电气控制系统选用了以西门子S7-200 PLC和工控机主控设备的计算机监控系统，电气控制系统框图如图3.1所示。

采用西门子S7一200系列PLC作为主控制器进行数据采集和信息处理.S7一200具有PID控制的功能.通过设置和调节PID参数实现速度和温度和功率平衡控制。采用西门子公司的WINCC作为上位机组态软件,完成上位机监控界面的设计，对加热温度和推进速度的数据实施实时监控和存储，并实现历史数据的查询和打印功能。 
此系统是以可编程控制器(PLC)控制为主的弯管机。这种控制方式是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业自动化控制装置。可编程控制器有较高的稳定性和灵活性，采用可编程控制器控制，使系统的控制性能和可靠性大大提高。 
弯管机是利用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。 
弯管机采用飞秒光电激光传感器来控制它的温度，采用编码器来控制它的速度，从而保持功率恒定， 
PLC系统中所用的断路器、接触器、热继电器、转换开关、按钮、指示灯等控制元件均应选用可靠性高、电气寿命长的IEC标准优质产品。、弯管机、电机上的配线,采用包塑金属软管,并配有软管接头，打有管夹,可防止线缆拔脱和线缆的机械损伤。温度传感器选用电流输出形式，温度传感器至控制台数字面板表的信号传输采用屏蔽信号电缆，克服了信号传输过程中的衰减和干扰，保证面板表显示数据的准确性。 
控制系统选用西门子公司的模板式可编程控制器S7-200系列PLC控制，由一个PLC柜组成。PLC和操作台控制柜之间使用PROFIBUS-DP方式通讯。使用触摸屏进行设备状况监视和模拟量标定，进行各打压参数的设置。应具有手动设置予密封力的功能，满足不同管径对设备平衡的要求。 
3.2硬件电路设计的整体思想 
3.2.1 上位机 
采用西门子公司的WINCC作为上位机组态软件,完成上位机监控界面的设计，对加热温度和推进速度的数据实施实时监控和存储，并实现历史数据的查询和打印功能。 
它是4U高14槽机架安装工业电脑机箱，专为任务关键应用而设计。此机箱包括一个通用14槽无源底板、带PFC（功率因数补偿）电源的高效300W ATX和易于维护的双冷却风扇。机箱前面板上的系统状态LED指示灯可显示电源、硬盘和系统电压的运行情况。带有两个高CFM风扇的先进冷却系统能够提供充足的气流来冷却系统的主要部件。前端接线的USB和PS／2键盘I／O接口可以连接各种外部设备，以便进行数据传输、备份和输入。灵活的机械设计支持单PS／2电源或冗余电源（通过更换电源托架）。所有这些特点使IPC-610-H成为性价比最佳和总价最优的选择。它的配置内存是1g的，硬盘是120g的，有光驱，键盘+鼠标，它的配置很高能满足上位机软件运行的要求。 3.2.2 下位机 
下位机由PLC担任，它负责对现场传感器检测到的信号传送给上位机进行信号处理，同时它又把上位机的控制指令翻译成执行指令控制现场可执行元件的动作，从而实现系统整体自动协调动作，完成弯管的作业。工控机和PLC之间的通信是通过专用的PC/ PPI电缆来实现的,PLC和触摸屏之间的通讯是通过RS485/422专用电缆来实现的。 
 PLC实质上是一种专用于工业控制的计算机，其基本硬件结构与一般计算机几乎一样。由于它是对机械或设备或某个系统直接进行控制的装置，所以与一般计算机又有所不同，它使用适宜于控制的专门语言，实时性强，可与各种输入/输出设备直接连接，可在较恶劣的现场环境中工作。 PLC主要由中央处理单元(CPU)、存储器((ROM/RAM)、输入/输出单元(I/O)、电源以及外部设备(如编程器)等几大部分组成。 
 SIMATIC S7-200系列PLC是模块化设计的，使用的模块有基本模块、扩展模块两类，结构简单、成本低廉、功能强大。基本模块有CPU221, CPU 222,CPU224和CPU 226，本系统选用CPU 226，它主要具有以下特点. 
 ①具有一个RS485串行口，支持点对点(PPI)方式、自由方式(Free mode)等多种通讯协议，可以方便地实现同微机、其它PLC、以及打印机之类的外围设备的通信。对该型号PLC的编程，也是通过同一个接口，使用一个RS485到RS232的转换器，由微机来实现的; 
 ②使用超级电容保存数据，在断电以后，可以继续保存程序、数据以及维持时钟准确运行达190小时以上; 
 ③具有较强的中断能力，包括用于自由方式的发送、接收中断，4个由输入信号上升沿或下降沿触发的输入中断，2个定时器中断; 
 ④6个带20kHz时钟的高速计数器，6个30kHz时钟频率的单相计数器，4个20kHz时钟频率的两相计数器: 
SIMATIC S7-200系列PLC的扩展模块是通用的，用于扩充基本模块的输入、输出点数目。扩展模块不仅适用于所有基本模块的扩充，而且扩充操作十分方便，只需使用接口插销，将扩展模块和基本模块，或者和其它扩展模块连接起来，扩充操作就完成了。如EM235型（4路模拟量输入/1路模拟量输出）模拟量扩展模块。EM223数字量输入输出模块，16DI/16DO，继电器输出。 3.2.3 人机接口 
人机接口包括键盘、鼠标和操作台。利用键盘、鼠标，通过电脑操作画面完成参数传递和实时监控显示以及数据报表的打印等操作。操作台完成外围辅助设备的动作，包括钢管推进、温度调节、速度控制等。 
3.3 PLC的选择 
3.3.1 PLC的硬件结构

