基于PLC 技術(shù)的發(fā)射裝置清洗設(shè)備

邵光鵬

（鄭州機(jī)電工程研究所，鄭州 450052）

0 引言

隨著我軍實(shí)戰(zhàn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，導(dǎo)彈的使用次數(shù)愈來愈多，對(duì)于發(fā)射裝置內(nèi)筒涂層的清理要求也愈加嚴(yán)格。在使用之后，如不對(duì)其進(jìn)行徹底的清理，則會(huì)使得其在壽命周期內(nèi)無法繼續(xù)使用。發(fā)射裝置的體積大，長(zhǎng)度長(zhǎng)，傳統(tǒng)的清理方法效率低下且清理不徹底，因此尋求一種新的清理方法迫在眉睫，有助于提升工作效率以及工作水平。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，可編程邏輯控制器（PLC）已經(jīng)可以滿足工業(yè)生產(chǎn)的大多數(shù)需求[1-4]，用PLC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)一種新的導(dǎo)彈內(nèi)筒涂層清洗裝置可以滿足新形勢(shì)下對(duì)內(nèi)筒涂層的清洗要求。

基于PLC 技術(shù)的發(fā)射裝置清理裝置主要用于對(duì)發(fā)射裝置內(nèi)壁涂層脫落、破損部位的筒壁進(jìn)行檢查、定位和局部清理，以滿足對(duì)該部位內(nèi)筒涂層進(jìn)行修補(bǔ)的工藝要求，其應(yīng)具備如下主要功能：

（1）對(duì)筒內(nèi)壁、氣密環(huán)-減震墊結(jié)構(gòu)上殘留的火藥灰等固體顆粒進(jìn)行自動(dòng)清理；

（2）導(dǎo)向機(jī)構(gòu)清理過程中不能損壞氣密環(huán)結(jié)構(gòu)；

（3）升降裝置的基座固定在安裝支架上，升降工作臺(tái)通過接口與安裝支架連接，可在所需清理的筒內(nèi)上下移動(dòng)；

（4）升降裝置運(yùn)動(dòng)速度可通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)；

（5）系統(tǒng)設(shè)置故障急停裝置和漏電保護(hù)裝置；

（6）整個(gè)清理裝置的一切行為均在控制系統(tǒng)的控制下進(jìn)行。

1 設(shè)備的工作流程及模式

清洗裝置對(duì)內(nèi)筒的清洗分為兩個(gè)步驟：洗滌劑刷洗和清水清洗。清理裝置采用筒口擱置或螺栓連接方式通過安裝支架與筒相連，水箱放置在地面包含清水箱和清潔液箱，控制系統(tǒng)控制水泵電磁閥先從水箱中將清潔劑混合液抽出，通過噴頭噴到需要沖洗的位置，同時(shí)旋轉(zhuǎn)毛刷開始工作，將筒壁上的污染物向下刷落，在其工作的同時(shí)，升降裝置也按一定的速度比下降運(yùn)動(dòng)，到達(dá)筒底時(shí)，自動(dòng)停止，完成刷洗流程。刷洗過程完成后上升至起始位置，控制系統(tǒng)控制水泵電磁閥先從水箱中的清水中抽出，通過管路系統(tǒng)設(shè)在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)端部的噴頭將清水強(qiáng)力沖刷筒壁，將筒壁上的污染物向下沖落，同時(shí)對(duì)沖洗完成部位進(jìn)行風(fēng)干，并筒內(nèi)壁圖像反饋至控制系統(tǒng)顯示屏上，在其工作的同時(shí)，升降工作臺(tái)也按一定的速度比下降運(yùn)動(dòng)，到達(dá)筒底時(shí)，自動(dòng)停止，完成沖洗流程，工作臺(tái)回復(fù)原位，工作完成。

1.1 自動(dòng)控制模式

（1）選擇自動(dòng)控制模式。

（2）按下“啟動(dòng)”按鈕，系統(tǒng)開始工作，語音提醒系統(tǒng)自動(dòng)工作，同時(shí)警燈閃爍。

（3）系統(tǒng)進(jìn)入用清洗液清洗階段，噴灑清洗液，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，升降工作臺(tái)自動(dòng)下降，毛刷刷洗筒壁。

（4）刷洗至筒底后自動(dòng)向上清洗，刷洗至筒口自動(dòng)停止刷洗。

（5）系統(tǒng)自動(dòng)切換至用清水清洗階段，噴灑清水，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，升降臺(tái)自動(dòng)下降，毛刷刷洗筒壁。噴灑至筒底后自動(dòng)停止噴灑。

