基于現場總線的PC構件碼垛養護控制系統研究

劉建波，王佳佳，張禮華，方記文

（1.鎮江技師學院 機電工程系，鎮江 212003；2.江蘇科技大學 機械工程學院，鎮江 212003）

0 引言

近年來，隨著我國2016年1月1日正式實施的《工業化建筑評價標準》中明確規定（參評項目的預制率不應低于20%，裝配率不小于50%）。我國建筑生產模式由“建造”向“拼裝”方式轉變。PC構件碼垛養護作為預制混凝土構件生產線的重要模塊，對其的電氣自動化改造就顯得尤為重要。提高PC構件碼垛養護系統的自動化性能，首要解決的關鍵問題有定位、無軸同步輪同步、智能選庫、

養護窯體的工藝曲線跟蹤、通訊與監控等。針對解決上述關鍵計算問題，本文介紹了一種基于現場總線的PC構件碼垛養護控制系統。

1 碼垛養護系統的結構及工作原理

該系統由2個立體養護窯和1個碼垛機組成，養護窯體對稱分布在碼垛機左右兩側。伺服電機驅動行走輪沿地導軌橫向移動，卷揚機驅動碼垛機吊籃豎直升降運動，直線液壓缸驅動推拉桿的推拉運動，旋轉液壓缸驅動推拉桿的旋轉運動，三相交流異步電動機驅動碼垛機開門運動，比例電磁閥進行養護窯的溫度濕度調控。每個養護窯有三個養護窯體，每個養護窯體有7層。

該系統的電氣控制部分由PLC、變頻器、伺服驅動器、溫度傳感器、濕度傳感器、變送器、上位機、接近開關、旋轉編碼器、電磁閥等構成。

2 碼垛養護控制系統總體結構

圖1 碼垛養護控制系統總體網絡框圖

如圖1所示，該系統以上位機WINCC作為碼垛機PLC與養護室PLC的主站，對整個系統進行實時監控與管理。碼垛機PLC與養護室PLC各配一臺觸摸屏便于現場操作與調試。

圖2 行走伺服電機驅動器接線圖

碼垛機PLC作為碼垛系統PROFIBUS-DP總線網絡的主站，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PROFIBUSDP總線網絡作為從站。碼垛機PLC通過通訊的方式對PROFIBUS-DP從站變頻器進行操作。碼垛機PLC通過數字量輸出控制液壓電磁閥的狀態，從而控制液壓缸的動作，通過數字量輸入讀取定位點接近傳感器的狀態，從而實現定位控制。碼垛機PLC通過高速脈沖輸入讀取升降旋轉編碼器數值，再由PLC內部程序運算出碼垛機吊籃實時高度，并與目標高度進行比較，實現碼垛機吊籃的層定位控制。

養護室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。養護室PLC根據養護工藝曲線的要求，通過模擬量輸出控制溫控電磁閥與濕控電磁閥通過數字量輸出控制排氣扇，從而實時調節各個養護體的溫度值與濕度值。

3 關鍵技術問題解決方法

3.1 無軸行走輪同步行走運動控制

碼垛機定位養護窯體的執行機構是無軸行走輪，因此提高無軸行走輪的同步性，對碼垛機同養護體的行走定位精度的提高至關重要。如圖2所示，本設計由控制器PLC的Q0.0提供高速脈沖給伺服驅動器A，伺服驅動器A利用其同步高速脈沖輸出高速脈沖給伺服驅動器B從而實現伺服電機A與伺服電機B的實時高同步運動。此外，本系統采用伺服驅動器與PLC雙重限位保護，提高了系統的安全性能。

3.2 基于PROFIBUS-DP現場總線的變頻器控制

PROFIBUS-DP是一個性能很強的高速現場總線，它符合工業通訊的要求，可使許多現場設備（如：PLC、變頻器、智能變送器）在同一總線進行雙向多信息數字通訊。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，拓撲結構可以是樹形、星型、或者環型，波特率從9.6Kbit/s到12Mbit/s，總線上最多站點數為126個。該網絡具有信息量傳遞大、抗干擾性能力強、通用性強、安裝和運行及維護成本低的優點，允許高速度周期性的小批量數據通信，適用于對時間要求苛刻的自動化控制系統中。

