電桿鋼筋籠自動變徑滾焊機無線檢測控制系統研究

邵貴偉， 楊練根， 懷義文

（1. 湖北工業大學 機械工程學院，武漢430068；2. 宜昌海天超聲技術有限公司，湖北 宜昌443000）

0 引 言

隨著建筑業、鐵路行業、市政建設與工業排水管道、隧道橋梁、電站與電網建設等行業的高速發展，對電線桿、樁基保護樁、涵管等各種鋼筋混凝土管的需求越來越大。經過多年的發展，我國在鋼筋籠滾焊機裝備的研發和生產上取得了一些突破，技術水平也有了大幅度的提高，針對等徑鋼筋籠的滾焊加工已有了成型產品，但電桿直徑小、長度較長，一般的鋼筋籠有1/75的錐度；且焊接過程中氣缸式自動鎖緊夾具會逐步運動到距PLC達10～15 m遠處，傳統的有線控制會帶來接線纏繞及安全問題。另外，繞筋隨焊接裝置高速旋轉，與主筋接觸，形成焊接觸點，傳統的有線控制同樣會帶來絲線的纏繞問題。滾焊機自動氣動支撐裝置和推籠裝置也會造成接線纏繞、破損等問題。這對于電桿骨架滾焊機的結構設計和控制系統研發增加了很大難度。

傳統的變徑機構多為齒輪傳動式和鏈輪傳動式，機構復雜，制造和裝配難度大，且變徑不直觀。近些年來遠程無線通信控制技術趨于成熟，出現了ZigBee技術、紅外技術、無線射頻通信技術等[1-3]。

本文根據電桿鋼筋籠的結構特點和需求，采用工控機和PLC，研發了基于PLC控制技術、LORA射頻通信技術和紅外遙控技術的滾焊機控制系統，實現對滾焊機的在線實時監測和無線控制，避免了接線纏繞，提升了滾焊機的自動化程度。

1 電桿鋼筋骨架滾焊機概述

電桿鋼筋籠滾焊機主要由變徑裝置、焊接裝置、移動驅動裝置、上料裝置、推輪裝置、控制系統等組成。本項目以節能高效為出發點，設計出結構新穎的變徑裝置、焊接牢固率高的旋轉焊接裝置、自動化程度高的移動驅動裝置、實時調整高度的旋轉焊接裝置等滾焊機結構裝置，配合自動化程度更高的PLC控制系統與無線射頻通信、紅外通信控制系統，形成一整套完整的性能更高的電桿鋼筋籠滾焊機裝置。

由氣動式鋼筋夾具和其他部件組成的移動驅動裝置實現拉筋進給以形成繞筋間距，由物料架、氣動式鋼筋籠支撐補償裝置對鋼筋籠實現平穩支撐。最后由推籠裝置完成卸籠動作。圖1所示為整個項目的技術路線，圖2所示為鋼筋籠滾焊機的部分模型結構。

圖1 滾焊機研發技術路線

圖2 電桿鋼筋籠滾焊機模型結構

2 滾焊機控制系統總體方案設計

如圖3所示，上位機的主要任務是通過觸摸屏輸入待加工的鋼筋籠的結構尺寸和工藝參數至PLC并進行在線監測，PLC的控制任務包括：1）控制4臺變頻器，驅動變徑電動機、拉筋電動機、焊接電動機、旋轉托筋盤電動機；2）根據設定的工藝參數計算4個電動機的轉速，通過算法確保這4個電動機實現的變徑、拉筋進給、旋轉焊接、托筋盤旋轉的轉速匹配以實現鋼筋籠焊接；3）基于ITT協議，接收繞絲輸送裝置用行程開關引發的紅外信號；4）對編碼器計數以實現變徑計算，確保變徑精度和繞絲間距精度；5）通過無線LORA通信方式控制氣動支撐裝置、推輪機構的9個氣缸，實現對鋼筋籠的自動平穩支撐和推籠裝置的動作，卸下鋼筋籠；6）通過無線LORA通信方式控制自動夾具的氣缸，使氣動式自動夾具實現松開與夾緊；7）故障處理、異常報警。

圖3中，通過對變徑電動機的編碼器計數和絲桿導程、變徑算法，結合鋼筋籠的幾何參數進行變徑。根據實時焊接長度，由PLC運行程序控制變徑變頻器，驅動變徑電動機實現滾焊機自動變徑。

