压制电机驱动器和卷绕电机驱动器，从而完成压制伺服电机和卷绕伺服电机的联动控制；压制伺服电机通过减速器带动压制轮系转动，实现带材的压制成型，带材压制时通过安装于压力轮系上的压力传感器进行压力实时测量，测量信号经信号放大器放大处理后，将与压力值成比例关系的模拟量信号反馈至扩展模拟量采集单元，扩展模拟量采集单元将采集处理后的压力值存入到控制器的寄存器列表内，作为控制器稳定力矩控制的一个反馈量；同时，带材随着压制轮系的压制成型，按照设定速度进入卷绕系统，卷绕伺服电机通过减速器及传动机构带动卷绕轮系转动，实现压制成型带材的卷制，带材卷制时通过安装于卷绕轮系上的双向轴销传感器进行卷绕挤压力实时测量，测量信号经信号放大器放大处理后，将与挤压力值成比例关系的模拟量信号反馈至扩展模拟量采集单元，扩展模拟量采集单元将采集处理后的挤压力值存入到控制器的寄存器列表内，作为控制器稳定力矩控制的另一个反馈量；此外，压制电机驱动器和卷绕电机驱动器通过EherCat端口，将压制伺服电机和卷绕伺服电机的实时转速反馈至控制器，作为带材输送速度跟随控制的两个反馈量。最后，控制器利用压制轮系的压力值、卷绕轮系的挤压力值、压制伺服电机转速值和卷绕伺服电机转速值，经相应的控制算法处理后，最终实现管身卷制系统的稳定力矩控制和带材输送速度的跟随控制。同时，控制器利用EtherNet/IP端口将压制轮系的压力值、卷绕轮系的挤压力值、压制伺服电机转速值、卷绕伺服电机转速值回送至操控显示单元，实现带材压制和卷制参数的实时监控。
本发明的有益效果在于本发明提出的管身卷制设备电气自动化控制系统，在金属软管制造工艺具体参数未知的情况下，通过管身卷制设备的稳定力矩控制实现卷绕速度对带材输送速度的跟随控制，从而达到软管卷制过程中力矩稳定性和速度一致性控制的目的，进而实现软管卷制成品率、管身外径一致性和软管生产效率的提高。
附图说明
图1为本发明的管身卷制设备主体结构示意图，其中图1(a)为管身卷制设备电气自动化控制系统的系统框图，图1(b)为管身卷制设备电气自动化控制系统的电气连接图。
图2为本发明的电气自动化控制系统电气原理图。
图2中K-控制器；KM1-交流接触器；KM2-交流接触器；KM3-交流接触器；SF1-电源开关；SF2-急停开关；SF3-压制伺服电机开关；SF4-卷绕伺服电机开关；KF1-延时继电器；KF2-中间继电器；T1-卷绕电机驱动器；T2-压制电机驱动器；A-操控显示单元；P-AC/DC电源模块；FA1-保险管；FA2-保险管；F3-保险管；F4-保险管；F5-保险管；F6-保险管；B1-压力传感器；B2-双向轴销传感器；B3-信号放大器；B4-信号放大器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明提出一种管身卷制设备电气自动化控制系统，该系统可以在金属软管制造工艺具体参数未知的情况下，通过压轮轧制力和卷绕挤压力测量，研究带材成型轧制力、输送速度、卷绕挤压力等因素与制管质量之间关系，从而实现金属软管卷制工艺参数的优化；同时采用稳定力矩控制方式，实现卷绕速度对带材输送速度的跟随控制。
本发明提出了一种管身卷制设备电气自动化控制系统，以解决现有技术中需要操作人员反复试调压轮轧制力和卷绕挤压力而影响软管生产效率的问题。金属软管的卷制过程自动化任务由欧姆龙NX系列PLC控制器完成，主要有带材压制系统和带材卷绕系统的稳定力矩控制、带材输送速度的跟随控制、双轴伺服运动的联动控制、压轮轧制力和卷绕挤压力的实时采集、故障监控、与人机界面之间的EtherNet/IP通信以及控制参数设定和卷制工艺数据的显示等。
