PC自動化技術(shù)在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線中的應(yīng)用

路陽

（北方重工集團(tuán)電控液壓設(shè)備分公司電氣自動化研究所，遼寧沈陽110141）

1 引言

住宅工業(yè)化是住宅生產(chǎn)方式的變革，其核心是實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)半手工半機(jī)械化生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變成現(xiàn)代住宅工業(yè)化生產(chǎn)方式［1］。裝配式建筑作為住宅工業(yè)化的主要手段，其基礎(chǔ)組件——預(yù)制混凝土構(gòu)件的工廠化生產(chǎn)顯得尤為重要。采用機(jī)械化的生產(chǎn)線可以減少工人勞動強(qiáng)度，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。由于采用工廠化定點(diǎn)批量生產(chǎn)，最大限度減少建筑垃圾及廢棄物的排放，滿足國家環(huán)境保護(hù)政策對建筑行業(yè)推廣綠色施工的要求［2］。

Beckhoff 公司基于PC 的自動化技術(shù)以工業(yè)PC、現(xiàn)場總線模塊、驅(qū)動和TwinCAT 自動化軟件等產(chǎn)品為體系，該體系產(chǎn)品具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇`活、安全擴(kuò)展便利、產(chǎn)品兼容性強(qiáng)、與第3方設(shè)備接口豐富等特點(diǎn)，采用該技術(shù)的預(yù)制混凝土生產(chǎn)線，極大地滿足了生產(chǎn)控制要求。

2 生產(chǎn)線布局及工藝控制要求

該預(yù)制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)線采用平模傳送流水法進(jìn)行生產(chǎn)，產(chǎn)品以平板類產(chǎn)品為主，可生產(chǎn)4種類型預(yù)制混凝土構(gòu)件，分別為疊合樓板、雙層墻板、實(shí)心墻板和三明治墻板，年產(chǎn)量為100萬m2。

為了滿足北方地區(qū)冬季可以連續(xù)生產(chǎn)預(yù)制混凝土構(gòu)件，生產(chǎn)線布置在室內(nèi)，其工藝布置如圖1所示，其生產(chǎn)線橫向跨度155 m，縱向跨度48 m，生產(chǎn)工位總計51個，有18個功能區(qū)域。

圖1 預(yù)制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)線工藝布置Fig.1 Precast concrete component production line layout

圖1中，1為邊模庫，2為邊模庫機(jī)械手，3為橫移車，4為鋼筋平網(wǎng)生產(chǎn)，5為鋼筋網(wǎng)放置，6為格構(gòu)梁放置，7 為格構(gòu)梁存儲，8 為格構(gòu)梁生產(chǎn)線，9為布料機(jī)及振搗，10為翻轉(zhuǎn)裝置，11為抹平，12為堆垛，13為養(yǎng)護(hù)窯，14為拆模起重，15為產(chǎn)品儲運(yùn)車組，16為傾卸，17為邊模清洗，18為托盤清洗。

該預(yù)制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)線具有流水化控制特點(diǎn)。在生產(chǎn)時，托盤（底模）按照產(chǎn)品的生產(chǎn)工位步序由工位摩擦輪控制高低速進(jìn)行順序橫向移動，橫移車控制縱向移動，相應(yīng)工位的機(jī)械設(shè)備對托盤進(jìn)行操作，如邊模置放、混凝土澆注等，完成預(yù)處理操作后，在養(yǎng)護(hù)窯進(jìn)行6～8 h 50 ℃恒溫蒸養(yǎng)，達(dá)到其強(qiáng)度80%以上即可出窯，出窯后經(jīng)過傾卸拆模，成品由儲運(yùn)車組運(yùn)輸?shù)綆靺^(qū)，而托盤和拆卸后的邊?；氐竭吥爝M(jìn)行循環(huán)生產(chǎn)。由于整個生產(chǎn)線在生產(chǎn)過程中，設(shè)備動作頻繁，其中包括大量機(jī)械手和起重設(shè)備，因此對操作人員的安全性要求較高。下述以疊合樓板為例，其生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