圖3 電桿鋼筋骨架滾焊機控制系統結構框架圖

繞筋間距精度由拉筋電動機和旋轉焊接電動機的工作情況共同決定，系統通過工藝要求輸入繞筋間距和旋轉焊接電動機的給定轉速，通過對拉筋電動機的編碼器計數對實時焊接長度和理論焊接長度進行比較，得到糾偏控制量，經過D/F數頻變換，輸出至拉筋變頻器，通過SPWM控制技術控制拉筋小車速度，保證繞筋間距精度。

通過無線傳感原理和轉速匹配技術，使安裝在旋轉焊機裝置上并與托筋盤上繞筋相連的無線位移傳感器向PLC發送信號，控制旋轉托筋盤變頻器，通過PID技術以調整旋轉托筋盤（絲盤）電動機的轉速，實現轉速匹配。

3 基于LORA射頻通信和紅外控制的多工位遠程控制系統

在滾焊機工作時，氣缸式自動鎖緊夾具會運動到距PLC較遠位置處，滾焊機的一些自動氣動支撐裝置和推籠裝置同樣距主控裝置PLC位置較遠，滾焊機的旋轉焊接裝置和拖筋盤在工作情況下高速旋轉，給繞筋輸送匹配焊接速度控制帶來難度。因此，傳統的有線控制會帶來接線纏繞、接線不便及安全問題。針對上述問題，利用無線LORA射頻通信控制技術對氣動自動鎖緊夾具、氣動支撐裝置和推籠裝置的氣缸電磁閥進行遠程無線控制，利用紅外技術控制旋轉焊接裝置中控制繞筋輸送的松緊度，實現鋼筋籠滾焊機的自動化焊接。

“一帶一路”倡議促進了東西方文化的交流互鑒，也給圖書館帶來了新的發展機遇與挑戰，圖書館應通過文化傳承、交流與學習、創新服務等形式，積極在“一帶一路”建設中發揮重要作用［3］。對此，相關研究文章從多個角度進行了闡述。

3.1 氣缸電磁閥無線控制

3.1.1 硬件設計

為滿足對氣缸自動夾頭、5個氣動支撐裝置、4個推籠裝置的無線運動控制的需求。采用三菱FX3U系列PLC，串口轉無線LORA收發器、數據匯總模塊、無線開關量模塊、基于無線射頻通信控制的智能I/O擴展模塊，其控制其系統框架如圖4所示。

圖4 氣缸控制結構框架圖

采用三菱FX3U系列PLC，主站模塊選用ZKB-2R1L作為網關數據匯總模塊，實現串口轉LORA數據匯總，負責集中收集匯總ZKD子模塊的數據并處理斷線重連及保護機制。基于MODBUS-RTU和固定格式指令串通信協議，從站模塊選用ZKD-4I4RO-LORA作為無線開關量模塊，基于無線射頻LORA通信控制的智能I/O控制，用于輸出開關量信號控制氣缸電磁閥。

3.1.2 系統通信設置

1）上位機與ZKB-2R1L通信。無線串口模塊ZKB-2R1L支持MODBUS-RTU通信協議，在協議中，上位機向其發送16進制的8字節數據的控制指令，例如：01 01 00 00 00 08 54 OD。其中：01為站號地址；01為功能碼（讀線圈地址）；00 00 00 08為數據位；54 OD為CRC校驗高低位。無線串口模塊ZKB-2R1L接受來自上位機的串口數據，對數據解析后，將控制指令發送到無線開關量模塊，執行電磁閥的開關量控制。

2）LORA射頻通信設置。

a. LORA射頻通信組網。無線LORA射頻通信技術支持用戶對設備進行遠距離低功耗無線控制及采集操作，針對鋼筋籠滾焊機的實際需求，控制往返運動用于夾緊鋼筋的氣缸電磁閥，以及距離較遠的5臺氣動支撐裝置和4臺推籠裝置。在該通信組網中設置1個無線串口模塊和兩個無線開關量模塊，其組網圖如圖5所示。

