基于現(xiàn)場(chǎng)總線的PC構(gòu)件碼垛養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)研究

劉建波，王佳佳，張禮華，方記文

（1.鎮(zhèn)江技師學(xué)院 機(jī)電工程系，鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

近年來，隨著我國(guó)2016年1月1日正式實(shí)施的《工業(yè)化建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中明確規(guī)定（參評(píng)項(xiàng)目的預(yù)制率不應(yīng)低于20%，裝配率不小于50%）。我國(guó)建筑生產(chǎn)模式由“建造”向“拼裝”方式轉(zhuǎn)變。PC構(gòu)件碼垛養(yǎng)護(hù)作為預(yù)制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)線的重要模塊，對(duì)其的電氣自動(dòng)化改造就顯得尤為重要。提高PC構(gòu)件碼垛養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的自動(dòng)化性能，首要解決的關(guān)鍵問題有定位、無軸同步輪同步、智能選庫、

養(yǎng)護(hù)窯體的工藝曲線跟蹤、通訊與監(jiān)控等。針對(duì)解決上述關(guān)鍵計(jì)算問題，本文介紹了一種基于現(xiàn)場(chǎng)總線的PC構(gòu)件碼垛養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)。

1 碼垛養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

該系統(tǒng)由2個(gè)立體養(yǎng)護(hù)窯和1個(gè)碼垛機(jī)組成，養(yǎng)護(hù)窯體對(duì)稱分布在碼垛機(jī)左右兩側(cè)。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走輪沿地導(dǎo)軌橫向移動(dòng)，卷揚(yáng)機(jī)驅(qū)動(dòng)碼垛機(jī)吊籃豎直升降運(yùn)動(dòng)，直線液壓缸驅(qū)動(dòng)推拉桿的推拉運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動(dòng)推拉桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，三相交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)碼垛機(jī)開門運(yùn)動(dòng)，比例電磁閥進(jìn)行養(yǎng)護(hù)窯的溫度濕度調(diào)控。每個(gè)養(yǎng)護(hù)窯有三個(gè)養(yǎng)護(hù)窯體，每個(gè)養(yǎng)護(hù)窯體有7層。

該系統(tǒng)的電氣控制部分由PLC、變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器、溫度傳感器、濕度傳感器、變送器、上位機(jī)、接近開關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器、電磁閥等構(gòu)成。

2 碼垛養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1 碼垛養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)框圖

如圖1所示，該系統(tǒng)以上位機(jī)WINCC作為碼垛機(jī)PLC與養(yǎng)護(hù)室PLC的主站，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理。碼垛機(jī)PLC與養(yǎng)護(hù)室PLC各配一臺(tái)觸摸屏便于現(xiàn)場(chǎng)操作與調(diào)試。

圖2 行走伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接線圖

碼垛機(jī)PLC作為碼垛系統(tǒng)PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)的主站，升降變頻器、開門變頻器A、開門變頻器B通過PROFIBUS-DP通訊卡連接到碼垛系統(tǒng)PROFIBUSDP總線網(wǎng)絡(luò)作為從站。碼垛機(jī)PLC通過通訊的方式對(duì)PROFIBUS-DP從站變頻器進(jìn)行操作。碼垛機(jī)PLC通過數(shù)字量輸出控制液壓電磁閥的狀態(tài)，從而控制液壓缸的動(dòng)作，通過數(shù)字量輸入讀取定位點(diǎn)接近傳感器的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)定位控制。碼垛機(jī)PLC通過高速脈沖輸入讀取升降旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)值，再由PLC內(nèi)部程序運(yùn)算出碼垛機(jī)吊籃實(shí)時(shí)高度，并與目標(biāo)高度進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)吊籃的層定位控制。

養(yǎng)護(hù)室PLC通過模擬量輸入讀取溫度變送器組中從熱電阻反饋過來的溫度值和從濕度傳感器反饋過來的濕度值。養(yǎng)護(hù)室PLC根據(jù)養(yǎng)護(hù)工藝曲線的要求，通過模擬量輸出控制溫控電磁閥與濕控電磁閥通過數(shù)字量輸出控制排氣扇，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各個(gè)養(yǎng)護(hù)體的溫度值與濕度值。

