1 引言 

高頻焊螺旋翅片管是目前國內外一致公認的一種新型高效熱交換元件，是先進的節能產品。其特點：翅片與基管具有良好的金屬接觸面，接觸阻近于零，適用溫度廣、耐熱性能好，傳熱效率高。它是利用高頻電阻接觸加熱的方法將成盤的金屬帶狀材料以一定的速度連續不斷地，在鋼管外側邊纏繞邊焊接上呈螺旋狀的散熱片，大大增加了鋼管的外表面，使其散熱效率提高幾倍，從而減小了設備體積，提高了熱效率。 

高頻焊螺旋翅片管生產線主要是由牽引機、高頻電源、焊接專用設備、冷卻循環系統、輔助配套設備等組成。工作時把鋼帶固定在鋼管上，高頻裝置開啟后，高頻電流通過饋電系統在鋼管和鋼帶很小的范圍內流過，由于高頻電流的集膚效應和鄰近效應，在極短的時間內，把電流經過區域的鋼管和鋼帶加熱到呈塑性流狀態。兩個待結合的金屬表面在頂鍛力的作用下形成牢固的焊縫。隨著鋼管連續不斷地旋轉和軸向移動，以及鋼帶的同步輸入，鋼帶就形成繞焊在鋼管上的翅片。如圖1所示。

目前，國內生產高頻焊螺旋翅片管企業的生產線自動化程度水平較低，在控制系統方面大多是采用繼電器，接觸器強電的一般邏輯順序控制。其生產線牽引纏繞機頭的牽引和旋轉合用一個電機。電機旋轉，有兩個輸出，一個是直接帶動鋼管旋轉，一個是通過傳動齒輪，拖動鋼管及附件做直線運動。螺距的變化調整，是通過很多組備用齒輪組及齒輪箱共同調節，而且，螺距受齒輪比的限制，為有限個量級，不能達到無級設定，往往不能滿足客戶的要求，達不到最佳的焊接速度，時常出現質量問題。 

為此，很有必要在高頻焊螺旋翅片管生產中加強控制功能，提高控制精度。從而，達到精確控制焊接速度，提高工效，降低廢品率，保證產品質量，更好地滿足客戶的要求。 

2 控制系統的組成及工作過程原理 

本控制系統硬件構成如圖2所示。

我們是以美國A-B公司的SLC500可編程控制器(PLC)為控制核心，它的特點是運算精度高，響應速度快，16K的程序內存空間，具有良好的環境適應性和抗干擾能力；有豐富的輸入/輸出口，最多控制960個I/O點。豐富簡單的集成指令，更具有高級數學運算功能——三角、PID、指數、浮點運算以及各種運算指令。并可運用內置的RS-232通道和上位機進行通訊。該控制器性能可靠，維護量小，編程方便、靈活，可用功能圖、梯形圖和語句表進行單獨或綜合編程，完成各種不同的控制要求。它負責焊接工藝的電氣邏輯控制，包括各焊接設備的狀態檢測、速度檢測；執行邏輯、算術運算；輸出控制執行指令，完成對焊接啟停控制，各電磁閥及狀態過程控制等。操作員終端是操作員直接輸入相關參數的人機接口界面，我們選用A-B公司高性能小型平面型設計的PanelView550，它的特點和功能是：預組態符號和動態目標使畫面組態變得很容易，鍵盤終端或觸摸屏和鍵盤的組合終端為操作員提供了方便靈活的數據輸入途徑，操作員通過使用10個可組態的功能鍵和一個數據鍵盤進行數據輸入，或簡單地點觸摸屏上的圖標來實現。通過DH-485通道，PanlView550操作員終端能直接接入SLC500處理器，能直接訪問SLC500的數據文件，減少了梯形圖的編程。 

首先我們根據實際工藝要求確定SLC500的I/O，選擇合適的CPU，內存模塊及I/O模塊。運用上位機軟件RSLogix500梯形圖編程軟件對I/O進行組態和編程，通過RS-232通道和下位機SLC500進行通訊，再利用PanelBuilder1400e軟件編輯操作員終端的人機接口界面(HMI)，把編輯好的參數文本框、按鈕、指示燈、報警畫面等，在PanelView550和SLC500之間建立DH-485通道通訊，這樣操作員終端的人機接口界面就可直接控制SLC500處理器及相關I/O模塊。 

