路陽

（北方重工集團電控液壓設備分公司電氣自動化研究所，遼寧沈陽110141）

1 引言

住宅工業(yè)化是住宅生產方式的變革，其核心是實現由傳統半手工半機械化生產方式轉變成現代住宅工業(yè)化生產方式［1］。裝配式建筑作為住宅工業(yè)化的主要手段，其基礎組件——預制混凝土構件的工廠化生產顯得尤為重要。采用機械化的生產線可以減少工人勞動強度，提高產品質量和生產效率。由于采用工廠化定點批量生產，最大限度減少建筑垃圾及廢棄物的排放，滿足國家環(huán)境保護政策對建筑行業(yè)推廣綠色施工的要求［2］。

Beckhoff 公司基于PC 的自動化技術以工業(yè)PC、現場總線模塊、驅動和TwinCAT 自動化軟件等產品為體系，該體系產品具有網絡拓撲靈活、安全擴展便利、產品兼容性強、與第3方設備接口豐富等特點，采用該技術的預制混凝土生產線，極大地滿足了生產控制要求。

2 生產線布局及工藝控制要求

該預制混凝土構件生產線采用平模傳送流水法進行生產，產品以平板類產品為主，可生產4種類型預制混凝土構件，分別為疊合樓板、雙層墻板、實心墻板和三明治墻板，年產量為100萬m2。

為了滿足北方地區(qū)冬季可以連續(xù)生產預制混凝土構件，生產線布置在室內，其工藝布置如圖1所示，其生產線橫向跨度155 m，縱向跨度48 m，生產工位總計51個，有18個功能區(qū)域。

圖1 預制混凝土構件生產線工藝布置Fig.1 Precast concrete component production line layout

圖1中，1為邊模庫，2為邊模庫機械手，3為橫移車，4為鋼筋平網生產，5為鋼筋網放置，6為格構梁放置，7 為格構梁存儲，8 為格構梁生產線，9為布料機及振搗，10為翻轉裝置，11為抹平，12為堆垛，13為養(yǎng)護窯，14為拆模起重，15為產品儲運車組，16為傾卸，17為邊模清洗，18為托盤清洗。

該預制混凝土構件生產線具有流水化控制特點。在生產時，托盤（底模）按照產品的生產工位步序由工位摩擦輪控制高低速進行順序橫向移動，橫移車控制縱向移動，相應工位的機械設備對托盤進行操作，如邊模置放、混凝土澆注等，完成預處理操作后，在養(yǎng)護窯進行6～8 h 50 ℃恒溫蒸養(yǎng)，達到其強度80%以上即可出窯，出窯后經過傾卸拆模，成品由儲運車組運輸到庫區(qū)，而托盤和拆卸后的邊?；氐竭吥爝M行循環(huán)生產。由于整個生產線在生產過程中，設備動作頻繁，其中包括大量機械手和起重設備，因此對操作人員的安全性要求較高。下述以疊合樓板為例，其生產工藝流程如圖2所示。

圖2 疊合樓板生產工藝流程Fig.2 Laminated floor production process

3 生產線網絡及系統組成

根據生產線現場車間布局及功能區(qū)域分類，將預制混凝土構件生產線控制系統分為5個子系統，分別為中央控制子系統、托盤循環(huán)子系統、邊模清洗及置放子系統、鋼筋網放置子系統和格構梁放置子系統。

根據系統劃分及控制基本要求，整個系統采用3 層網絡結構，其中上層網絡采用Ethernet，由交換機CU2008、中央控制子系統PC、各子系統控制器CP7202 組成，實現中央控制子系統向各子系統發(fā)送接收數據，實現整個系統的監(jiān)控，同時將上層網絡通過交換機CU2008 接入Internet，用于對設備進行遠程診斷及維護，該診斷可以實現底層現場PLC 級的診斷而無需為系統增添硬件設備；中間層控制網絡采用EtherCAT 現場總線，由各子站橋接模塊EL6692 和托盤循環(huán)系統Ether-CAT耦合模塊CU1128組成，完成托盤循環(huán)系統與各子系統之間的控制信號和數據的交換；底層設備控制采用EtherCAT現場總線，各子系統采用主從式網絡結構。系統網絡拓撲示意如圖3所示。

圖3 控制系統網絡拓撲示意Fig.3 Control system network topology

中央控制子系統。由運行監(jiān)控系統的計算機、打印機、UPS 電源組成。該系統主要用于預制混凝土構件生產過程的管理和控制。系統運行時，CAD 數據傳輸到監(jiān)控系統進行預處理，處理的數據在精確的時間內被傳輸到各個獨立設備中，由各設備根據數據進行生產。在產品生產期間，與生產過程相關的數據被存儲，同時對該數據進行分析，以便用于其他生產計劃以及ERP 系統的控制。系統打印機可以對構件生產清單、班次產量、混凝土重量等信息進行打印，UPS 電源為系統不間斷運行提供保障。

