基于組態(tài)軟件的混凝土預(yù)制板生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

，， ，

(北京星航機電裝備有限公司,北京 100074)

0 引言

近年來，國家大力推廣裝配式建筑。裝配式建筑是指用由工廠生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件在工地裝配而成的建筑，是把傳統(tǒng)建造方式中大量的現(xiàn)場作業(yè)轉(zhuǎn)移到工廠進行，以實現(xiàn)建筑產(chǎn)品節(jié)能、環(huán)保、全生命周期價值最大化的可持續(xù)發(fā)展的新型建筑生產(chǎn)方式，是建筑工業(yè)化改革不可逆轉(zhuǎn)的趨勢[1]。

實現(xiàn)裝配式建筑最重要的是完成預(yù)制構(gòu)配件生產(chǎn)的工廠化，即要有能夠滿足預(yù)制構(gòu)配件生產(chǎn)要求的工業(yè)流水線[2]。常見的混凝土預(yù)制板是建筑施工中廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品，種類主要包括疊合樓板、內(nèi)墻板、復(fù)合外墻板以及樓梯等[3]。

目前，混凝土預(yù)制板一般都在尺寸較大的模臺上生產(chǎn)，多個模臺在生產(chǎn)線各工位間循環(huán)使用[4]。因工位多、工藝流程特殊，有的操作可通過自動化的單機設(shè)備完成，而有的工位需要人工干預(yù)。整個生產(chǎn)線占地面積大，面向多任務(wù)生產(chǎn)，控制系統(tǒng)復(fù)雜。現(xiàn)有技術(shù)中，生產(chǎn)線主要通過現(xiàn)場安裝攝像頭進行監(jiān)視，缺乏對生產(chǎn)過程有效的實時、動態(tài)、集中統(tǒng)一的監(jiān)視和自動控制[5]。

本文構(gòu)建了一種基于計算機和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的混凝土預(yù)制板生產(chǎn)線集中監(jiān)控系統(tǒng)，采用力控組態(tài)軟件進行設(shè)計開發(fā)，完成了整個生產(chǎn)線全過程狀態(tài)監(jiān)測的人機界面。計算機監(jiān)控系統(tǒng)管理生產(chǎn)線產(chǎn)品工藝參數(shù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實時采集并分析各分系統(tǒng)單機設(shè)備狀態(tài)，動態(tài)監(jiān)視各工位運行情況，控制各分系統(tǒng)按照運行策略，完成產(chǎn)品工藝流程，從而達到集中管理和監(jiān)控的目的。

1 產(chǎn)品工藝流程

1.1 外墻板生產(chǎn)工藝

混凝土預(yù)制板生產(chǎn)工藝流程因產(chǎn)品種類不同而略有差異[6]。下面以最復(fù)雜的混凝土預(yù)制外墻板為例進行說明。

如圖1所示，為外墻板生產(chǎn)工藝流程示意圖。首先完成二次養(yǎng)護的帶外墻板產(chǎn)品的模臺從養(yǎng)護房取出，移送到拆模工位進行模具拆卸和清理，外墻板從所在模臺上吊下運走，而模臺則在線上循環(huán)使用，進入后續(xù)工位進行清理、噴涂脫模劑以及模具安裝定位。

攜帶模具的模臺被移送至外頁板安裝區(qū)域，進行網(wǎng)片和相關(guān)嵌件的安裝，隨后到一次澆筑工位進行底層混凝土澆筑和振動。然后，繼續(xù)前進至后續(xù)工位進行保溫板以及頂層鋼筋網(wǎng)片和嵌件的安裝。之后到二次澆筑工位進行頂層混凝土澆筑和振動，隨后再到下一工位進行補料檢查。接著，完成兩次混凝土澆筑后的模臺依次按照工藝要求的溫度和時間完成靜置和一次養(yǎng)護，以及表面抹光處理，最后按照二次養(yǎng)護的時間、溫濕度在養(yǎng)護庫中進行二次養(yǎng)護。完成二次養(yǎng)護后的產(chǎn)品取出脫模吊運，如此循環(huán)往復(fù)。

圖1 外墻板工藝流程示意圖

1.2 生產(chǎn)線工位布置

根據(jù)外墻板生產(chǎn)工藝流程，結(jié)合廠房實際尺寸進行生產(chǎn)線的工位布置，如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)線工位布置示意圖

