一種軌道式推移質(zhì)自動加沙器的設(shè)計

栗克國，倪文軍，劉培杰

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456）

一種軌道式推移質(zhì)自動加沙器的設(shè)計

栗克國，倪文軍，劉培杰

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456）

摘要：介紹一種軌道式推移質(zhì)自動加沙器的設(shè)計。裝置由軌道和加沙器兩部分組成，加沙器包含運(yùn)動小車、盛沙容器、控制系統(tǒng)、輸入輸出四部分組成。通過設(shè)置工作參數(shù)可使行走速度、加沙速度連續(xù)可調(diào)。裝置具備較高的自動化程度，具備缺沙、低電壓報警、計算加沙率、與上位機(jī)通信等功能。裝置使用PLC智能控制器作為控制核心，使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動設(shè)備運(yùn)動，具備較好的控制精度和較強(qiáng)的穩(wěn)定性。該裝置可有效的替代人工加沙，可提高相關(guān)模型試驗(yàn)的試驗(yàn)精度和自動化程度。

關(guān)鍵詞：推移質(zhì)；自動加沙；模型試驗(yàn)；自動控制；PLC

在泥沙模型試驗(yàn)中，為滿足泥沙運(yùn)動相似，要求對模型加沙量進(jìn)行控制［1］。依據(jù)泥沙輸移方式的不同，泥沙試驗(yàn)包括懸移質(zhì)、推移質(zhì)、臨底沙、河床質(zhì)等類型，其中懸移質(zhì)和推移質(zhì)在試驗(yàn)過程中最為重要。針對懸移質(zhì)加沙系統(tǒng)，目前已經(jīng)有包括天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所、中國水利水電科學(xué)研究院、河海大學(xué)等單位研制出具備較高精度和自動化水平的懸移質(zhì)加沙系統(tǒng)。但針對推移質(zhì)自動加沙系統(tǒng)，僅有水利水電科學(xué)研究院和清華大學(xué)進(jìn)行了相關(guān)研究，且尚未推廣應(yīng)用，大部分模型試驗(yàn)依然使用人工加沙方式進(jìn)行。

為解決泥沙模型試驗(yàn)的推移質(zhì)自動加沙問題，天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所研制了一套軌道式的推移質(zhì)自動加沙器系統(tǒng)。加沙機(jī)以PLC控制器為核心，控制加沙器在加沙斷面上按照規(guī)定的速度和方式往復(fù)行走加沙，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)行走速度、加沙速度和加沙方式，亦可通過上位機(jī)進(jìn)行遙控加沙。

該系統(tǒng)經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證證明其自動化程度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，加沙精度高，可以取代人工加沙。

1　結(jié)構(gòu)及加沙器設(shè)計

1.1總體結(jié)構(gòu)

1.1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)

推移質(zhì)自動加沙器機(jī)械上包括鋁合金軌道小車本體、加沙容器、驅(qū)動結(jié)構(gòu)、輸沙結(jié)構(gòu)、限機(jī)構(gòu)等。小車本體在軌道上往復(fù)運(yùn)動，通過槽與軌道交接；加沙容器安放于小車本體上部，過支撐座與小車本體交接；驅(qū)動結(jié)構(gòu)為步進(jìn)電和齒輪組，通過齒輪帶動小車槽輪轉(zhuǎn)動；輸沙構(gòu)安裝在小車本體的加沙容器下方，通過步進(jìn)機(jī)帶動傳輸帶輸送沙樣；限位機(jī)構(gòu)包括前進(jìn)限位、后退限位等，由行程開關(guān)組成。

圖1　自動加沙器機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Mechanical structure diagram of automatic sand feeder

自動加沙器的整體結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

1.1.2電氣結(jié)構(gòu)

自動加沙器的電氣結(jié)構(gòu)部分包括供電、電源轉(zhuǎn)換、用電設(shè)備三部分。設(shè)計中采用蓄電池供電方案，經(jīng)過交流逆變器將蓄電池的直流電逆變?yōu)?20 V的單項(xiàng)交流電，在經(jīng)過電源模塊轉(zhuǎn)換為不同電壓等級的直流電，供給控制器、傳感器、電機(jī)等用電設(shè)備。