（6）系統(tǒng)自動(dòng)切換至高壓風(fēng)干階段，送風(fēng)系統(tǒng)工作，升降工作臺(tái)自動(dòng)下降，自上向下將內(nèi)筒吹干。

（7）吹干至筒底后送風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)停止，完成吹干工作。

（8）系統(tǒng)自動(dòng)切換至檢查階段，檢查裝置360°旋轉(zhuǎn)，升降工作臺(tái)上升，過程中人工檢查筒壁清洗情況，升降工作臺(tái)上升至筒口，自動(dòng)停止，同時(shí)警燈停止閃爍，本次自動(dòng)清洗過程完成。

1.2 手動(dòng)控制模式

（1）如自動(dòng)檢查不滿足要求，選擇手動(dòng)控制模式，語音提醒系統(tǒng)手動(dòng)工作，同時(shí)警燈閃爍。

（2）系統(tǒng)由人工下達(dá)下降指令后升降工作臺(tái)緩慢下降，中間可隨時(shí)停止下降，并可隨時(shí)開啟和停止清洗和風(fēng)干，下降至筒底后自動(dòng)停止。

（3）系統(tǒng)由人工下達(dá)上升指令后升降工作臺(tái)緩慢上升，中間可隨時(shí)停止上升，并可隨時(shí)開啟沖洗和風(fēng)干，升降工作臺(tái)上升至筒口后自動(dòng)停止。

（4）如通過人工檢查滿足要求，本次刷洗工作完成，同時(shí)警燈停止閃爍。反之，可以選擇自動(dòng)清洗模式或手動(dòng)模式再次清洗。過程如上述步驟并有相應(yīng)的語音提示。

2 設(shè)備的結(jié)構(gòu)及要求

清理裝置主要由安裝支架、移動(dòng)清洗模塊（包含升降裝置、刷洗裝置、風(fēng)干裝置、涂層檢查裝置）、控制系統(tǒng)等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)筒的自動(dòng)清洗。使用時(shí)將安裝支架安裝在筒口，為升降裝置配有導(dǎo)筒盤，導(dǎo)向盤可在筒內(nèi)上下移動(dòng)；刷洗裝置可配合升降平臺(tái)上下移動(dòng)對(duì)筒各個(gè)高度位置進(jìn)行清洗，清洗完成后通過風(fēng)干裝置將清洗后的殘余液體進(jìn)行風(fēng)干；涂層檢查裝置含一高清攝像頭，可實(shí)時(shí)反饋筒內(nèi)壁清洗情況圖像至控制系統(tǒng)顯示屏，內(nèi)筒涂層清理裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 內(nèi)筒涂層清理裝置結(jié)構(gòu)示意圖

通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈條運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過導(dǎo)向輪帶動(dòng)移動(dòng)清洗模塊上下移動(dòng)。升降速度可通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。清洗到筒的筒底時(shí)，伺服電機(jī)停止向下，清洗設(shè)備向上清洗，底端和頂端設(shè)有行程開關(guān)，保證設(shè)備不會(huì)觸碰上頂和下底。

旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤軸承旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤軸承與上、下刷頭連接，實(shí)現(xiàn)筒壁的刷洗。旋轉(zhuǎn)速度可通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

水泵為噴頭提供壓力可調(diào)的噴射水，噴水壓力通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

氣泵實(shí)現(xiàn)刷洗后的吹氣風(fēng)干。

360°全景攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)清洗后的質(zhì)量檢查。設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)圖

內(nèi)筒涂層清洗設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需保證其可靠性。在機(jī)械方面采用高精度轉(zhuǎn)盤軸承，高精度伺服系統(tǒng)提供動(dòng)力，保障了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定。在電氣方面選用行程開關(guān)，堅(jiān)固耐用，保證了設(shè)備到位的穩(wěn)定性。信號(hào)線、通訊線等采用屏蔽式電纜，確保其通訊時(shí)不受外界干擾，保證了系統(tǒng)通訊的穩(wěn)定性。