3 關(guān)鍵技術(shù)問題解決方法

3.1 無軸行走輪同步行走運(yùn)動(dòng)控制

碼垛機(jī)定位養(yǎng)護(hù)窯體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是無軸行走輪，因此提高無軸行走輪的同步性，對(duì)碼垛機(jī)同養(yǎng)護(hù)體的行走定位精度的提高至關(guān)重要。如圖2所示，本設(shè)計(jì)由控制器PLC的Q0.0提供高速脈沖給伺服驅(qū)動(dòng)器A，伺服驅(qū)動(dòng)器A利用其同步高速脈沖輸出高速脈沖給伺服驅(qū)動(dòng)器B從而實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)A與伺服電機(jī)B的實(shí)時(shí)高同步運(yùn)動(dòng)。此外，本系統(tǒng)采用伺服驅(qū)動(dòng)器與PLC雙重限位保護(hù)，提高了系統(tǒng)的安全性能。

3.2 基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的變頻器控制

PROFIBUS-DP是一個(gè)性能很強(qiáng)的高速現(xiàn)場(chǎng)總線，它符合工業(yè)通訊的要求，可使許多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如：PLC、變頻器、智能變送器）在同一總線進(jìn)行雙向多信息數(shù)字通訊。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。它采用的物理連接可以是RS-485雙絞線、雙線電纜或光纜，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是樹形、星型、或者環(huán)型，波特率從9.6Kbit/s到12Mbit/s，總線上最多站點(diǎn)數(shù)為126個(gè)。該網(wǎng)絡(luò)具有信息量傳遞大、抗干擾性能力強(qiáng)、通用性強(qiáng)、安裝和運(yùn)行及維護(hù)成本低的優(yōu)點(diǎn)，允許高速度周期性的小批量數(shù)據(jù)通信，適用于對(duì)時(shí)間要求苛刻的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。

如圖3所示，利用TIA Portal V14軟件組態(tài)的基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的碼垛機(jī)變頻器控制網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的方法為：在博途軟件的網(wǎng)路視圖窗口環(huán)境中，添加所用變頻器的GSD文件，并建立連接。本控制系統(tǒng)采用施耐德公司的ATV312系列和ATV61系列變頻器。

圖3 PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

3.3 養(yǎng)護(hù)窯體層定位控制方法

養(yǎng)護(hù)窯體層定位的精度，對(duì)于預(yù)制件的碼垛取送至關(guān)重要，因此對(duì)養(yǎng)護(hù)窯體層定位精度的提高是很有必要的。如圖4所示，本設(shè)計(jì)采用旋轉(zhuǎn)式絕對(duì)編碼器，編碼器軸安裝有繞線輪，繞線輪與編碼器軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，繞線輪上繞線豎直連接于碼垛機(jī)吊籃底部。如圖5所示，編碼器對(duì)碼垛機(jī)吊籃上升實(shí)時(shí)高度進(jìn)行測(cè)量，并將實(shí)時(shí)高度值以高速脈沖的方式反饋給PLC高速脈沖輸入端，形成全閉環(huán)層定位控制系統(tǒng)。

圖4 編碼器布局示意圖

圖5 養(yǎng)護(hù)窯體層定位控制系列框圖

3.4 碼垛機(jī)智能選庫優(yōu)化算法

如圖6所示，該系統(tǒng)有左右兩個(gè)養(yǎng)護(hù)窯，每個(gè)養(yǎng)護(hù)窯有三個(gè)養(yǎng)護(hù)體，養(yǎng)護(hù)體之間獨(dú)立。本智能算法主要以提高碼垛養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的智能化、提高碼垛養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的使用壽命出發(fā)，設(shè)計(jì)出了優(yōu)先級(jí)循環(huán)算法。每個(gè)養(yǎng)護(hù)窯的三個(gè)養(yǎng)護(hù)體編號(hào)為A1、A2、A3，初始化優(yōu)先級(jí)A1最高，A2優(yōu)先級(jí)次之，A3優(yōu)先級(jí)最低。該智能算法首先以最高優(yōu)先級(jí)養(yǎng)護(hù)體A1的已養(yǎng)護(hù)預(yù)制件數(shù)量作為優(yōu)先級(jí)切換條件，當(dāng)其已養(yǎng)護(hù)件總數(shù)大于N件，則進(jìn)行優(yōu)先級(jí)的切換,此時(shí)A2優(yōu)先級(jí)最高，A3優(yōu)先級(jí)次之，A1優(yōu)先級(jí)最低。此時(shí)該智能算法再已最高優(yōu)先級(jí)養(yǎng)護(hù)體A2的已養(yǎng)護(hù)預(yù)制件數(shù)量作為優(yōu)先級(jí)切換條件，當(dāng)其已養(yǎng)護(hù)件總數(shù)大于N件，則進(jìn)行優(yōu)先級(jí)的切換，此時(shí)A3優(yōu)先級(jí)最高，A1優(yōu)先級(jí)次之，A2優(yōu)先級(jí)最低。然后再已最高優(yōu)先級(jí)養(yǎng)護(hù)體A3的已養(yǎng)護(hù)預(yù)制件數(shù)量作為優(yōu)先級(jí)切換條件。此時(shí)該智能算法再已最高優(yōu)先級(jí)養(yǎng)護(hù)體A3的已養(yǎng)護(hù)預(yù)制件數(shù)量作為優(yōu)先級(jí)切換條件，當(dāng)其已養(yǎng)護(hù)件總數(shù)大于N件，則進(jìn)行優(yōu)先級(jí)的切換，此時(shí)A1優(yōu)先級(jí)最高，A2優(yōu)先級(jí)次之，A3優(yōu)先級(jí)最低。然后再已最高優(yōu)先級(jí)養(yǎng)護(hù)體A1的已養(yǎng)護(hù)預(yù)制件數(shù)量作為優(yōu)先級(jí)切換條件，如此循環(huán)。