1.2機(jī)械部分設(shè)計

1.2.1軌道設(shè)計

自動加沙器運(yùn)行軌道設(shè)計為鋁合金材質(zhì)的L型軌道，軌道間距設(shè)計為55 cm，軌道長度可根據(jù)用戶要求定制，軌道高度可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)。

1.2.2加沙小車設(shè)計

從圖1可以看到，加沙小車本體包括小車底盤和小車外殼。小車底盤使用鋁合金材質(zhì)加工而成，底盤下面安裝4個槽輪，其中2個槽輪為驅(qū)動輪，通過光軸連接起來，并用軸承座固定在小車底盤上。光軸上安裝有齒輪，通過齒輪副與驅(qū)動電機(jī)連接。

小車外殼采用焊接及鈑金工藝加工而成，與小車底盤通過螺栓交接。

1.2.3驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計

小車驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用齒輪變速機(jī)構(gòu)，驅(qū)動電機(jī)輸出軸上安裝一齒數(shù)較少的主動輪，驅(qū)動輪光軸上安裝一齒數(shù)較多的從動輪，通過齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)力矩傳遞。

1.2.4輸沙機(jī)構(gòu)設(shè)計

輸沙機(jī)構(gòu)包括輸沙電機(jī)、輸沙皮帶、支撐輪等部件。輸沙電機(jī)采用混合式步進(jìn)電機(jī)，通過一齒輪減速箱連接到輸沙帶的主動輪上，帶動主動輪轉(zhuǎn)動。主動輪轉(zhuǎn)動時，帶動其上的輸沙帶和支撐輪同步轉(zhuǎn)動，即可將沙樣輸送到模型上。

1.2.5加沙容器設(shè)計

加沙容器為一漏斗形狀容器，頂部口大，底部口小，下方小口為出沙口，該口上安裝有調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)出沙口大小，方便控制加沙速度。設(shè)計加沙容器容積為60 L，設(shè)計滿載沙樣重量為150 kg。出沙口處還安裝有一小型攪拌電機(jī)，能夠?qū)Τ錾晨谔幍纳硺舆M(jìn)行攪拌疏松，防止出沙口堵塞。

1.3電氣部分設(shè)計

1.3.1供電設(shè)計

自動加沙器供電部分設(shè)計為蓄電池供電方式。由于蓄電池輸出12 V電源，因此在蓄電池后端連接一電源逆變器將12 V直流電轉(zhuǎn)成220 V交流電，再經(jīng)過電源模塊轉(zhuǎn)換成不同電壓的直流電供傳感器，控制器等設(shè)備使用。

1.3.2驅(qū)動電機(jī)設(shè)計

自動加沙器上設(shè)計有兩臺電機(jī)，一臺用于驅(qū)動加沙器前進(jìn)后退，一臺用于帶動輸沙帶轉(zhuǎn)動。由于加沙速度與小車運(yùn)動速度和輸沙帶運(yùn)動速度密切相關(guān)，因此驅(qū)動電機(jī)和輸沙電機(jī)全部選擇混合式步進(jìn)電機(jī)?？紤]到電機(jī)直接驅(qū)動扭矩不足，因此電機(jī)后面安裝齒輪減速箱進(jìn)行變比減速。

1.4控制部分設(shè)計

1.4.1控制器設(shè)計

自動加沙器采用SIEMENS S7?200 PLC控制器。S7?200系列控制器是一種可編程序邏輯控制器（Micro PLC），它能夠控制各種設(shè)備以滿足自動化控制需求。S7?200的用戶程序中包括了位邏輯、計數(shù)器、定時器、復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算以及與其他智能模塊通訊等指令內(nèi)容，從而使它能夠監(jiān)視輸入狀態(tài)，改變輸出狀態(tài)以達(dá)到控制目的。緊湊的結(jié)構(gòu)、靈活的配置和強(qiáng)大的指令集使S7?200成為各種控制應(yīng)用的理想解決方案。

自動加沙器設(shè)計中，使用S7?200 PLC作為控制核心，擴(kuò)展模擬量采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，擴(kuò)展無線傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，使用TD400C文本顯示器進(jìn)行人機(jī)界面交互。