3 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 控制系統(tǒng)的組成

控制系統(tǒng)是系統(tǒng)的控制中心，完成系統(tǒng)的加電以及控制命令的發(fā)送，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的采集，以及檢查圖像的顯示，主要包括控制柜、主體升降控制部分、旋轉(zhuǎn)控制部分、視頻圖像采集部分、高壓水泵控制部分、風(fēng)干陣列控制部分、限位檢測(cè)裝置、導(dǎo)向輪收放控制等組成。水泵、氣泵與控制柜采用活動(dòng)組合成一體化移動(dòng)裝置。為了避免氣泵和水泵工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)影響控制柜工作，氣泵與水泵組合一體，再通過浮動(dòng)連接與控制柜連接，這樣工作時(shí)可以分離，不工作時(shí)可以組合一體，便于移動(dòng)搬運(yùn)、存放。如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

電氣控制柜面板分成三個(gè)區(qū)域?？梢苿?dòng)平板電腦，顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)，并可以通過無線網(wǎng)絡(luò)給PLC發(fā)控制指令，中間部分是狀態(tài)指示燈，指示系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)部件的工作狀態(tài)，下面部分是操作面板，提供設(shè)備指令輸入。電氣控制柜在箱頂設(shè)置三色聲光報(bào)警燈，帶蜂鳴器，平時(shí)顯示綠色燈，工作時(shí)顯示黃色燈，蜂鳴器發(fā)聲，遇到故障后，顯示紅色燈。設(shè)備外接電源的電纜安裝插頭與柜體上的插座相連進(jìn)行供電。外接數(shù)據(jù)線通過柜體上的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行連接。電氣控制柜面板如圖4 所示。

圖4 電氣控制柜控制面板示意圖

平板電腦通過無線HUB 與攝像頭和控制系統(tǒng)PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[5]，將PLC 獲取的升降電機(jī)狀態(tài)、升降速度、升降平臺(tái)位置、上層毛刷旋轉(zhuǎn)電機(jī)狀態(tài)、上層毛刷旋轉(zhuǎn)速度、下層毛刷旋轉(zhuǎn)電機(jī)狀態(tài)、下層毛刷旋轉(zhuǎn)速度、水泵狀態(tài)、水泵壓力、氣泵狀態(tài)等狀態(tài)信息顯示在屏幕上，將檢查攝像頭獲取的圖像顯示在屏幕上，將控制指令發(fā)送給PLC 和攝像頭。平板電腦發(fā)送的控制指令與通過電氣控制柜操作面板按鈕發(fā)送的指令一致[6]。平板電腦與PLC、攝像頭之間的數(shù)據(jù)連接示意圖如圖5 所示。

圖5 平板電腦、攝像頭、PLC 之間的數(shù)據(jù)連接圖

操作面板存在4 個(gè)兩檔開關(guān)分別是：加電/關(guān)電、手動(dòng)/自動(dòng)、高速/低速、清水/清洗液兩檔開關(guān)。

同時(shí)還具備6 個(gè)指令按鈕，啟動(dòng)、急停、上升、下降、清洗、風(fēng)干按鈕。啟動(dòng)按鈕按下，設(shè)備開始工作，在自動(dòng)模式下，根據(jù)流程完成設(shè)備清洗工作，結(jié)束后自動(dòng)彈起；在手動(dòng)模式下，根據(jù)用戶選擇升降裝置（上升、下降）、清洗（毛刷旋轉(zhuǎn)、水泵工作）、風(fēng)干（氣泵工作）狀態(tài)，升降電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、水泵、氣泵分別進(jìn)入工作或者不工作狀態(tài)，用戶再次按下或運(yùn)行到極限位置時(shí)彈起。急停按鈕，停止所有部件的工作（電機(jī)停機(jī)、水泵、氣泵都停機(jī)），待急停按鈕再次按下，繼續(xù)前面沒有完成的工作。上升按鈕，在手動(dòng)模式時(shí)，將升降裝置置為上升狀態(tài)，待按下啟動(dòng)按鈕后，控制升降裝置上升，自動(dòng)模式下不起作用。下降按鈕，在手動(dòng)模式時(shí)，將升降裝置置為下降狀態(tài)，待按下啟動(dòng)按鈕后，控制升降裝置下降，自動(dòng)模式下不起作用。清洗按鈕，在手動(dòng)模式時(shí)，將水泵、兩個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)置為工作狀態(tài)，待按下啟動(dòng)按鈕后，旋轉(zhuǎn)電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，水泵開始供水，自動(dòng)模式下不起作用。風(fēng)干按鈕，在手動(dòng)模式時(shí)，將氣泵裝置為工作狀態(tài)，待按下啟動(dòng)按鈕后，控制氣泵裝置供氣，自動(dòng)模式下不起作用。