圖5 組網圖

b. LORA模塊通信設置。ZKB-2R1L是針對ZKD子站模塊而設計的網關/DTU數據匯總模塊，該模塊存在兩種模式：模式一為網關數據匯總模式，模式二為通信透傳模式。模式一：ZKB主站自動匯總各個子站的數據到自己內部寄存器，上位機只需要讀寫ZKB主站內部寄存器即可獲得數據，而無需分別訪問子站模塊，節省了上位機資源。模式二：ZKB主站不匯總數據，僅僅是將上位機過來的請求轉發給各個子站，同時再將各個子站的數據反向轉發給上位機，僅僅具備數據雙向轉發功能。考慮到上位機的負荷和開發難度，其工作模式選用采用網關數據匯總模式。組網中的ZKD模塊都有一個唯一的子站地址，且保持不變，ZKB主站接受上位機的控制指令，后發送給目標子站。

ZKB控制子機1的DO輸出寄存器數據發送格式示例如下：01 0f 00 00 00 18 03 ff ff ff 71 f4。其中：01為子站地址；0f為指令號，0f為寫多路D0；00 00為從哪一路開始寫，00 00=Y1開始寫；00 18為要寫多少路；03為后面的字節數；ff ff ff為發送的數據內容；71 f4為CRC校驗碼。

根據滾焊機的工作狀態，借助傳感信號反饋給上位機，再根據和ZKB模塊及ZK模塊之間的數據發送格式，對發送指令進行編碼，后有ZKD模塊將控制指令發送給對應氣缸電磁閥，完成主筋的夾緊和松開動作，以及每個節段鋼筋籠不同截面的氣動支撐與推籠動作。

3.2 繞筋輸送速度無線控制

繞筋隨焊接裝置高速旋轉，與主筋接觸，形成焊接觸點，傳統的有線控制同樣會帶來絲線的纏繞問題，如圖6所示，采用紅外遙控技術控制繞筋的輸送速度實現鋼筋籠焊接。轉速異常釋放差速信號轉化為繞筋張緊信號，使3個并聯的壓力傳感裝置觸發其中1個或全部紅外按鈕，系統主要由3個并聯的紅外發射裝置和1個紅外接收設備組成。由紅外接收電路接收紅外信號并與PLC的輸入端口相連，通過PLC基于模糊PID控制算法調節旋轉托筋盤電動機轉速，實現轉速匹配，并控制旋轉焊接裝置中繞筋輸送的松緊度，從而實現鋼筋籠滾焊機的自動化焊接。

圖6 繞筋輸送速度控制框架圖

3.2.1 模糊PID控制算法設計

采用輸出增量累加的方式，該算法僅需e（k）、e（k-1）和e（k-2）三個采樣值，減少了編程過程中數據存儲難度。

由于傳統PID控制難以適應參數時變性、非線性和結構不確定性，采用模糊控制算法與傳統PID控制相結合的模糊PID控制策略，以提高系統的魯棒性和實時性。基于串口通信，將下位機計算產生的誤差e（k）和誤差變化率ec（k）輸入到工控機的MATLAB軟件作為模糊輸入，經過定義的模糊推理和決策，得到系統PID控制的決策參數Δkp、Δki、Δkd，再到PLC中與初始定義參數求和，得到實際控制參數。

使用Mamdani的min-max法則進行推斷，結合加權平均法去模糊化，設定控制參數的調整量為遞增式，所有輸入量和輸出量采用相同的模糊子集，隸屬度函數選用對稱均勻分布的三角形形式，根據PID的誤差逐級逼近原則和自身調整原則，建立Δkp、Δki、Δkd的輸出控制規則。以Δki為例，模糊控制規則如表1所示。

表1 Δki模糊控制規則

4 滾焊機控制系統軟件開發

4.1 滾焊機控制系統軟件功能分析

滾焊機控制系統軟件主要分為用戶管理模塊、運行模塊、設置模塊、查詢模塊、幫助模塊等5個功能模塊。

用戶管理模塊可對工程師和操作人員權限進行管理；運行模塊包含手動、自動和報警功能。運行模塊可根據預存參數設置自動變徑、自動焊接和中斷后或任一節點處繼續運行等功能；設置模塊包含參數設置、語言切換和通信設置部分；查詢模塊包含歷史數據查詢、診斷出錯程序查詢、操作人員和時間節點查詢；幫助模塊可提供用戶手冊、在線資源和滾焊機版本信息[1]。