1.4.2人機(jī)交互設(shè)計

人機(jī)交互設(shè)計是影響自動加沙器易用性的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)自動加沙器的實(shí)際需求，設(shè)計了文本顯示器和上位機(jī)軟件兩種人機(jī)交互方式。兩種人機(jī)交互方式可以單獨(dú)運(yùn)行。

TD400C是S7?200專用的文本顯示器，用于查看、監(jiān)控和修改S7?200用戶程序中的過程變量，可顯示4行文本，每行最多12個中文字符，分辨率為192×64像素。TD400C有8個功能鍵，與SHIFT鍵配合，最多可以定義16個功能鍵。它通過高速PPI與S7?200 PLC通訊，速率可達(dá)187.5 KB/S［2］。TD 400C的程序存在于PLC中，可通過Step7 micro win直接編程，可通過定義面板上的功能鍵（F1～F8）動態(tài)顯示當(dāng)前加沙器的工作狀態(tài)信息，加沙時間、運(yùn)行時間、電池電壓及報警提示信息，便于工作人員監(jiān)測。

1.4.3通信設(shè)計

盡管SIEMENS提供了大量的通信方式和組態(tài)軟件，但費(fèi)用偏高，不適于中小規(guī)模控制系統(tǒng)的應(yīng)用［3］。因此，自動加沙器設(shè)計時，使用PLC的自由口通信功能，通過自主編程實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。

PLC提供的串口為RS485串口，上位機(jī)串口為RS232C，因此中間增加232轉(zhuǎn)485模塊進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換。為了實(shí)現(xiàn)更大的靈活性，使用ZIGBee無線數(shù)據(jù)傳輸模塊代替通信線纜實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的無線傳輸。

2　系統(tǒng)功能設(shè)計及PLC軟件設(shè)計

2.1總體功能設(shè)計

2.1.1自動加沙器工作流程

自動加沙器的工作流程為：（1）將軌道放置在需要加沙的模型斷面上；（2）是將自動加沙器放置在運(yùn)行軌道上，人工推動加沙器在軌道上運(yùn)行一段距離；（3）是向盛沙容器中添加適量的沙子；（4）是打開加沙器電源，讓加沙器進(jìn)行自檢；（5）是當(dāng)加沙器自檢通過后，使用TD400C或者上位機(jī)設(shè)置加沙器的運(yùn)行參數(shù)；（6）是啟動加沙過程。如果加沙器工作在往復(fù)運(yùn)動限位模式，則需要實(shí)現(xiàn)在第二步時在軌道上調(diào)整限位塊以保證加沙器能夠正常觸發(fā)限位。

當(dāng)達(dá)到預(yù)定的加沙時間或者出現(xiàn)報警信息以及接收到停止加沙指令后，加沙器自動返回到軌道一端并停止加沙。

2.1.2自動加沙器工作模式介紹

自動加沙器支持往復(fù)運(yùn)動連續(xù)加沙、定時定長加沙和上位機(jī)控制隨動加沙3種工作模式。在往復(fù)運(yùn)動連續(xù)加沙模式下，加沙器在軌道上勻速運(yùn)動，遇到限位后自動返向運(yùn)動。在運(yùn)動過程中，加沙電機(jī)驅(qū)動輸沙帶向模型加沙。但收到停止加沙指令后，則自動等待運(yùn)動到軌道一端時停止加沙。當(dāng)盛沙容器中沙子不足時，小車運(yùn)動到軌道一端時暫停5 s，并發(fā)出聲光提示信息，提示用戶添加沙洋。

在定時定長加沙模式下，不使用兩端限位控制加沙器往復(fù)運(yùn)動，而是通過定時時長控制加沙器往復(fù)運(yùn)動，當(dāng)加沙時間達(dá)到預(yù)設(shè)時間后，則自動停止加沙。

在上位機(jī)控制隨動加沙模式下，加沙器的運(yùn)動和加沙過程完全由上位機(jī)控制，上位機(jī)通過發(fā)送運(yùn)動指令和相關(guān)參數(shù)控制加沙器以設(shè)定的速度進(jìn)行運(yùn)動和加沙。該模式下，上位機(jī)軟件可隨時調(diào)節(jié)加沙電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即可以隨時調(diào)節(jié)模型端面的加沙速度，也可以通過載入數(shù)據(jù)進(jìn)行隨動跟蹤加沙。