托盤循環(huán)控制子系統。1 個主站CP7202，25 個由EK1100 耦合器及安全控制器、安全型數字量輸入輸出模塊、數字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊組成的IO 從站，19 個SEW變頻驅動從站，1 個SMC 氣動閥從站。系統控制器CP7202 中運行3 個PLC，1#PLC 主要完成托盤運輸固定、橫移車移動、傾卸、振搗、抹平、拉絲、翻轉、養(yǎng)護窯門開關；2#PLC 主要完成堆垛機構控制；3#PLC 主要完成混凝土布料機的控制。

邊模清洗及置放子系統。1 個主站CP7202，3個由EK1100耦合器及安全控制器、安全型數字量輸入輸出模塊、數字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊組成的IO 從站，9 個POSIDRIVE伺服驅動從站，1個SMC氣動閥從站。系統控制器CP7202中運行1個PLC，主要完成邊模和托盤底模的清洗、劃線、邊模的擺放，以及將清洗好的邊模放入邊模庫及取出。

鋼筋網放置子系統。1 個主站CP7202，4 個由EK1100 耦合器及安全控制器、安全型數字量輸入輸出模塊、數字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊組成的IO 從站，16 個POSIDRIVE 伺服驅動從站。系統控制器CP7202 中運行1 個PLC，主要完成將生產完畢并儲存的鋼筋網放置到托盤中。

格構梁放置子系統。1 個主站CP7202，3 個由EK1100 耦合器及安全控制器、安全型數字量輸入輸出模塊、數字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊組成的IO 從站，9 個POSIDRIVE 伺服驅動從站。系統控制器CP7202 中運行1 個PLC，主要完成將生產完畢的格構梁按要求切割，并放置到托盤中。

4 控制系統主要功能實現

4.1 安全功能

生產線的安全控制分兩種，即急停安全和機器安全，通過TwinSAFE 安全PLC 端子模塊EL6900，4通道故障安全輸入模塊EL1904，4通道故障安全輸出模塊EL2904 實現。其中模塊EL6900 集成了256 個安全功能塊；安全輸出模塊EL2904 可以開關最大電流達2 A 的24 V 直流執(zhí)行器［3］。

急停安全由復位按鈕、急停按鈕、控制電源反饋觸點組成，2 個急停為常閉觸點，且EstopIn1和EstopIn2 之間為邏輯與關系，當操作員按下急停按鈕或控制電壓反饋觸點K24DC 斷開時，急停輸出EstopOut 斷開，控制電壓繼電器K24DC斷開，切換控制電源，設備停止，功能實現如圖4所示。

機器安全實現時，其安全功能塊與急停功能塊相近，只是在安全外設選擇了安全光幕、雙手控制開關安全門限位和安全門進入確認按鈕，通過在功能塊中對這些安全輸入的失效時間（1 s）進行監(jiān)控，當輸入點在規(guī)定的時間內失效后，觸發(fā)監(jiān)控輸出，利用監(jiān)控輸出點實現相關動作的停止，保證機器安全。

4.2 邊模取置自動控制功能

邊模取置通常采用自動劃線，人工取置邊模和噴油操作，由于人為的失誤可導致產品直接報廢，而采用伺服系統自動控制劃線和邊模取置，提高了系統的控制精度和重復精度，邊模置放精度達到±2 mm。由于控制特點具有很強的流程性，因此采用邏輯控制流程圖法中的循環(huán)流程、條件分支和平行分支來實現設計［4］，其控制功能流程圖如圖5所示。

圖4 急停安全功能Fig.4 Sudden stop safety function

圖5 邊模自動控制流程Fig.5 Side forms automatic control process

5 結論

采用Beckhoff 公司基于PC 的自動化系統，憑借其網絡的拓撲結構靈活和廉價硬件，安全功能與非安全功能無限制配置，以及其上位系統的高級語言接口，與CAD和SQL軟件高兼容性，使得預制混凝土構件生產線的生產效率相比傳統生產提高約26%，人員操作減少到3人，并且減少了由于操作人員的工作失誤導致的產品質量缺陷和機械設備故障，同時采用預制混凝土構件的住宅產業(yè)年能耗降低70%，年節(jié)水80%，為我國節(jié)能減排做出重大貢獻。

［1］劉東衛(wèi)，蔣洪彪，于磊.中國住宅工業(yè)化發(fā)展及其技術演進［J］.建筑學報，2012（4）：10-11.

［2］蔣勤儉.住宅建筑工業(yè)化關鍵技術研究［J］.混凝土世界，2010（9）：34-35.

［3］倍福自動化公司.TwinSAFE 應用手冊［Z］.

［4］宋伯生.PLC 編程實用指南［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.