基于PLC 技術的發射裝置清洗設備

邵光鵬

（鄭州機電工程研究所，鄭州 450052）

0 引言

隨著我軍實戰化進程的不斷推進，導彈的使用次數愈來愈多，對于發射裝置內筒涂層的清理要求也愈加嚴格。在使用之后，如不對其進行徹底的清理，則會使得其在壽命周期內無法繼續使用。發射裝置的體積大，長度長，傳統的清理方法效率低下且清理不徹底，因此尋求一種新的清理方法迫在眉睫，有助于提升工作效率以及工作水平。隨著計算機技術的不斷發展，可編程邏輯控制器（PLC）已經可以滿足工業生產的大多數需求[1-4]，用PLC 技術實現一種新的導彈內筒涂層清洗裝置可以滿足新形勢下對內筒涂層的清洗要求。

基于PLC 技術的發射裝置清理裝置主要用于對發射裝置內壁涂層脫落、破損部位的筒壁進行檢查、定位和局部清理，以滿足對該部位內筒涂層進行修補的工藝要求，其應具備如下主要功能：

（1）對筒內壁、氣密環-減震墊結構上殘留的火藥灰等固體顆粒進行自動清理；

（2）導向機構清理過程中不能損壞氣密環結構；

（3）升降裝置的基座固定在安裝支架上，升降工作臺通過接口與安裝支架連接，可在所需清理的筒內上下移動；

（4）升降裝置運動速度可通過控制系統調節；

（5）系統設置故障急停裝置和漏電保護裝置；

（6）整個清理裝置的一切行為均在控制系統的控制下進行。

1 設備的工作流程及模式

清洗裝置對內筒的清洗分為兩個步驟：洗滌劑刷洗和清水清洗。清理裝置采用筒口擱置或螺栓連接方式通過安裝支架與筒相連，水箱放置在地面包含清水箱和清潔液箱，控制系統控制水泵電磁閥先從水箱中將清潔劑混合液抽出，通過噴頭噴到需要沖洗的位置，同時旋轉毛刷開始工作，將筒壁上的污染物向下刷落，在其工作的同時，升降裝置也按一定的速度比下降運動，到達筒底時，自動停止，完成刷洗流程。刷洗過程完成后上升至起始位置，控制系統控制水泵電磁閥先從水箱中的清水中抽出，通過管路系統設在旋轉系統端部的噴頭將清水強力沖刷筒壁，將筒壁上的污染物向下沖落，同時對沖洗完成部位進行風干，并筒內壁圖像反饋至控制系統顯示屏上，在其工作的同時，升降工作臺也按一定的速度比下降運動，到達筒底時，自動停止，完成沖洗流程，工作臺回復原位，工作完成。

1.1 自動控制模式

（1）選擇自動控制模式。

（2）按下“啟動”按鈕，系統開始工作，語音提醒系統自動工作，同時警燈閃爍。

（3）系統進入用清洗液清洗階段，噴灑清洗液，轉盤轉動，升降工作臺自動下降，毛刷刷洗筒壁。

（4）刷洗至筒底后自動向上清洗，刷洗至筒口自動停止刷洗。

（5）系統自動切換至用清水清洗階段，噴灑清水，轉盤轉動，升降臺自動下降，毛刷刷洗筒壁。噴灑至筒底后自動停止噴灑。

（6）系統自動切換至高壓風干階段，送風系統工作，升降工作臺自動下降，自上向下將內筒吹干。

（7）吹干至筒底后送風系統自動停止，完成吹干工作。

（8）系統自動切換至檢查階段，檢查裝置360°旋轉，升降工作臺上升，過程中人工檢查筒壁清洗情況，升降工作臺上升至筒口，自動停止，同時警燈停止閃爍，本次自動清洗過程完成。