圖2 疊合樓板生產(chǎn)工藝流程Fig.2 Laminated floor production process

3 生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)組成

根據(jù)生產(chǎn)線現(xiàn)場車間布局及功能區(qū)域分類，將預(yù)制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)線控制系統(tǒng)分為5個子系統(tǒng)，分別為中央控制子系統(tǒng)、托盤循環(huán)子系統(tǒng)、邊模清洗及置放子系統(tǒng)、鋼筋網(wǎng)放置子系統(tǒng)和格構(gòu)梁放置子系統(tǒng)。

根據(jù)系統(tǒng)劃分及控制基本要求，整個系統(tǒng)采用3 層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中上層網(wǎng)絡(luò)采用Ethernet，由交換機(jī)CU2008、中央控制子系統(tǒng)PC、各子系統(tǒng)控制器CP7202 組成，實(shí)現(xiàn)中央控制子系統(tǒng)向各子系統(tǒng)發(fā)送接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的監(jiān)控，同時將上層網(wǎng)絡(luò)通過交換機(jī)CU2008 接入Internet，用于對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷及維護(hù)，該診斷可以實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場PLC 級的診斷而無需為系統(tǒng)增添硬件設(shè)備；中間層控制網(wǎng)絡(luò)采用EtherCAT 現(xiàn)場總線，由各子站橋接模塊EL6692 和托盤循環(huán)系統(tǒng)Ether-CAT耦合模塊CU1128組成，完成托盤循環(huán)系統(tǒng)與各子系統(tǒng)之間的控制信號和數(shù)據(jù)的交換；底層設(shè)備控制采用EtherCAT現(xiàn)場總線，各子系統(tǒng)采用主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽馊鐖D3所示。

圖3 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽釬ig.3 Control system network topology

中央控制子系統(tǒng)。由運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)的計算機(jī)、打印機(jī)、UPS 電源組成。該系統(tǒng)主要用于預(yù)制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)過程的管理和控制。系統(tǒng)運(yùn)行時，CAD 數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)處理，處理的數(shù)據(jù)在精確的時間內(nèi)被傳輸?shù)礁鱾€獨(dú)立設(shè)備中，由各設(shè)備根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)。在產(chǎn)品生產(chǎn)期間，與生產(chǎn)過程相關(guān)的數(shù)據(jù)被存儲，同時對該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以便用于其他生產(chǎn)計劃以及ERP 系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)打印機(jī)可以對構(gòu)件生產(chǎn)清單、班次產(chǎn)量、混凝土重量等信息進(jìn)行打印，UPS 電源為系統(tǒng)不間斷運(yùn)行提供保障。

托盤循環(huán)控制子系統(tǒng)。1 個主站CP7202，25 個由EK1100 耦合器及安全控制器、安全型數(shù)字量輸入輸出模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊組成的IO 從站，19 個SEW變頻驅(qū)動從站，1 個SMC 氣動閥從站。系統(tǒng)控制器CP7202 中運(yùn)行3 個PLC，1#PLC 主要完成托盤運(yùn)輸固定、橫移車移動、傾卸、振搗、抹平、拉絲、翻轉(zhuǎn)、養(yǎng)護(hù)窯門開關(guān)；2#PLC 主要完成堆垛機(jī)構(gòu)控制；3#PLC 主要完成混凝土布料機(jī)的控制。

邊模清洗及置放子系統(tǒng)。1 個主站CP7202，3個由EK1100耦合器及安全控制器、安全型數(shù)字量輸入輸出模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊組成的IO 從站，9 個POSIDRIVE伺服驅(qū)動從站，1個SMC氣動閥從站。系統(tǒng)控制器CP7202中運(yùn)行1個PLC，主要完成邊模和托盤底模的清洗、劃線、邊模的擺放，以及將清洗好的邊模放入邊模庫及取出。

鋼筋網(wǎng)放置子系統(tǒng)。1 個主站CP7202，4 個由EK1100 耦合器及安全控制器、安全型數(shù)字量輸入輸出模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊組成的IO 從站，16 個POSIDRIVE 伺服驅(qū)動從站。系統(tǒng)控制器CP7202 中運(yùn)行1 個PLC，主要完成將生產(chǎn)完畢并儲存的鋼筋網(wǎng)放置到托盤中。