2.1.3稱重系統(tǒng)設(shè)計

自動加沙器具備在線稱重功能，該功能通過稱重傳感器及PLC的AD采集模塊以及PLC程序?qū)崿F(xiàn)。稱重傳感器是電子稱重的核心部件，從原理上分為電阻應(yīng)變式、壓磁式、振弦式等［4］。電阻應(yīng)變式稱重傳感器應(yīng)用于靜態(tài)、動態(tài)條件下質(zhì)量或力的測量，在工業(yè)生產(chǎn)過程檢測、控制、自動稱量等領(lǐng)域已大量應(yīng)用。在加沙器設(shè)計中，使用3個圓柱型稱重傳感器，成三角形布置在加沙容器的下方，加沙容器壓在3個傳感器上，從而獲得3個重量值，經(jīng)過軟件處理，獲得系統(tǒng)重量。

AD采集模塊使用EM231模塊，該模塊有4個模擬輸入端，通過R與“+”端子短接，電流信號與相應(yīng)的“+”端和“-”端連接，采集3個稱重模塊的電流信號。通過設(shè)置模塊上的撥碼開關(guān)設(shè)置采集模塊的工作模式［5］。

2.2軟件設(shè)計

2.2.1PLC的編程

S7?200系列PLC軟件編程使用專門的工具軟件STEP 7?Micro/WIN，目前該軟件已經(jīng)升級為V4.0SP9，支持windows XP，windows7等操作系統(tǒng)。軟件使用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計，每個功能模塊實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)特定的功能。

自動加沙器的工作過程為基于條件的往復(fù)運(yùn)動過程，各個子動作之間沒有太多的邏輯性和先后順序，因此在程序設(shè)計時使用控制狀態(tài)字的方法進(jìn)行程序設(shè)計，符合特定的狀態(tài)字執(zhí)行特定的動作。

STEP 7?Micro/WIN支持三種編輯器：梯形圖（LAD）、語句表（STL）和功能塊圖（FBD）。盡管有一定的限制，但是用任何一種程序編輯器編輯的程序都可以用另外一種程序編輯器來瀏覽和編輯。

自動加沙器的PLC程序包括初始化模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、通信模塊、電機(jī)控制模塊、采集模塊、報警模塊等。每個模塊由一個或多個網(wǎng)絡(luò)表或者子程序組成。初始化模塊用于初始化PLC的IO口狀態(tài)和串口狀態(tài)，參數(shù)設(shè)置模塊用于實(shí)現(xiàn)對加沙器的參數(shù)設(shè)置，通信模塊主要處理與上位機(jī)的通信，電機(jī)控制模塊主要用于控制步進(jìn)電機(jī)動作，采集模塊主要功能為采集電池電壓、剩余沙量等數(shù)據(jù)，報警模塊主要用于輸出報警。

2.2.2TD400C的組態(tài)

TD400C是一種專門用于S7?200CPU的低成本人機(jī)界面，使用戶能夠與應(yīng)用程序進(jìn)行交互。使用TD400C可實(shí)現(xiàn)顯示報警、調(diào)整程序變量、設(shè)置CPU的時間和日期、訪問和編輯CPU存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)等功能。本應(yīng)用中主要實(shí)現(xiàn)對自動加沙器參數(shù)的設(shè)置、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示、工作模式選擇、報警顯示等功能。

TD400C的組態(tài)不需要專門的軟件，使用STEP 7?Micro/WIN的“文本顯示向?qū)А苯M態(tài)文本顯示屏幕和報警信息。根據(jù)需要，按照“文本顯示向?qū)А钡奶崾就瓿稍O(shè)置后，也就完成了TD400C的組態(tài)。然后把組態(tài)信息下載到CPU中，組態(tài)信息就會生效。

組態(tài)完成后，會自動生成TD_CTRL_0和TD_ALM_0兩個子程序，程序中無需調(diào)用這2個子程序即可實(shí)現(xiàn)組態(tài)的相關(guān)功能。