1.2 手動控制模式

（1）如自動檢查不滿足要求，選擇手動控制模式，語音提醒系統手動工作，同時警燈閃爍。

（2）系統由人工下達下降指令后升降工作臺緩慢下降，中間可隨時停止下降，并可隨時開啟和停止清洗和風干，下降至筒底后自動停止。

（3）系統由人工下達上升指令后升降工作臺緩慢上升，中間可隨時停止上升，并可隨時開啟沖洗和風干，升降工作臺上升至筒口后自動停止。

（4）如通過人工檢查滿足要求，本次刷洗工作完成，同時警燈停止閃爍。反之，可以選擇自動清洗模式或手動模式再次清洗。過程如上述步驟并有相應的語音提示。

2 設備的結構及要求

清理裝置主要由安裝支架、移動清洗模塊（包含升降裝置、刷洗裝置、風干裝置、涂層檢查裝置）、控制系統等組成，實現對內筒的自動清洗。使用時將安裝支架安裝在筒口，為升降裝置配有導筒盤，導向盤可在筒內上下移動；刷洗裝置可配合升降平臺上下移動對筒各個高度位置進行清洗，清洗完成后通過風干裝置將清洗后的殘余液體進行風干；涂層檢查裝置含一高清攝像頭，可實時反饋筒內壁清洗情況圖像至控制系統顯示屏，內筒涂層清理裝置結構如圖1 所示。

圖1 內筒涂層清理裝置結構示意圖

通過伺服電機驅動鏈條運動，經過導向輪帶動移動清洗模塊上下移動。升降速度可通過控制系統進行調節。清洗到筒的筒底時，伺服電機停止向下，清洗設備向上清洗，底端和頂端設有行程開關，保證設備不會觸碰上頂和下底。

旋轉電機帶動減速機驅動轉盤軸承旋轉，轉盤軸承與上、下刷頭連接，實現筒壁的刷洗。旋轉速度可通過控制系統進行調節。

水泵為噴頭提供壓力可調的噴射水，噴水壓力通過控制系統進行調節。

氣泵實現刷洗后的吹氣風干。

360°全景攝像頭實現對清洗后的質量檢查。設備整體結構如圖2 所示。

圖2 設備整體結構圖

內筒涂層清洗設備結構設計需保證其可靠性。在機械方面采用高精度轉盤軸承，高精度伺服系統提供動力，保障了設備運行的穩定。在電氣方面選用行程開關，堅固耐用，保證了設備到位的穩定性。信號線、通訊線等采用屏蔽式電纜，確保其通訊時不受外界干擾，保證了系統通訊的穩定性。

3 控制系統的實現

3.1 控制系統的組成

控制系統是系統的控制中心，完成系統的加電以及控制命令的發送，設備運行狀態的采集，以及檢查圖像的顯示，主要包括控制柜、主體升降控制部分、旋轉控制部分、視頻圖像采集部分、高壓水泵控制部分、風干陣列控制部分、限位檢測裝置、導向輪收放控制等組成。水泵、氣泵與控制柜采用活動組合成一體化移動裝置。為了避免氣泵和水泵工作時產生的振動影響控制柜工作，氣泵與水泵組合一體，再通過浮動連接與控制柜連接，這樣工作時可以分離，不工作時可以組合一體，便于移動搬運、存放。如圖3所示。

圖3 控制系統組成結構圖

電氣控制柜面板分成三個區域。可移動平板電腦，顯示系統工作狀態，并可以通過無線網絡給PLC發控制指令，中間部分是狀態指示燈，指示系統及運動部件的工作狀態，下面部分是操作面板，提供設備指令輸入。電氣控制柜在箱頂設置三色聲光報警燈，帶蜂鳴器，平時顯示綠色燈，工作時顯示黃色燈，蜂鳴器發聲，遇到故障后，顯示紅色燈。設備外接電源的電纜安裝插頭與柜體上的插座相連進行供電。外接數據線通過柜體上的數據接口進行連接。電氣控制柜面板如圖4 所示。

