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(lái)，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(wèn)題有定位、無(wú)軸同步輪同步、智能選庫(kù)、

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(wèn)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?yè)P(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(kāi)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(kāi)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(kāi)門變頻器A、開(kāi)門變頻器B通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)模擬量輸入讀取溫度變送器組中從熱電阻反饋過(guò)來(lái)的溫度值和從濕度傳感器反饋過(guò)來(lái)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(guò)模擬量輸出控制溫控電磁閥與濕控電磁閥通過(guò)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(wèn)題解決方法

3.1 無(wú)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(wú)軸行走輪，因此提高無(wú)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(shù)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(kù)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(lái)越高，所以蒸養(yǎng)技術(shù)也在不斷改進(jìn)與發(fā)展。過(guò)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(guò)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(guò)模擬量輸出控制比例電磁閥的開(kāi)度、通過(guò)數(shù)字量輸出控制排氣扇的啟停來(lái)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(huà)面切換由畫(huà)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(huà)面，該窗口對(duì)養(yǎng)護(hù)窯A區(qū)的庫(kù)存與庫(kù)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(yǔ)

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(wú)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(kù)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。