一种管身卷制设备电气自动化控制系统，所述电气自动化控制系统的全线硬件包括欧姆龙NX系列PLC控制器、模拟量采集单元、压力传感器、双向轴销传感器、信号放大器、伺服电机驱动器、AC/DC电源模块以及操控显示单元。本发明采用EtherNet/IP通信方式，实现了PLC控制器与操控显示单元之间的高速、双向、全数字通信，增强了系统的可靠性和可维护性；采用EtherCAT通信方式实现双轴伺服运动的联动控制；扩展模拟量采集单元实现压力传感器和双向轴销传感器的数据采集。此外，本发明提出的电气自动化控制系统结构紧凑、电气接口少，无需增加额外的信号调理模块即可完成信号采集和检测工作，提高了系统的抗干扰性能。
一种管身卷制设备电气自动化控制系统，如图1(a)所示，管身卷制设备主体部分采用分体式结构形式，包括带材压制系统、带材卷绕系统和电气自动化控制系统，其中，电气自动化控制系统包括控制器及扩展模拟量采集单元、压力传感器、双向轴销传感器、信号放大器、压制电机驱动器、卷制电机驱动器和操控显示单元，管身卷制设备生产过程中的自动化任务由控制器完成，由有带材压制系统和带材卷绕系统的稳定力矩控制、带材输送速度的跟随控制、双轴伺服运动的联动控制、压轮轧制力和卷绕挤压力的实时采集和故障监控；人机交互由操控显示单元实现，如控制参数设定和卷制工艺数据的显示等；带材压制和卷绕过程中轧制力和挤压力的测量由压力传感器和双向轴销传感器实现。
管身卷制设备电气连接图如图1(b)所示，本发明的控制系统具体工作原理如下：
系统上电后，通过操控显示单元设定管身卷绕参数，并通过EtherNet/IP端口将卷绕参数发送至控制器，控制器将卷绕参数解算后经EtherCat端口分别传送至压制电机驱动器和卷绕电机驱动器，从而完成压制伺服电机和卷绕伺服电机的联动控制；工作过程中，压制伺服电机通过减速器带动压制轮系转动，实现带材的压制成型，带材压制时通过安装于压力轮系上的压力传感器进行压力实时测量，测量信号经信号放大器放大处理后，将与压力值成比例关系的模拟量信号反馈至扩展模拟量采集单元，扩展模拟量采集单元将采集处理后的压力值存入到控制器的寄存器列表内，作为控制器稳定力矩控制的一个反馈量；同时，带材随着压制轮系的压制成型，按照设定速度进入卷绕系统，卷绕伺服电机通过减速器及传动机构带动卷绕轮系转动，实现压制成型带材的卷制，带材卷制时通过安装于卷绕轮系上的双向轴销传感器进行卷绕挤压力实时测量，测量信号经信号放大器放大处理后，将与挤压力值成比例关系的模拟量信号反馈至扩展模拟量采集单元，扩展模拟量采集单元将采集处理后的挤压力值存入到控制器的寄存器列表内，作为控制器稳定力矩控制的另一个反馈量；此外，压制电机驱动器和卷绕电机驱动器通过EherCat端口，将压制伺服电机和卷绕伺服电机的实时转速反馈至控制器，作为带材输送速度跟随控制的两个反馈量。最后，控制器利用压制轮系的压力值、卷绕轮系的挤压力值、压制伺服电机转速值和卷绕伺服电机转速值，经相应的控制算法处理后，最终实现管身卷制系统的稳定力矩控制和带材输送速度的跟随控制。同时，控制器利用EtherNet/IP端口将压制轮系的压力值、卷绕轮系的挤压力值、压制伺服电机转速值、卷绕伺服电机转速值回送至操控显示单元，实现带材压制和卷制参数的实时监控。
稳定力矩控制原理：由压制伺服电机转速折算出带材压制的线速度，压制成型的带材进入卷绕轮系后，带材在卷绕轮系间产生挤压弯曲变形并经双向轴销传感器检测卷绕挤压力的大小，当带材卷绕速度与压制的线速度一致时该弯曲力值应与卷绕工艺力值相等，否则，控制器将调整卷绕伺服电机转速而避免压制带材在压制轮系间滑动所造成的弯曲力值波动，从而实现卷绕的稳定力矩控制。