如圖3所示，利用TIA Portal V14軟件組態的基于PROFIBUS-DP現場總線的碼垛機變頻器控制網絡。該網絡組態的方法為：在博途軟件的網路視圖窗口環境中，添加所用變頻器的GSD文件，并建立連接。本控制系統采用施耐德公司的ATV312系列和ATV61系列變頻器。

圖3 PROFIBUS-DP網絡組態

3.3 養護窯體層定位控制方法

養護窯體層定位的精度，對于預制件的碼垛取送至關重要，因此對養護窯體層定位精度的提高是很有必要的。如圖4所示，本設計采用旋轉式絕對編碼器，編碼器軸安裝有繞線輪，繞線輪與編碼器軸同步轉動，繞線輪上繞線豎直連接于碼垛機吊籃底部。如圖5所示，編碼器對碼垛機吊籃上升實時高度進行測量，并將實時高度值以高速脈沖的方式反饋給PLC高速脈沖輸入端，形成全閉環層定位控制系統。

圖4 編碼器布局示意圖

圖5 養護窯體層定位控制系列框圖

3.4 碼垛機智能選庫優化算法

如圖6所示，該系統有左右兩個養護窯，每個養護窯有三個養護體，養護體之間獨立。本智能算法主要以提高碼垛養護系統的智能化、提高碼垛養護系統的使用壽命出發，設計出了優先級循環算法。每個養護窯的三個養護體編號為A1、A2、A3，初始化優先級A1最高，A2優先級次之，A3優先級最低。該智能算法首先以最高優先級養護體A1的已養護預制件數量作為優先級切換條件，當其已養護件總數大于N件，則進行優先級的切換,此時A2優先級最高，A3優先級次之，A1優先級最低。此時該智能算法再已最高優先級養護體A2的已養護預制件數量作為優先級切換條件，當其已養護件總數大于N件，則進行優先級的切換，此時A3優先級最高，A1優先級次之，A2優先級最低。然后再已最高優先級養護體A3的已養護預制件數量作為優先級切換條件。此時該智能算法再已最高優先級養護體A3的已養護預制件數量作為優先級切換條件，當其已養護件總數大于N件，則進行優先級的切換，此時A1優先級最高，A2優先級次之，A3優先級最低。然后再已最高優先級養護體A1的已養護預制件數量作為優先級切換條件，如此循環。

優先級循環算法的加入，使得養護體內部部件損耗平均化，提高了養護窯的整體使用壽命和效率。

3.5 養護工藝曲線的跟蹤控制

隨著工程建筑行業的不斷發展，對于預制件的強度要求也越來越高，所以蒸養技術也在不斷改進與發展。過去的養護技術比較落后，多采用人工記錄的方法，常常導致溫控工藝曲線較為粗糙，養護出的預制件強度不理想。如圖8所示，本溫度控制系統采用一養護體多溫度濕度傳感器的結構，通過PLC實時多點的采集溫度值與濕度值并計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、通過數字量輸出控制排氣扇的啟停來控制養護體的溫度與濕度。

圖6 養護窯

圖7 預制件養護工藝曲線

圖8 養護窯溫度濕度控制系統框圖

表1 預制件養護工藝表

4 養護窯人機界面HMI設計

圖9 養護窯人機界面1

圖10 養護窯人機界面2

圖9和圖10為養護窯人機界面組態，窗口畫面切換由畫面切換按鈕完成，其中人機界面窗口包括：蒸養窯A、蒸養窯B、設備狀態、參數設置、配方窗口、報警窗口、用戶登錄。圖例所示為養護窯A窗口畫面，該窗口對養護窯A區的庫存與庫空進行實時監控顯示，并且對A區的三個養護窯體A1、A2、A3進行實時溫度監控顯示。設備狀態窗口對養護系統進行實時報警監控；參數設置窗口可在擁有用戶權限的情況下對工藝曲線進行編輯；配方窗口可對工藝曲線進行選擇；報警記錄窗口可以對養護系統報警進行記錄與查詢；用戶登錄窗口用于用戶權限的登錄。

5 結束語

本文介紹了一種基于現場總線的PC構件碼垛養護控制系統，其中重點介紹了碼垛養護控制系統整體結構、無軸行走輪同步行走運動控制、養護窯體層定位控制方法、碼垛機智能選庫優化算法、養護工藝曲線的跟蹤控制、人機界面HMI設計。該控制系統具有通訊能力強、抗干擾能力強、定位精度高、可視化、智能化等特點，對整個PC構件自動化生產線的自動化性能提高具有指導意義。