3.2 控制系統(tǒng)的要求

基于PLC 技術(shù)的內(nèi)筒涂層清理裝置的電氣控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）系統(tǒng)啟停控制、急?？刂?、漏電保護(hù)功能；

（2）自動(dòng)模式及手動(dòng)模式切換控制：自動(dòng)模式下具備一鍵清洗及風(fēng)干功能；手動(dòng)模式下具備對(duì)清洗裝置升降、噴頭旋轉(zhuǎn)、攝像頭旋轉(zhuǎn)、導(dǎo)向輪收放等單獨(dú)控制功能；

（3）系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示、報(bào)警信息提示及響應(yīng)、故障信息提示及響應(yīng)、報(bào)警解除和故障復(fù)位；

（4）筒內(nèi)表面實(shí)時(shí)圖像顯示；

（5）清洗裝置升降及調(diào)速控制；

（6）噴頭旋轉(zhuǎn)及噴水壓力控制；

（7）攝像頭旋轉(zhuǎn)及圖像傳輸控制：

（8）清洗裝置上升限位、下降限位保護(hù)，電機(jī)短路、過流、過壓、速度超差保護(hù)等功能。

該裝置具備以下要求以保證其運(yùn)行：

（1）硬件的物理閉鎖和軟件的程序閉鎖相結(jié)合；

（2）盡可能多的考慮故障狀況及故障報(bào)警提示；

（3）狀態(tài)顯示、控制系統(tǒng)運(yùn)行、保護(hù)、報(bào)警；

（4）顯示功能包括：升降工作臺(tái)下降速度和位置、噴水壓力、刷洗裝置工作狀態(tài)、攝像頭監(jiān)控筒內(nèi)壁清洗效果并進(jìn)行顯示；

（5）控制面板設(shè)置自動(dòng)清洗和手動(dòng)清洗功能，自動(dòng)清洗時(shí)升降工作臺(tái)升降、噴水系統(tǒng)、刷洗裝置旋轉(zhuǎn)能夠通過預(yù)定程序?qū)崿F(xiàn)一鍵控制，也可通過控制面板實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制進(jìn)行手動(dòng)清洗；

（6）升降工作臺(tái)升降速度、噴水壓力、刷洗裝置旋轉(zhuǎn)速度等可以通過控制面板進(jìn)行設(shè)置；

（7）報(bào)警并停機(jī)：當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，控制系統(tǒng)響應(yīng)指示燈閃爍和蜂鳴器報(bào)警[7]，同時(shí)顯示器顯示故障原因，設(shè)備自動(dòng)停止運(yùn)行；

（8）設(shè)置手動(dòng)控制按鈕，可單獨(dú)對(duì)升降工作臺(tái)升降和導(dǎo)向輪伸縮進(jìn)行控制。

3.3 控制系統(tǒng)的工作原理

邏輯控制流程針對(duì)清洗裝置運(yùn)行過程中發(fā)生的自動(dòng)運(yùn)行模式、手動(dòng)運(yùn)行模式、限位檢測(cè)、報(bào)警、故障等信息進(jìn)行邏輯判斷，并進(jìn)行相應(yīng)處理。邏輯控制流程圖見圖6。

圖6 系統(tǒng)邏輯控制流程圖

控制系統(tǒng)采用PLC 控制器，通過接口電路接收用戶指令，按照用戶指令執(zhí)行手動(dòng)或者自動(dòng)清洗過程，通過接口給風(fēng)機(jī)、水泵、升降驅(qū)動(dòng)裝置、清洗毛刷驅(qū)動(dòng)、涂層檢查裝置發(fā)送工作指令，實(shí)時(shí)獲取各設(shè)備的工作狀態(tài)，并將工作模式、設(shè)備狀態(tài)及清洗效果顯示在顯示屏和指示燈上[8]，控制系統(tǒng)工作原理如圖7所示。

升降電機(jī)和毛刷旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制方法一致，但其選用的PLCIO 端口不同[9]，其控制電路如圖8 所示。

圖7 控制系統(tǒng)原理圖

圖8 伺服電機(jī)控制電路圖

針對(duì)升降電機(jī)，根據(jù)預(yù)設(shè)的速度（2.5 cm·s-1）控制升降電機(jī)升降，當(dāng)根據(jù)升降位置范圍，到達(dá)最下端后，不再繼續(xù)下降，只能往上運(yùn)行；當(dāng)?shù)竭_(dá)最上部位置時(shí)，不再往上提升，只能往下下降，其中最上位置和最下位置均可通過系統(tǒng)設(shè)置。