如图2所示，电气自动化控制系统由控制器K、四组压力传感器B1、两组双向轴销传感器B2、四组信号放大器B3、两组信号放大器B4、模拟量采集单元T3、模拟量采集单元T4、卷绕电机驱动器T1、压制电机驱动器T2、操控显示单元A、AC/DC电源模块P、电源开关SF1、急停开关SF2、压制伺服电机开关SF3、卷绕伺服电机开关SF4、延时继电器KF1、中间继电器KF2、三组交流接触器KM1-KM3以及6组保险管FA1、FA2、F3、F4、F5、F6组成，控制系统外部供电电压为交流220V AC。
图2中，延时继电器KF1、中间继电器KF2用于控制卷绕电机驱动器T1、压制电机驱动器T2上电时序和各单元执行动作的切换；AC/DC电源模块P用于控制器K、卷绕电机驱动器T1、压制电机驱动器T2、四组信号放大器B3和两组信号放大器B4的供电，AC/DC电源模块P的4路输出电压相互隔离；操控显示单元A为工业一体机，通过EtherNet/IP与控制器K进行信息交互；控制器K与卷绕电机驱动器T1、压制电机驱动器T2之间通过工业以太网EtherCAT连接，完成控制指令与驱动器反馈信息的相互通信；控制器K通过模拟量采集单元T3和模拟量采集单元T4对四组压力传感器B1和两组双向轴销传感器输出信号进行运算处理以及判断，给出相应控制指令。

Claims (1)

1.一种管身卷制设备电气自动化控制系统，其特征在于：
所述管身卷制设备电气自动化控制系统，包括带材压制系统、带材卷绕系统和电气自动化控制系统，其中，电气自动化控制系统包括控制器及扩展模拟量采集单元、压力传感器、双向轴销传感器、信号放大器、压制电机驱动器、卷制电机驱动器和操控显示单元，管身卷制设备生产过程中的自动化任务由控制器完成，带材压制系统和带材卷绕系统完成稳定力矩控制、带材输送速度的跟随控制、双轴伺服运动的联动控制、压轮轧制力和卷绕挤压力的实时采集和故障监控；人机交互由操控显示单元实现，带材压制和卷绕过程中轧制力和挤压力的测量由压力传感器和双向轴销传感器实现；
管身卷制设备电气自动化控制系统上电后，通过操控显示单元设定管身卷绕参数，并通过EtherNet/IP端口将卷绕参数发送至控制器，控制器将卷绕参数解算后经EtherCat端口分别传送至压制电机驱动器和卷绕电机驱动器，从而完成压制伺服电机和卷绕伺服电机的联动控制；压制伺服电机通过减速器带动压制轮系转动，实现带材的压制成型，带材压制时通过安装于压力轮系上的压力传感器进行压力实时测量，测量信号经信号放大器放大处理后，将与压力值成比例关系的模拟量信号反馈至扩展模拟量采集单元，扩展模拟量采集单元将采集处理后的压力值存入到控制器的寄存器列表内，作为控制器稳定力矩控制的一个反馈量；同时，带材随着压制轮系的压制成型，按照设定速度进入卷绕系统，卷绕伺服电机通过减速器及传动机构带动卷绕轮系转动，实现压制成型带材的卷制，带材卷制时通过安装于卷绕轮系上的双向轴销传感器进行卷绕挤压力实时测量，测量信号经信号放大器放大处理后，将与挤压力值成比例关系的模拟量信号反馈至扩展模拟量采集单元，扩展模拟量采集单元将采集处理后的挤压力值存入到控制器的寄存器列表内，作为控制器稳定力矩控制的另一个反馈量；此外，压制电机驱动器和卷绕电机驱动器通过EherCat端口，将压制伺服电机和卷绕伺服电机的实时转速反馈至控制器，作为带材输送速度跟随控制的两个反馈量；最后，控制器利用压制轮系的压力值、卷绕轮系的挤压力值、压制伺服电机转速值和卷绕伺服电机转速值，经相应的控制算法处理后，最终实现管身卷制系统的稳定力矩控制和带材输送速度的跟随控制；同时，控制器利用EtherNet/IP端口将压制轮系的压力值、卷绕轮系的挤压力值、压制伺服电机转速值、卷绕伺服电机转速值回送至操控显示单元，实现带材压制和卷制参数的实时监控。
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