圖4 電氣控制柜控制面板示意圖

平板電腦通過無線HUB 與攝像頭和控制系統PLC 進行數據交換[5]，將PLC 獲取的升降電機狀態、升降速度、升降平臺位置、上層毛刷旋轉電機狀態、上層毛刷旋轉速度、下層毛刷旋轉電機狀態、下層毛刷旋轉速度、水泵狀態、水泵壓力、氣泵狀態等狀態信息顯示在屏幕上，將檢查攝像頭獲取的圖像顯示在屏幕上，將控制指令發送給PLC 和攝像頭。平板電腦發送的控制指令與通過電氣控制柜操作面板按鈕發送的指令一致[6]。平板電腦與PLC、攝像頭之間的數據連接示意圖如圖5 所示。

圖5 平板電腦、攝像頭、PLC 之間的數據連接圖

操作面板存在4 個兩檔開關分別是：加電/關電、手動/自動、高速/低速、清水/清洗液兩檔開關。

同時還具備6 個指令按鈕，啟動、急停、上升、下降、清洗、風干按鈕。啟動按鈕按下，設備開始工作，在自動模式下，根據流程完成設備清洗工作，結束后自動彈起；在手動模式下，根據用戶選擇升降裝置（上升、下降）、清洗（毛刷旋轉、水泵工作）、風干（氣泵工作）狀態，升降電機、旋轉電機、水泵、氣泵分別進入工作或者不工作狀態，用戶再次按下或運行到極限位置時彈起。急停按鈕，停止所有部件的工作（電機停機、水泵、氣泵都停機），待急停按鈕再次按下，繼續前面沒有完成的工作。上升按鈕，在手動模式時，將升降裝置置為上升狀態，待按下啟動按鈕后，控制升降裝置上升，自動模式下不起作用。下降按鈕，在手動模式時，將升降裝置置為下降狀態，待按下啟動按鈕后，控制升降裝置下降，自動模式下不起作用。清洗按鈕，在手動模式時，將水泵、兩個旋轉電機置為工作狀態，待按下啟動按鈕后，旋轉電機開始旋轉，水泵開始供水，自動模式下不起作用。風干按鈕，在手動模式時，將氣泵裝置為工作狀態，待按下啟動按鈕后，控制氣泵裝置供氣，自動模式下不起作用。

3.2 控制系統的要求

基于PLC 技術的內筒涂層清理裝置的電氣控制系統主要實現以下功能：

（1）系統啟停控制、急停控制、漏電保護功能；

（2）自動模式及手動模式切換控制：自動模式下具備一鍵清洗及風干功能；手動模式下具備對清洗裝置升降、噴頭旋轉、攝像頭旋轉、導向輪收放等單獨控制功能；

（3）系統運行狀態顯示、報警信息提示及響應、故障信息提示及響應、報警解除和故障復位；

（4）筒內表面實時圖像顯示；

（5）清洗裝置升降及調速控制；

（6）噴頭旋轉及噴水壓力控制；

（7）攝像頭旋轉及圖像傳輸控制：

（8）清洗裝置上升限位、下降限位保護，電機短路、過流、過壓、速度超差保護等功能。

該裝置具備以下要求以保證其運行：

（1）硬件的物理閉鎖和軟件的程序閉鎖相結合；

（2）盡可能多的考慮故障狀況及故障報警提示；

（3）狀態顯示、控制系統運行、保護、報警；

（4）顯示功能包括：升降工作臺下降速度和位置、噴水壓力、刷洗裝置工作狀態、攝像頭監控筒內壁清洗效果并進行顯示；

（5）控制面板設置自動清洗和手動清洗功能，自動清洗時升降工作臺升降、噴水系統、刷洗裝置旋轉能夠通過預定程序實現一鍵控制，也可通過控制面板實現單獨控制進行手動清洗；