3.3.2 PLC的选择依据 
PLC控制系统工作电路可分为3部分，输入部分、内部控制电路和输出部分。输入部分就是采集输入信号，输出部分就是系统的执行部件这两部分与继电器控制电路相同。内部控制电路是通过编程方法实现的控制逻辑，用软件编程代替继电器电路的功能。输入部分由外部输入电路、PLC输入接线端子和输入继电器组成。外部输入信号经PLC输入接线端子去驱动输入继电器的线圈。每个输入端子与其相同编号的输入继电器有着惟一确定的对应关系。当外部的输入元件处于接通状态时，对应的输入继电器线圈得电。为使输入继电器的线圈得电，即让外部输入元件的接通状态写入与其对应的基本单元中去，输入回路要有电源。输入回路所使用的电源，可以用PLC内部提供的24V直流电源(其带负载能力有限)，也可由PLC外部的独立的交流或直流电源供电。 
需要强调的是，输入继电器的线圈只能是由来自现场的输入元件处（如控制按钮、行程开关的触点、晶体管的基极-发射极电压、各种检测及保护器件的触点或动作信号等)的驱动，而不能用编程的方式去控制。因此，在梯形图程序中，只能使用输入继电器的触点，不能使用输入继电器的线圈。 
输出部分是由在PLC内部目与内部控制电路隔离的输出继电器的外部动合触点、输出接线端子和外部驱功电路组成，用来驱动外部负载电路的电源必须由外部电源提供，电源种类及规格可根据负载要求去配备，只要在PLC允许的电压范围内工作即可。 
PLC的控制规模是以所配置的输入/输出点数来衡量的。PLC的输入/输出点数表明了PLC可从外部接收多少个输入信号和向外部发出多少个输出信号.实际上也就是PLC的输入、输出端子数。根据I/O点数的多少个将PLC分为小型机、中型机和大型机。一般来说，点数多的PLC，功能也相应较强。I/O点数在256以下的称为小型机。因为此控制系统的需求，所以选择小型的西门子的S7-200系列。 
PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，70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。程序计数器这样的循环操作。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） 
(1)机型的选择 
a) 结构合理:对于工艺过程比较固定,环境条件较好的场合,选用整体式结构PLC ,其他情况则选用模块结构PLC。 
b) 功能相当:对于开关量控制的工程项目,对其控制速度无须考虑,低档机就能满足要求;对于以开关量控制为主,带少量模拟量控制的工程项目,可选用带A/ D 转换、加减运算、数据传送功能的低档机;对于控制较复杂,控制功能要求更高的工程项目,如要求PID 运算、通信联网等,可选用中档或高档机。高档机主要用于大规模过程控制,全PLC 的分布式控制系统以及整个工厂的自动化。 
PLC 的功能选择有以下几种情况:1) 代替继电器,完成条件控制和时序控制功能;2) 完成数学运算,应用于设定值控制、流量计算、PID 调节、定位控制和工程量单位换算等;3) 用于寄存器与数据表的相互传送, 如数据库的生成、信息管理、BATCH 控制、诊断和材料处理等;4) 矩阵功能,它是按位操作,用于设备诊断、状态监控、分类和报警处理等;5) 高级功能,如:高级指令通信能力等;6)诊断功能:PLC 有内诊断和外诊断两种,内诊断是PLC 内部各部件性能和功能诊断,外诊断是中央处理机与I/ O 模块信息交换诊断;7) 串行接口是中型以上的PLC 提供的一个或一个以上串行标准接口RS - 232C ,以便连接打印机、CRT、上位机或另一台PLC。 
c) 机型应统一:因为同一机型的PLC ,其模块可互为备用,便于备品备件的采购和管理,其功能及编程方法统一,有利于技术力量的培训及功能的开发;其外部设备通用,资源可共享,配以上位计算机后,可把控制各独立系统的多台PLC 联成一个多级分布式控制系统,相互通信,集中管理。 
d) 编程方式: PLC 的编程分为离线编程和在线编程两种。中小型PLC 采用离线编程,适用于产品定型的设备和工艺不常变动的设备。大型PLC 多采用在线编程方式,适用于被控设备和工艺常变动的复杂控制 
(2)输入/ 输出的选择 
选好机型后,应根据实际情况确定输入/ 输出的点数及形式。 
a) 确定I/ O 点数:应考虑未来扩充和备用的需要,留10 %～20 %的输入/ 输出点数作备用。 
b) 模拟输入/ 输出接口:它是用来感知传感器产生的信号的。这些接口测量流量,温度和压力的数量值,并用于控制电压或电流输出设备。典型接口量程为- 10～ + 10V ,0～ + 10V ,4～20mA 或10～50mA。 
(3)电源的选择 
PLC 供电电源一般为AC85～240V( 也有DC24V) , 适应电源范围较宽, 但为了抗干扰, 应加装电源净化元件, 例如电源滤波器、1: 1 隔离变压器等。 
PLC 上DC24V 电源的使用:各公司PLC 产品上一般都有DC24V 电源, 但该电源容量小, 仅几十毫安至几百毫安, 用其带负载时要注意容量, 同时做好防短路措施, 因为该电源的过载或短路都将影响PLC 的运行。 
外部DC24V 电源:若输入回路有DC24V 供电的接近开关、光电开关等, 而PLC 上DC24V 电源容量不够时, 要从外部提供DC24V 电源; 但该电源的“负”端不要与PLC 的DC24V 的“负”端以及“公共”端相连, 否则会影响PLC 的运行。 
电源的选择电源模块的选择一般只需考虑输出电流。电源模块的额定输出电流必须大于处理器模块、I/O模块、专用模块等消耗电流的总和。 
综上所示，PLC 应选择S7-200系列，S7-200是整体结构的、就有很高的性能/价格比的小型可编程控制器，根据控制规模的大小（即输入/输出点数的多少），可以选择相应的CPU。下面来介绍可编程控制器S7-200。 