4.2 電桿鋼筋籠滾焊機控制系統程序設計

電桿鋼筋籠自動變徑滾焊機控制系統軟件部分主要由以下組成。

1）自動變徑控制程序。根據輸入的電桿鋼筋籠長度L和截面大端直徑D，計算出變徑裝置中的滑動導桿需要移動的位移量Δl，PLC與變頻器通信，通過輸出的模擬量信號來控制變頻器，由變頻器進一步控制變徑變頻電動機，實現對變徑變頻電動機的控制。同時，PLC通過編碼器對變徑變頻電動機和移動牽引電動機的高速脈沖計數，得到焊接成型的鋼筋籠長度x和變徑電動機轉速，與理論數據進行對比，根據反饋的誤差信號調整電動機轉速。焊接過程中變徑絲桿所需位移量Δl計算公式為：y=-x/75+D；Δl=D-y=x/75。

2）托筋盤轉速匹配程序。根據輸入的旋轉電動機轉速，結合鋼筋籠焊接成型的截面直徑，用同步轉速匹配算法計算出托筋盤電動機轉速，PLC通過輸出信號來控制變頻器，進一步控制托筋盤電動機，通過紅外裝置元器件形成閉環的控制回路，應用模糊PID技術，使托筋盤驅動電動機與旋轉焊接電動機保持轉速匹配。

3）移動牽引裝置控制程序。根據設置電桿鋼筋籠的繞絲間距和旋轉焊接電動機轉速，計算出移動牽引電動機的運行轉速。由PLC輸出控制指令來調節變頻器輸出頻率，從而改變牽引電動機的轉速。通過編碼器的高速脈沖計數模塊將牽引電動機當前位移和轉速反饋給PLC，調整進給移動電動機的轉速。圖7所示為變頻電動機控制框圖。

圖7 變頻電動機控制框圖

4）移動式氣動夾具動作程序。基于無線LORA射頻通信，實現PLC對運動中的遠距離氣缸電磁閥的控制，以鎖緊或松開氣動夾具。

5）系統報警程序。工控機采集各個傳感器的信號，對讀取的數據進行處理和分析，以決定是否報警或停機。

4.3 控制系統人機界面設計

滾焊機的上位機軟件采用LabVIEW設計，其圖形化編程語言（G語言），可處理數值、數組、字符串、布爾等格式數據，具有數據通信、信號處理、函數運算、控制仿真等功能[10]，通過上位機完成焊機旋轉轉速、工作電壓、焊接電流、繞筋間距、鋼筋籠長度、鋼筋籠段徑等參數設置。在滾焊機工作過程中，實現操作參數記錄、焊接評估、故障查詢等功能。

電桿鋼筋籠焊接自動運行的參數設置和控制命令要通過觸摸屏進行。因此，本項目采用了人機交互的方式，如圖8所示。用戶在觸摸屏輸入的參數傳到PLC，PLC通過計算生成電動機的旋轉量、轉速等參數，然后發送到變頻器，控制各個電動機的轉動，從而實現鋼筋骨架的焊接作業。

圖8 滾焊機操作面板

滾焊機的操作主界面如圖9所示。滾焊機操作參數設置界面如圖10所示。

圖9 鋼筋籠滾焊機的操作主界面

圖10 滾焊機操作參數設置

4.4 滾焊機控制系統實驗驗證

本項目提出的電桿鋼筋籠控制系統應用于對應的校企合作企業，以電桿鋼筋籠滾焊機為控制對象，構建了基 于PLC 及無 線LORA射頻通信技術和紅外技術的滾焊機控制系統。整套電桿鋼筋籠滾焊機順利通過湖北省機械工程學會組織的鑒定委員會鑒定。

通過滾焊機的實際運行測試，能夠根據用戶定制要求成功生產高質量的電桿鋼筋籠，電桿鋼筋籠滾焊機控制系統已運行近1 a時間，高效穩定，可靠性滿足應用要求。

5 結 語

本文介紹了一種電桿鋼筋籠滾焊機控制系統的總體控制系統及相應的硬件和軟件。基于PLC控制系統、無線LORA射頻通信技術和紅外控制技術，該系統可實現鋼筋籠滾焊機的基本控制，并使用上位機對滾焊機控制系統進行實時監測；利用無線LORA射頻通信技術和紅外控制技術實現遠程自動夾具氣缸的無線控制和滿足旋轉繞筋輸送過程中的轉速匹配，避免了裝置運動過程中接線纏繞問題，提高安全性和自動化水平。實驗結果表明，該控制系統運行穩定可靠，實時性強，具備很強的應用價值。