（6）升降工作臺升降速度、噴水壓力、刷洗裝置旋轉速度等可以通過控制面板進行設置；

（7）報警并停機：當設備出現故障時，控制系統響應指示燈閃爍和蜂鳴器報警[7]，同時顯示器顯示故障原因，設備自動停止運行；

（8）設置手動控制按鈕，可單獨對升降工作臺升降和導向輪伸縮進行控制。

3.3 控制系統的工作原理

邏輯控制流程針對清洗裝置運行過程中發生的自動運行模式、手動運行模式、限位檢測、報警、故障等信息進行邏輯判斷，并進行相應處理。邏輯控制流程圖見圖6。

圖6 系統邏輯控制流程圖

控制系統采用PLC 控制器，通過接口電路接收用戶指令，按照用戶指令執行手動或者自動清洗過程，通過接口給風機、水泵、升降驅動裝置、清洗毛刷驅動、涂層檢查裝置發送工作指令，實時獲取各設備的工作狀態，并將工作模式、設備狀態及清洗效果顯示在顯示屏和指示燈上[8]，控制系統工作原理如圖7所示。

升降電機和毛刷旋轉電機控制方法一致，但其選用的PLCIO 端口不同[9]，其控制電路如圖8 所示。

圖7 控制系統原理圖

圖8 伺服電機控制電路圖

針對升降電機，根據預設的速度（2.5 cm·s-1）控制升降電機升降，當根據升降位置范圍，到達最下端后，不再繼續下降，只能往上運行；當到達最上部位置時，不再往上提升，只能往下下降，其中最上位置和最下位置均可通過系統設置。

針對毛刷旋轉電機，兩電機旋轉速度一致，轉速360 r/min（可調），經過3:1 減速后毛刷的旋轉速度為120 r/min，由于不需要控制位置，所以沒有抱閘。

通過斷路器（帶漏電保護）QF1、QF2 接通系統電源，顯示器顯示主畫面。主畫面包括攝像頭傳回的筒內表面實時視頻，清洗裝置的下降速度、噴水壓力和清洗裝置當前距井口的位置距離，以及系統報警、故障等提示信息。系統遇到緊急情況時，可通過急停按鈕S1 進行系統急停。通過自動/手動切換開關S4 切換工作模式。在自動工作模式下，按下啟動按鈕S2，將按照預定的程序開啟一鍵清洗帶風干工作，按下停機按鈕S3，停止系統工作。在手動工作模式下，可通過按鈕S7 單獨開啟風機工作，通過按鈕S8 單獨開啟高壓水泵工作。清洗裝置升降驅動電機、噴頭、毛刷、攝像頭旋轉電機均通過伺服驅動器（單元）進行調速控制。旋鈕調節1、調節2 輸出模擬量信號，經控制器轉換計算后，通過CAN 通信發送給清洗裝置升降伺服驅動器、旋轉伺服單元，從而調節清洗裝置下降速度、噴頭、毛刷和攝像頭的位置[10]。當清洗裝置運行到筒底時觸發下行限位，此時清洗裝置停止下降運動，可以做上升運動；當清洗裝置運行到井口時觸發上行限位，此時清洗裝置停止上升運動，可以做下降運動。當清洗過程中，扭矩大于規定值時，切斷升降裝置和旋轉裝置的電源，系統急停，經檢查無故障后，按故障復位可以恢復運行。

4 結論

基于PLC 的內筒涂層清理裝置采用高壓水射流清洗技術方案，實現了對模擬內筒壁的清洗。水射流清洗可根據清洗對象不同可方便的調節水射流清洗系統水壓與流量，不會損傷被清洗的內筒表面，工作時與被清洗表面沒有物理接觸，清洗效果好，清洗效率高。

內筒涂層清理裝置內設有風干陣列，在高壓水射流清洗之后可及時將內筒上的殘水吹走并風干。其還設有涂層檢查裝置，可對內筒360°檢查涂層破損情況及清洗效果，將圖像實時傳送到控制系統，視頻圖像由監控屏顯示。

基于PLC 的內筒涂層清理裝置采用自動化設計方案，既有效地提高生產率、降低勞動強度，又降低成本，體現了其適用性、經濟性、可行性。該設備各零部件的結構強度和穩定性、電機、減速機等元件的選型已經過詳細的計算，各項技術指標滿足實際清理任務的要求，技術合理可行，目前正開展后續生產以及使用工作。