2.2.3步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計

采用晶體管輸出的200系列CPU支持兩路高速脈沖輸出Q0.0和Q0.1，可以產(chǎn)生高速脈沖串（PTO）或者脈寬調(diào)制（PMW）信號波形。該信號可以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動控制。

在對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制時，需要用到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器由超大規(guī)模集成電路組成，包括電源接口、信號輸入接口和輸出接口，其中需要與PLC連接的是信號輸入接口，一般只需連接脈沖接口的方向信號接口即可。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度［6］。

通過設(shè)置SMB67，SMB168參數(shù)，由PLS脈沖輸出指令即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)按照設(shè)定速度、加速度進(jìn)行定長運(yùn)動的功能。通過更改包絡(luò)線的相關(guān)參數(shù)即可更改步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度和運(yùn)行距離等參數(shù)。圖2為通過PLS指令控制步進(jìn)電機(jī)的梯形圖子程序模塊。

2.2.4通信部分設(shè)計

與S7?200系列PLC進(jìn)行通信主要有以下幾種方式：（1）通過西門子組態(tài)軟件WinCC，這種方法通信速度快，可靠性高，但需要購買軟件，且價格很高，適用于大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)；（2）觸摸屏監(jiān)控，這種方法不需要考慮通信的問題，已由廠家解決，可靠性高，但靈活性不好，功能也不強(qiáng)，且價格比較高；（3）通過第三方軟件與PLC進(jìn)行通信，這種方法靈活，投資少，但系統(tǒng)需要開發(fā)，工作量大，可靠性也不能得到保證，對技術(shù)人員的水平和經(jīng)驗(yàn)都要求較高，使用方需向開發(fā)方購買，第三方軟件主要有OPC，Microcomputing，Prodave等［7］。除此之外，PLC還支持自由口通信，通信協(xié)議完全由用戶自定義，設(shè)計自由度較高。

圖2　步進(jìn)電機(jī)控制梯形圖子程序Fig.2Subprogram of ladder diagram for stepping motor control

比較分析各種不同的通信方式，推移質(zhì)加沙器設(shè)計中使用自由口通信的方式，通過發(fā)送指令XMT和接收指令RCV進(jìn)行數(shù)據(jù)通信操作。每條指令由30個字節(jié)的字符串組成，包括起始字符、功能字區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)、校驗(yàn)區(qū)和結(jié)束字符。約定起始字符為“＞”號，結(jié)束字符為“＜”。

3　結(jié)論

以西門子S7?200 PLC及TD400C為核心的推移質(zhì)自動加沙器充分發(fā)揮了TD400C文本顯示器的友好人機(jī)界面功能和S7?200CPU224XP的可靠的性能；依靠步進(jìn)電機(jī)和稱重傳感器實(shí)現(xiàn)了加沙量的精確控制，設(shè)備可實(shí)現(xiàn)手動、自動的操作功能，具有一定的推廣應(yīng)用價值。

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Biography：LI Ke?guo（1983-），male，engineer.

中圖分類號：TH 86；TV 139.16

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-8443（2014）05-0558-05

收稿日期：2013-08-13；修回日期：2013-09-27

作者簡介：栗克國（1983-），男，河南省人，工程師，主要從事水運(yùn)工程自動化系統(tǒng)研究工作。

A design of rail?mounted automatic sand feeder for bed load

LI Ke?guo，NI Wen?jun，LIU Pei?jie
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Ministry of Transport，Tianjin 300456，China）

Abstract:A design of rail?mounted automatic sand feeder for bed load was introduced in this paper.The ma?chine consists of track and sand feeder device two parts.Sand feeder device consists of four parts，movement ma?chine，sand vessel，control system and input&output.Some parameters such as moving speed and adding rate can be set.The device with high degree of automation can achieve such functions as sand shortage alarm，low battery alarm，calculating adding rate and communication with upper computer.PLC intelligent controller is used as the core of the device，and the stepper motors are used as drive device.The device has good control accuracy and stabil?ity，which can replace the manual work and improve the automation degree.

Key words:bed load;automatic sand feed;model test;automation;PLC