針對(duì)毛刷旋轉(zhuǎn)電機(jī)，兩電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度一致，轉(zhuǎn)速360 r/min（可調(diào)），經(jīng)過3:1 減速后毛刷的旋轉(zhuǎn)速度為120 r/min，由于不需要控制位置，所以沒有抱閘。

通過斷路器（帶漏電保護(hù)）QF1、QF2 接通系統(tǒng)電源，顯示器顯示主畫面。主畫面包括攝像頭傳回的筒內(nèi)表面實(shí)時(shí)視頻，清洗裝置的下降速度、噴水壓力和清洗裝置當(dāng)前距井口的位置距離，以及系統(tǒng)報(bào)警、故障等提示信息。系統(tǒng)遇到緊急情況時(shí)，可通過急停按鈕S1 進(jìn)行系統(tǒng)急停。通過自動(dòng)/手動(dòng)切換開關(guān)S4 切換工作模式。在自動(dòng)工作模式下，按下啟動(dòng)按鈕S2，將按照預(yù)定的程序開啟一鍵清洗帶風(fēng)干工作，按下停機(jī)按鈕S3，停止系統(tǒng)工作。在手動(dòng)工作模式下，可通過按鈕S7 單獨(dú)開啟風(fēng)機(jī)工作，通過按鈕S8 單獨(dú)開啟高壓水泵工作。清洗裝置升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)、噴頭、毛刷、攝像頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)均通過伺服驅(qū)動(dòng)器（單元）進(jìn)行調(diào)速控制。旋鈕調(diào)節(jié)1、調(diào)節(jié)2 輸出模擬量信號(hào)，經(jīng)控制器轉(zhuǎn)換計(jì)算后，通過CAN 通信發(fā)送給清洗裝置升降伺服驅(qū)動(dòng)器、旋轉(zhuǎn)伺服單元，從而調(diào)節(jié)清洗裝置下降速度、噴頭、毛刷和攝像頭的位置[10]。當(dāng)清洗裝置運(yùn)行到筒底時(shí)觸發(fā)下行限位，此時(shí)清洗裝置停止下降運(yùn)動(dòng)，可以做上升運(yùn)動(dòng)；當(dāng)清洗裝置運(yùn)行到井口時(shí)觸發(fā)上行限位，此時(shí)清洗裝置停止上升運(yùn)動(dòng)，可以做下降運(yùn)動(dòng)。當(dāng)清洗過程中，扭矩大于規(guī)定值時(shí)，切斷升降裝置和旋轉(zhuǎn)裝置的電源，系統(tǒng)急停，經(jīng)檢查無故障后，按故障復(fù)位可以恢復(fù)運(yùn)行。

4 結(jié)論

基于PLC 的內(nèi)筒涂層清理裝置采用高壓水射流清洗技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模擬內(nèi)筒壁的清洗。水射流清洗可根據(jù)清洗對(duì)象不同可方便的調(diào)節(jié)水射流清洗系統(tǒng)水壓與流量，不會(huì)損傷被清洗的內(nèi)筒表面，工作時(shí)與被清洗表面沒有物理接觸，清洗效果好，清洗效率高。

內(nèi)筒涂層清理裝置內(nèi)設(shè)有風(fēng)干陣列，在高壓水射流清洗之后可及時(shí)將內(nèi)筒上的殘水吹走并風(fēng)干。其還設(shè)有涂層檢查裝置，可對(duì)內(nèi)筒360°檢查涂層破損情況及清洗效果，將圖像實(shí)時(shí)傳送到控制系統(tǒng)，視頻圖像由監(jiān)控屏顯示。

基于PLC 的內(nèi)筒涂層清理裝置采用自動(dòng)化設(shè)計(jì)方案，既有效地提高生產(chǎn)率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，又降低成本，體現(xiàn)了其適用性、經(jīng)濟(jì)性、可行性。該設(shè)備各零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性、電機(jī)、減速機(jī)等元件的選型已經(jīng)過詳細(xì)的計(jì)算，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足實(shí)際清理任務(wù)的要求，技術(shù)合理可行，目前正開展后續(xù)生產(chǎn)以及使用工作。