3.4 可编程控制器 S7-200介绍 
3.4.1 S7-200 系统基本组成 
同其他的PLC一样，S7-200的基本组成也是由主机单元加编成器，在需要扩展时，系统组成中还可包括：数字量扩展单元模板、模拟量扩展单元模板、通信设备、人机界面HMI等。 
西门子S7-200 PLC系统是紧凑型可编程序控制器。系统的硬件构架是由成系统的CPU模块和丰富的扩展模块组成。它能够满足各种设备的自动化控制需求。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等。 
S7-200系列PLC可提供4种不同基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成出基本单元、扩展单元外，还有编程器、存储器、写入器、文本显示器等。图3.4.1为S7-200 的基本构成

本控制系统要求的CPU为24 输入/16 输出共42个数字量I/O 点。可连接7 个扩展模块，最大扩展至248 路数字量I/O 点或35 路模拟量I/O 点。26K 字节程序和数据存储空间。6 个独立的30kHz 高速计数器，2 路独立的20kHz 高速脉冲输出，具有PID 控制器。2 个RS485 通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O 端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。功能最强的单元，可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。通过PLC选择要求以及控制系统的需要，可知此控制系统应选择CPU 226型。根据其还可以确定PLC的技术性能，并且确定PLC的输出为继电器输出. 3.4.3 数字量模块的选择 
S7--200扩展模块 

为了更好的满足应用要求，S7-200系列为您提供多种类型的扩展模块。你可以利用块完善CPU的功能。表3.2列出了现有的扩展模块

数字量输入接口电路的作用是把现场的数字( 开关) 量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号。数字( 开关) 量输入接口按可接纳的外部信号电源的类型不同, 分为直流输入接口单元和交流输入接口单元。数字量( 开关) 输入接口单元中都有滤波电路及耦合隔离电路。滤波电路有抗干扰的作用, 耦合电路有抗干扰及产生标准信号的作用。 
根据系统控制的要求，应选择EM 223CN作为该系统的数字模块的扩展，现将EM 223 CN 数字量混合输入/输出模块以及EM 223 CN 24V DC 4 输入/4 输出和 EM223 CN 24V DC 4 输入/4 继电器输出如下图3.4所示:

数字量输出接口的作用是把可编程内部的标准信号转换成现场执行机构所需的数字量信号。 
中间采用光电耦合的作用是抗干扰作用。光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。

 3.4.4 模拟量模块的选择 
模拟量输入接口的作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合可编程序控制器内部处理的信号, 该信号由若干位二进制数字组成。模拟量输入接口接受标准模拟信号, 无论是电压信号还是电流信号均可接收。这里标准信号是指符合国际标准的通用交互用电压电流信号值, 如4 ～20mA 的直流电流信号, 1～10V 的直流电压信号等。工业现场中模拟量信号的变化范围一般是不标准的, 在送入模拟量接口时一般都需经变送处理才能使用。模拟量信号输入后一般经运算放大器放大再进行A/D 转换, 最后经光电耦合, 为可编程控制器提供一定位数的数字量信号。 
模拟量输出接口的作用是将可编程控制器运算处理后的若干位数字量信号转换为响应的模拟量信号输出, 以满足生产过程现场连续控制信号的需求。模拟量输出接口一般由光电隔离、D/A 转换和信号驱动等环节组成。 

根据控制系统的要求，此系统选用的模拟模块EM 231、EM232,其中EM231有3个输入点，无输出点；EM232无输入点，有两个输出点。

上海捷珍自动化科技有限公司提供  13122885533  QQ:373312