基于现场总线的PC构件码垛养护控制系统研究

刘建波，王佳佳，张礼华，方记文

（1.镇江技师学院 机电工程系，镇江 212003；2.江苏科技大学 机械工程学院，镇江 212003）

0 引言

近年来，随着我国2016年1月1日正式实施的《工业化建筑评价标准》中明确规定（参评项目的预制率不应低于20%，装配率不小于50%）。我国建筑生产模式由“建造”向“拼装”方式转变。PC构件码垛养护作为预制混凝土构件生产线的重要模块，对其的电气自动化改造就显得尤为重要。提高PC构件码垛养护系统的自动化性能，首要解决的关键问题有定位、无轴同步轮同步、智能选库、

养护窑体的工艺曲线跟踪、通讯与监控等。针对解决上述关键计算问题，本文介绍了一种基于现场总线的PC构件码垛养护控制系统。

1 码垛养护系统的结构及工作原理

该系统由2个立体养护窑和1个码垛机组成，养护窑体对称分布在码垛机左右两侧。伺服电机驱动行走轮沿地导轨横向移动，卷扬机驱动码垛机吊篮竖直升降运动，直线液压缸驱动推拉杆的推拉运动，旋转液压缸驱动推拉杆的旋转运动，三相交流异步电动机驱动码垛机开门运动，比例电磁阀进行养护窑的温度湿度调控。每个养护窑有三个养护窑体，每个养护窑体有7层。

该系统的电气控制部分由PLC、变频器、伺服驱动器、温度传感器、湿度传感器、变送器、上位机、接近开关、旋转编码器、电磁阀等构成。

2 码垛养护控制系统总体结构

图1 码垛养护控制系统总体网络框图

如图1所示，该系统以上位机WINCC作为码垛机PLC与养护室PLC的主站，对整个系统进行实时监控与管理。码垛机PLC与养护室PLC各配一台触摸屏便于现场操作与调试。

图2 行走伺服电机驱动器接线图

码垛机PLC作为码垛系统PROFIBUS-DP总线网络的主站，升降变频器、开门变频器A、开门变频器B通过PROFIBUS-DP通讯卡连接到码垛系统PROFIBUSDP总线网络作为从站。码垛机PLC通过通讯的方式对PROFIBUS-DP从站变频器进行操作。码垛机PLC通过数字量输出控制液压电磁阀的状态，从而控制液压缸的动作，通过数字量输入读取定位点接近传感器的状态，从而实现定位控制。码垛机PLC通过高速脉冲输入读取升降旋转编码器数值，再由PLC内部程序运算出码垛机吊篮实时高度，并与目标高度进行比较，实现码垛机吊篮的层定位控制。

养护室PLC通过模拟量输入读取温度变送器组中从热电阻反馈过来的温度值和从湿度传感器反馈过来的湿度值。养护室PLC根据养护工艺曲线的要求，通过模拟量输出控制温控电磁阀与湿控电磁阀通过数字量输出控制排气扇，从而实时调节各个养护体的温度值与湿度值。

3 关键技术问题解决方法

3.1 无轴行走轮同步行走运动控制

码垛机定位养护窑体的执行机构是无轴行走轮，因此提高无轴行走轮的同步性，对码垛机同养护体的行走定位精度的提高至关重要。如图2所示，本设计由控制器PLC的Q0.0提供高速脉冲给伺服驱动器A，伺服驱动器A利用其同步高速脉冲输出高速脉冲给伺服驱动器B从而实现伺服电机A与伺服电机B的实时高同步运动。此外，本系统采用伺服驱动器与PLC双重限位保护，提高了系统的安全性能。

3.2 基于PROFIBUS-DP现场总线的变频器控制

PROFIBUS-DP是一个性能很强的高速现场总线，它符合工业通讯的要求，可使许多现场设备（如：PLC、变频器、智能变送器）在同一总线进行双向多信息数字通讯。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。它采用的物理连接可以是RS-485双绞线、双线电缆或光缆，拓扑结构可以是树形、星型、或者环型，波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s，总线上最多站点数为126个。该网络具有信息量传递大、抗干扰性能力强、通用性强、安装和运行及维护成本低的优点，允许高速度周期性的小批量数据通信，适用于对时间要求苛刻的自动化控制系统中。

