硬件中斷功能在鋼管樁防腐修復設備中的應用

馬振江，楊三元，舒方法，楊安韜

（中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

鋼管樁二次防腐修復設備是我院針對碼頭鋼管樁潮差區二次防腐維護問題自主研發的一種新型碼頭鋼管樁防腐修復設備（見圖1），該設備采用干式施工方法，能夠自航到鋼樁位置完成抱樁動作，并完成對鋼樁的清洗、表面處理和涂層噴涂等工作。

圖1 鋼管樁二次防腐修復設備Fig.1 The tw ice anti-corrosion repair equipment for steelpipe pile

鋼管樁二次防腐修復設備采用干式施工噴涂重防腐涂層的方法，用一個上下部均密閉的圓筒狀防腐作業設備主體將鋼樁圍閉起來，并將其固定于樁身，然后用潛水泵將海水排凈，在防腐作業設備主體內通風，形成干式環境，接著除去鋼樁上的附著海生物、銹蝕和舊涂層，進而噴涂一層重防腐涂層，最后脫樁并轉至下一根需要維護的鋼樁，其工藝流程為：抱樁→排水→表面處理→表面風干→噴涂底漆→風干至指干→噴涂面漆→風干至指干→脫樁。

1 內部行走機構

作業井內部行走機構要完成整根鋼管樁的防腐修復，首先要實現圓周的旋轉，完成同一層面鋼管樁的360°掃描，其次要實現垂向行走動作，完成1根管樁的所有層面的防腐修復作業，在整個控制系統中，圓周掃描機構和上下行走機構的控制是其中的一個重點，在表面處理過程控制和油漆噴涂過程控制中，其核心就是控制圓周掃描機構和上行行走機構的動作。內部行走機構的結構如圖2所示。

圖2 內部行走機構Fig.2 The inner walkingmechanism

在表面處理過程和油漆噴涂過程中控制圓周掃描機構和上行行走機構的動作邏輯基本類似，但運動速度不同，動作開始的起始位置不同。下面以油漆噴涂過程為例說明內部行走機構的工藝流程。

待高壓無氣噴涂設備的工作壓力穩定后開啟噴涂設備，垂直行走機構行走至稀釋劑回收位置，開啟噴槍將油漆填充至管路；填充完畢后關閉噴槍，行走機構自動上行至上限位，然后下行12.5 cm（1/2噴槍幅寬），右側噴頭組跟隨圓周掃描行走機構由90°運動到0°，即空行程；然后開啟噴槍，右側噴頭組跟隨圓周掃描行走機構由0°運動到180°，同時左側噴頭組跟隨圓周掃描行走機構由180°運動到360°，即完成了該高度段內鋼樁整個圓周表面的油漆噴涂工藝；關閉噴槍，垂直行走機構帶動圓周掃描行走機構向下行25 cm（噴槍幅寬），開啟噴槍，此時圓周掃描行走機構反向旋轉，右側噴頭組跟隨圓周掃描行走機構由180°運動到0°，同時左側噴頭組跟隨圓周掃描行走機構由360°運動到180°，即完成了該高度段內鋼樁整個圓周表面的油漆噴涂工藝；按照該運動方式循環，直至鋼樁整個維護段全部完成油漆噴涂[1-3]。

2 高速計數器模塊測量及硬件中斷功能設計

2.1 高速計數器模塊設計

在水下鋼樁防腐項目中，對上下行走機構和圓周掃描機構的控制是非常重要的，由于在表面處理和油漆噴涂過程中會產生大量的氣霧，所以攝像頭無法打開，為了讓操作人員在母船上能夠觀察到防腐作業設備內部行走機構的狀態，分別在圓周掃描機構和上下行走機構上安裝編碼器來采集行走機構的運動信息，用安裝在分布式I/O模塊上的高速計數器FM350-1模塊記錄編碼器信息，然后通過PROFIBUS-DP網絡傳輸到CPU上。在CPU內通過具體的控制算法完成對行走機構的控制并實時把行走機構的位置信息通過MPI網絡傳輸給上位機，在上位機組態主界面上顯示出來。

2.2 高速計數器硬件組態

在西門子編程軟件SIMATICManager打開硬件配置Hardware雙擊選擇FM350-1模塊，在彈出的窗口內設置編碼器的電壓、分辨率、計數方向、軟件門等參數；并設定測量方式，測量方式分為單次計數（single counting）、頻率測量（frequency measurement）、轉速測量（RPM measurement）、持續周期測量（continuous periodic measurement），這里選擇單次計數；計數方向為雙向計數，計數范圍為-31～+31 Bits；并為FM350-1模塊指定1個應用程序數據塊；設定完畢后下載到PLC中。

2.3 高速計數器軟件設計

根據工藝要求編制高速計數器數據采集程序，如圖3所示，DB10數據塊是在硬件組態中為FM350-1模塊指定的應用程序數據塊，該數據塊內存儲了編碼器的當前計數值、預設值、比較值等參數，“SW_GATE”為計數模塊軟件門，對軟件門置1后模塊開始計數，在程序中調用DB10.DBD34即可讀出當前計數值；對“T_CMP_V1”和“T_CMP_V2”進行置位可以設定2個比較值，FM350-1模塊對當前計數值和預設的比較值進行比較，計數器當前值向上或向下超過預設值時模塊觸發硬件中斷，PLC根據當前計數值和當前的工況通過具體的控制算法進行對圓周和上下行走機構進行精確的控制[4]。