格構(gòu)梁放置子系統(tǒng)。1 個主站CP7202，3 個由EK1100 耦合器及安全控制器、安全型數(shù)字量輸入輸出模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊組成的IO 從站，9 個POSIDRIVE 伺服驅(qū)動從站。系統(tǒng)控制器CP7202 中運(yùn)行1 個PLC，主要完成將生產(chǎn)完畢的格構(gòu)梁按要求切割，并放置到托盤中。

4 控制系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)

4.1 安全功能

生產(chǎn)線的安全控制分兩種，即急停安全和機(jī)器安全，通過TwinSAFE 安全PLC 端子模塊EL6900，4通道故障安全輸入模塊EL1904，4通道故障安全輸出模塊EL2904 實(shí)現(xiàn)。其中模塊EL6900 集成了256 個安全功能塊；安全輸出模塊EL2904 可以開關(guān)最大電流達(dá)2 A 的24 V 直流執(zhí)行器［3］。

急停安全由復(fù)位按鈕、急停按鈕、控制電源反饋觸點(diǎn)組成，2 個急停為常閉觸點(diǎn)，且EstopIn1和EstopIn2 之間為邏輯與關(guān)系，當(dāng)操作員按下急停按鈕或控制電壓反饋觸點(diǎn)K24DC 斷開時，急停輸出EstopOut 斷開，控制電壓繼電器K24DC斷開，切換控制電源，設(shè)備停止，功能實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

機(jī)器安全實(shí)現(xiàn)時，其安全功能塊與急停功能塊相近，只是在安全外設(shè)選擇了安全光幕、雙手控制開關(guān)安全門限位和安全門進(jìn)入確認(rèn)按鈕，通過在功能塊中對這些安全輸入的失效時間（1 s）進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)輸入點(diǎn)在規(guī)定的時間內(nèi)失效后，觸發(fā)監(jiān)控輸出，利用監(jiān)控輸出點(diǎn)實(shí)現(xiàn)相關(guān)動作的停止，保證機(jī)器安全。

4.2 邊模取置自動控制功能

邊模取置通常采用自動劃線，人工取置邊模和噴油操作，由于人為的失誤可導(dǎo)致產(chǎn)品直接報廢，而采用伺服系統(tǒng)自動控制劃線和邊模取置，提高了系統(tǒng)的控制精度和重復(fù)精度，邊模置放精度達(dá)到±2 mm。由于控制特點(diǎn)具有很強(qiáng)的流程性，因此采用邏輯控制流程圖法中的循環(huán)流程、條件分支和平行分支來實(shí)現(xiàn)設(shè)計［4］，其控制功能流程圖如圖5所示。

圖4 急停安全功能Fig.4 Sudden stop safety function

圖5 邊模自動控制流程Fig.5 Side forms automatic control process

5 結(jié)論

采用Beckhoff 公司基于PC 的自動化系統(tǒng)，憑借其網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活和廉價硬件，安全功能與非安全功能無限制配置，以及其上位系統(tǒng)的高級語言接口，與CAD和SQL軟件高兼容性，使得預(yù)制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率相比傳統(tǒng)生產(chǎn)提高約26%，人員操作減少到3人，并且減少了由于操作人員的工作失誤導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷和機(jī)械設(shè)備故障，同時采用預(yù)制混凝土構(gòu)件的住宅產(chǎn)業(yè)年能耗降低70%，年節(jié)水80%，為我國節(jié)能減排做出重大貢獻(xiàn)。

［1］劉東衛(wèi)，蔣洪彪，于磊.中國住宅工業(yè)化發(fā)展及其技術(shù)演進(jìn)［J］.建筑學(xué)報，2012（4）：10-11.

［2］蔣勤儉.住宅建筑工業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.混凝土世界，2010（9）：34-35.

［3］倍福自動化公司.TwinSAFE 應(yīng)用手冊［Z］.

［4］宋伯生.PLC 編程實(shí)用指南［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.