如图3所示，利用TIA Portal V14软件组态的基于PROFIBUS-DP现场总线的码垛机变频器控制网络。该网络组态的方法为：在博途软件的网路视图窗口环境中，添加所用变频器的GSD文件，并建立连接。本控制系统采用施耐德公司的ATV312系列和ATV61系列变频器。

图3 PROFIBUS-DP网络组态

3.3 养护窑体层定位控制方法

养护窑体层定位的精度，对于预制件的码垛取送至关重要，因此对养护窑体层定位精度的提高是很有必要的。如图4所示，本设计采用旋转式绝对编码器，编码器轴安装有绕线轮，绕线轮与编码器轴同步转动，绕线轮上绕线竖直连接于码垛机吊篮底部。如图5所示，编码器对码垛机吊篮上升实时高度进行测量，并将实时高度值以高速脉冲的方式反馈给PLC高速脉冲输入端，形成全闭环层定位控制系统。

图4 编码器布局示意图

图5 养护窑体层定位控制系列框图

3.4 码垛机智能选库优化算法

如图6所示，该系统有左右两个养护窑，每个养护窑有三个养护体，养护体之间独立。本智能算法主要以提高码垛养护系统的智能化、提高码垛养护系统的使用寿命出发，设计出了优先级循环算法。每个养护窑的三个养护体编号为A1、A2、A3，初始化优先级A1最高，A2优先级次之，A3优先级最低。该智能算法首先以最高优先级养护体A1的已养护预制件数量作为优先级切换条件，当其已养护件总数大于N件，则进行优先级的切换,此时A2优先级最高，A3优先级次之，A1优先级最低。此时该智能算法再已最高优先级养护体A2的已养护预制件数量作为优先级切换条件，当其已养护件总数大于N件，则进行优先级的切换，此时A3优先级最高，A1优先级次之，A2优先级最低。然后再已最高优先级养护体A3的已养护预制件数量作为优先级切换条件。此时该智能算法再已最高优先级养护体A3的已养护预制件数量作为优先级切换条件，当其已养护件总数大于N件，则进行优先级的切换，此时A1优先级最高，A2优先级次之，A3优先级最低。然后再已最高优先级养护体A1的已养护预制件数量作为优先级切换条件，如此循环。

优先级循环算法的加入，使得养护体内部部件损耗平均化，提高了养护窑的整体使用寿命和效率。

3.5 养护工艺曲线的跟踪控制

随着工程建筑行业的不断发展，对于预制件的强度要求也越来越高，所以蒸养技术也在不断改进与发展。过去的养护技术比较落后，多采用人工记录的方法，常常导致温控工艺曲线较为粗糙，养护出的预制件强度不理想。如图8所示，本温度控制系统采用一养护体多温度湿度传感器的结构，通过PLC实时多点的采集温度值与湿度值并计算出平均温度值与平均湿度值。平均温度值与平均湿度值作为PID控制的反馈值。最终PLC通过模拟量输出控制比例电磁阀的开度、通过数字量输出控制排气扇的启停来控制养护体的温度与湿度。

图6 养护窑

图7 预制件养护工艺曲线

图8 养护窑温度湿度控制系统框图

表1 预制件养护工艺表

4 养护窑人机界面HMI设计

图9 养护窑人机界面1

图10 养护窑人机界面2

图9和图10为养护窑人机界面组态，窗口画面切换由画面切换按钮完成，其中人机界面窗口包括：蒸养窑A、蒸养窑B、设备状态、参数设置、配方窗口、报警窗口、用户登录。图例所示为养护窑A窗口画面，该窗口对养护窑A区的库存与库空进行实时监控显示，并且对A区的三个养护窑体A1、A2、A3进行实时温度监控显示。设备状态窗口对养护系统进行实时报警监控；参数设置窗口可在拥有用户权限的情况下对工艺曲线进行编辑；配方窗口可对工艺曲线进行选择；报警记录窗口可以对养护系统报警进行记录与查询；用户登录窗口用于用户权限的登录。

5 结束语

本文介绍了一种基于现场总线的PC构件码垛养护控制系统，其中重点介绍了码垛养护控制系统整体结构、无轴行走轮同步行走运动控制、养护窑体层定位控制方法、码垛机智能选库优化算法、养护工艺曲线的跟踪控制、人机界面HMI设计。该控制系统具有通讯能力强、抗干扰能力强、定位精度高、可视化、智能化等特点，对整个PC构件自动化生产线的自动化性能提高具有指导意义。