優(yōu)先級(jí)循環(huán)算法的加入，使得養(yǎng)護(hù)體內(nèi)部部件損耗平均化，提高了養(yǎng)護(hù)窯的整體使用壽命和效率。

3.5 養(yǎng)護(hù)工藝曲線的跟蹤控制

隨著工程建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)于預(yù)制件的強(qiáng)度要求也越來越高，所以蒸養(yǎng)技術(shù)也在不斷改進(jìn)與發(fā)展。過去的養(yǎng)護(hù)技術(shù)比較落后，多采用人工記錄的方法，常常導(dǎo)致溫控工藝曲線較為粗糙，養(yǎng)護(hù)出的預(yù)制件強(qiáng)度不理想。如圖8所示，本溫度控制系統(tǒng)采用一養(yǎng)護(hù)體多溫度濕度傳感器的結(jié)構(gòu)，通過PLC實(shí)時(shí)多點(diǎn)的采集溫度值與濕度值并計(jì)算出平均溫度值與平均濕度值。平均溫度值與平均濕度值作為PID控制的反饋值。最終PLC通過模擬量輸出控制比例電磁閥的開度、通過數(shù)字量輸出控制排氣扇的啟停來控制養(yǎng)護(hù)體的溫度與濕度。

圖6 養(yǎng)護(hù)窯

圖7 預(yù)制件養(yǎng)護(hù)工藝曲線

圖8 養(yǎng)護(hù)窯溫度濕度控制系統(tǒng)框圖

表1 預(yù)制件養(yǎng)護(hù)工藝表

4 養(yǎng)護(hù)窯人機(jī)界面HMI設(shè)計(jì)

圖9 養(yǎng)護(hù)窯人機(jī)界面1

圖10 養(yǎng)護(hù)窯人機(jī)界面2

圖9和圖10為養(yǎng)護(hù)窯人機(jī)界面組態(tài)，窗口畫面切換由畫面切換按鈕完成，其中人機(jī)界面窗口包括：蒸養(yǎng)窯A、蒸養(yǎng)窯B、設(shè)備狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置、配方窗口、報(bào)警窗口、用戶登錄。圖例所示為養(yǎng)護(hù)窯A窗口畫面，該窗口對(duì)養(yǎng)護(hù)窯A區(qū)的庫存與庫空進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示，并且對(duì)A區(qū)的三個(gè)養(yǎng)護(hù)窯體A1、A2、A3進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控顯示。設(shè)備狀態(tài)窗口對(duì)養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警監(jiān)控；參數(shù)設(shè)置窗口可在擁有用戶權(quán)限的情況下對(duì)工藝曲線進(jìn)行編輯；配方窗口可對(duì)工藝曲線進(jìn)行選擇；報(bào)警記錄窗口可以對(duì)養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)報(bào)警進(jìn)行記錄與查詢；用戶登錄窗口用于用戶權(quán)限的登錄。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種基于現(xiàn)場(chǎng)總線的PC構(gòu)件碼垛養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)，其中重點(diǎn)介紹了碼垛養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)、無軸行走輪同步行走運(yùn)動(dòng)控制、養(yǎng)護(hù)窯體層定位控制方法、碼垛機(jī)智能選庫優(yōu)化算法、養(yǎng)護(hù)工藝曲線的跟蹤控制、人機(jī)界面HMI設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)具有通訊能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、定位精度高、可視化、智能化等特點(diǎn)，對(duì)整個(gè)PC構(gòu)件自動(dòng)化生產(chǎn)線的自動(dòng)化性能提高具有指導(dǎo)意義。