圖3 高速計數器數據采集程序Fig.3 Data collection procedure ofhigh-speed counter

2.4 高速計數器硬件中斷

根據工藝要求，圓周行走機構在表面處理和油漆噴涂工藝過程中需要使用不同的速度，高壓水射流設備噴射出的高壓水柱的寬度為25 mm，噴涂設備的噴槍噴出的油漆為扇形，幅寬25 cm，這樣在表面處理和油漆噴涂工藝流程中，圓周行走機構下行和旋轉所走的步長必須精準，如果實際步長超過設定步長，會造成部分鋼樁沒有被處理，如果實際步長小于設定步長，這樣在噴涂過程中會引起油漆流掛的現象，影響二次防腐的效果。在油漆噴涂流程中，圓周行走機構運動的速度為400 mm/s，鋼樁表面膜厚為100μm，為了提高圓周行走和上下行走機構的動作精度，本系統在編程中采用硬件中斷的方式。

在圓周掃描機構和上下行走機構動作時，PLC發出命令到輸出模塊，輸出模塊控制繼電器動作，其中PLC程序的掃描周期一般為幾十到100多ms，繼電器的動作周期為35 ms，液壓系統從接到信號到液壓馬達停止動作還需要一定時間的延誤，為了提高控制系統的響應，在程序中使用硬件中斷的方式來處理，當編碼器計數值到達預設值時，功能模塊FM350-1模塊產生中斷信號觸發硬件中斷，CPU立即響應中斷。CPU暫停正在執行的程序，調用中斷源對應的中斷程序，執行完中斷程序后，返回被中斷的程序斷點處繼續執行原來的程序，這樣可以提高系統的反應速度，提高圓周掃描機構和上下行走機構的動作精度。

硬件中斷組織塊（OB40～OB47）用于快速響應信號模塊（SM，即輸入/輸出模塊）、通訊處理器（CP）和功能模塊（FM）的信號變換，具有中斷能力的信號模塊將中斷信號傳送到CPU時，或者當功能模塊產生一個中斷信號時，將觸發硬件中斷。在硬件組態編輯器中，設置FM350模塊中斷類型為硬件中斷，如圖4所示，在彈出的快捷菜單中選擇“Hardware”。

圖4 設置硬件中斷Fig.4 Setup the hardware interrupt

選擇“Hardware”之后，模塊參數分配窗口中的“Hardware Interrupt Enable”中的中斷選項就可以選擇了，見圖5。

圖5 硬件中斷功能選擇Fig.5 Select thehardware interrupt function

在硬件功能選擇界面中勾選“Reaching comparison value 1 up”和 “Reaching comparison value 1 down”，這樣在計數器值到達預設值1的時候就會觸發硬件中斷，然后在西門子編程軟件SIMATICManager中調用OB40，由模塊中斷狀態字“#OB40_POINT_ADDR”可得模塊的中斷狀態，其類型為Dword，其中雙字內各個位代表模塊的中斷狀態可查圖6。

其中對圓周行走編碼器需設定2個方向的硬件中斷，分別為左旋和右旋到設定位置，上下行走編碼器設定一個方向的硬件中斷，為下行到設定長度時觸發中斷，對于模塊中斷狀態字“#OB40_POINT_ADDR”第四位為增計數方向時到達比較值1，第五位為減計數方向到達比較值1，在程序中提前設置好比較值的數值大小，當計數值到達預設的比較值后，觸發硬件中斷，CPU在執行完當前程序的當前指令（即斷點處）后，立即響應中斷。CPU暫停正在執行的程序，調用中斷源對應的中斷程序OB40，根據模塊中斷狀態字“#OB40_POINT_ADDR”和觸發中斷模塊起始字節地址“OB40_MDL_ADDR”判斷出是哪一個計數器模塊觸發的何種中斷，然后執行圓周行走機構反向和上下行走機構下行的程序，執行完中斷程序后，返回被中斷程序的斷點處繼續執行原程序，使系統響應更加迅速，提高了系統的控制精度。見圖7。

圖7 硬件中斷功能編程Fig.7 Programm ing of the hardware interrupt function

3 結語

在鋼管樁二次防腐修復設備中，內部行走機構的控制是控制系統的重點也是難點，精確的控制內部行走機構的運動路線和速度是保證鋼管樁防腐蝕處理質量的關鍵。本系統中采用高速編碼器作為反饋，采用硬件中斷功能進行控制，提高了系統的響應速度和控制精度，滿足了系統的使用要求。

[1] 欒桂濤，唐聰.犧牲陽極和包覆材料聯合保護在友誼港的防腐應用[J].中國港灣建設，2012（2）：106-109.LUANGui-tao,TANGCong.Application ofanti-corrosion protection with sacrificial anodes combined with coating materials in Mauritania Friendship Port[J].China Harbour Engineering,2012(2)：106-109.

[2] 趙軼惠，梁慶華，王石剛，等.碼頭鋼樁潮差區和浪濺區自動化防腐處理工藝與設備研究[J].機械科學與技術，2008，27（8）：1 077-1 080.ZHAOYi-hui,LIANGQing-hua,WANG Shi-gang,et al.An automated anti-corrosivemaintenance equipment for steel pipe piles in splash and tidalzone[J].Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering,2008,27(8)：1 077-1 080.

[3] 吳希革.杭州灣跨海大橋鋼管樁的涂層防護[J].腐蝕與防護，2006，27（8）：424-425.WUXi-ge.Coating protection for steelpipe pilesofHangzhou Bay Bridge[J].Corrosion&Protection,2006,27(8)：424-425.

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