系統工作設有自動/手動2種控制方式，由選擇開關轉換。焊接電機速度、液壓站電磁閥等檢測信號串聯輸入到SLC500，作為SLC500啟動焊接開始的聯鎖條件，從而保證系統在正常條件下工作。控制面板上設有故障復位、急停等按鈕，當系統發生緊急故障時，可按急停按鈕終止所有設備運行；當設備出現故障或工藝參數不正常時，由SLC500控制對應的指示燈亮且蜂鳴器報警，僅當故障排除后，才能有效通過蜂鳴器復位按鈕消除報警聲，用指示燈復位按鈕復位指示燈。 

3 變頻調速控制 

保證兩個電機之間具有一定的速度比，常采用機械傳動剛性聯接裝置來實現。但根據實際需要考慮采用獨立控制的非剛性聯接傳動方法。利用SLC50和變頻器實現兩個電機間速度保持一定速度比的控制方法。 

用變頻調速器帶動兩個電機，即牽引電機和旋轉機電是相對獨立的。目的是使翅片螺距可根據用戶要求達到無級調整。用公式從理論上來推算過程如下： 

設n—旋轉電機轉速(r/min） 
υ軸—牽引電機行進速度(mm/s) 

p—螺距(mm) 
Φ—鋼管直徑(mm) 
υ線—焊接速度(mm/s) 
ω—旋轉電機角速度(rad/s) 
ω＝2πn/60(1) 
ω／2＝υ切 (2) 
pω／2π＝υ軸 (3)

由以上四個公式可得出一個結論：在定管徑和定螺距的情況下，υ線與n及υ軸均為線性關系。受高頻焊極及焊合率的限制，υ線的范圍是有限的，一般在250～350mm/s。根據客戶的使用要求，螺距p:4～20mm，管徑：21～219mm，可以推算出ω及υ軸的范圍和極限速度。

根據以上的理論推算，分別選用合適的電機，每個電機加一個變頻調速器來控制電機的轉速。利用旋轉編碼器1和旋轉編碼器2分別采集上述兩個電機的脈沖信號，并送到SLC500的高速計數口。以這兩個速度信號數據為輸入量，進行比例積分(PI)控制算法，運算結果作為輸出信號送SLC500的模擬量模塊，經上下限處理后，存儲于某個數據區中，經計算后的值，送到模擬量輸出通道，經過上下限標定后，換算成變頻器能接受的電流或電壓信號，以控制高頻焊接電機的變頻器。這樣，就可以保證旋轉速度跟蹤牽引速度的變化而發生變化，使兩個速度保持同步。進而實現無級設定螺距。 

4 軟件設計 

采用狀態設計法編制控制程序梯形圖：根據高頻焊螺旋翅片管生產線的生產工藝流程，首先對各主體設備的運行狀態分配中間變量作標記；確定各狀態的先后次序及聯鎖關系；明確系統所要涉及到的輸入、輸出量，畫出SCL500各輸出信號與輸入信號的邏輯關系；再由邏輯關系轉化為梯形圖。該程序分別由液壓站控制、變頻調速控制、過程監控、故障診斷等功能塊組成。翅片焊接過程時間雖短，但條件多，動作復雜，為此，將系統的運行和故障聯鎖全部由SLC500來控制，以提高系統的可靠性；在軟件設計中適當添加聯鎖條件，使各動作間嚴格確保相互約束或時序關系；建立合適的狀態標志位，設置識別及處理故障的能力。該系統設計的控制流程圖如圖4所示。

5 結束語 

本控制系統運用SLC500為控制核心，體現了其操作簡單、維護容易、可擴展等諸多優點。同時也取代了傳統繼電器的復雜控制。利用SLC500對高頻焊螺旋翅片管生產線的自動控制，大大提高了生產線的運行可靠性和產品質量，由于PanlView550操作員終端的靈活性，可在現場改變產品的工藝參數，更好地滿足客戶對產品的多種要求。