為保證生產(chǎn)節(jié)拍和產(chǎn)量要求，對于模具拆裝、鋼筋、網(wǎng)片等附件安裝工序設(shè)置多個人工工位并行展開操作。整個生產(chǎn)線設(shè)置四臺移線車完成出庫工位到拆模1、內(nèi)頁板1到移線1、移線2到緩沖、移線3到抹光四個位置的模臺擺渡。養(yǎng)護完成的產(chǎn)品出庫后，首先完成拆模和調(diào)運，之后設(shè)置清洗工位完成模臺清洗和噴脫模擠，模臺完成清洗后經(jīng)過外頁板人工工位進行鋼筋嵌件放置，然后設(shè)置一次澆筑工位，一次澆筑完成后設(shè)置保溫板工位，放置保溫板后經(jīng)過平移車擺渡，到達內(nèi)頁板人工工位，放置鋼筋嵌件后設(shè)置二次澆注工位，最后經(jīng)緩沖工位等待移線車送入靜置養(yǎng)護房。靜置養(yǎng)護房和一次養(yǎng)護房分開控制溫度和時間，養(yǎng)護時間一般在2小時以內(nèi)，采用流水線先進先出的方式布置工位。因為二次養(yǎng)護的時間比較長，一般在8小時以上，所以立體養(yǎng)護庫設(shè)置多層，可以同時容納幾十個產(chǎn)品進行養(yǎng)護，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，同時節(jié)省廠房空間，滿足生產(chǎn)現(xiàn)場12小時工作制的生產(chǎn)節(jié)拍。

2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計

本文構(gòu)建的生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)采用計算機集中管理， PLC分散控制的方式。根據(jù)上述工藝流程和工位布局，將整個監(jiān)控系統(tǒng)劃分為計算機綜合管理系統(tǒng)、一次澆筑行進分系統(tǒng)、二次澆筑行進分系統(tǒng)、預(yù)養(yǎng)護分系統(tǒng)、立體庫分系統(tǒng)以及移線車、喂布料、振搗等單機分系統(tǒng)。

計算機綜合管理系統(tǒng)通過力控組態(tài)軟件和工業(yè)以太網(wǎng)交換機與各分系統(tǒng)PLC通信，獲取現(xiàn)場運行信息，并經(jīng)過分析判斷，對各分系統(tǒng)下達控制指令。各分系統(tǒng)直接采集所負責(zé)范圍內(nèi)的現(xiàn)場儀表信號，并控制電氣設(shè)備的運行，各分系統(tǒng)之間不直接進行信息交互[7]。系統(tǒng)硬件組成架構(gòu)如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)

生產(chǎn)線動力系統(tǒng)采用TN-S電力系統(tǒng)，三相五線制，AC380V供電，400 kW用電容量，主要負荷為熱負荷、電動機負荷；計算機綜合管理系統(tǒng)采用研華19寸平板電腦E7500,2.8 GHz主頻，4 GB內(nèi)存，搭載力控 ForceControl V7.0軟件，保證總控系統(tǒng)流暢運行;工業(yè)以太網(wǎng)交換機選用研華EKI-2528,8電口百兆滿足使用需求，工業(yè)級網(wǎng)線傳輸數(shù)據(jù)；各分系統(tǒng)PLC采用西門子1215C AC/DC/RELAY，各分系統(tǒng)底層執(zhí)行器件主要包括伺服電機、工頻電機、變頻器、位置傳感器、溫濕度傳感器、以及按鈕和指示燈等。

生產(chǎn)線具備手動和自動控制功能。手動模式下由各分系統(tǒng)設(shè)備本地通過人工操作實現(xiàn)本機設(shè)備的功能，手動操作后現(xiàn)場狀態(tài)改變，切回自動狀態(tài)時需要在計算機綜合管理系統(tǒng)登錄界面做相應(yīng)狀態(tài)修改確保狀態(tài)一致；自動模式下由計算機控制系統(tǒng)發(fā)送動作指令協(xié)調(diào)各設(shè)備的運行與功能實現(xiàn)，各個分系統(tǒng)只接受計算機綜合管理系統(tǒng)的指令，并將現(xiàn)場狀態(tài)數(shù)據(jù)及任務(wù)完成情況反饋給計算機。計算機綜合管理系統(tǒng)是整個生產(chǎn)線自動運行的“大腦”，提供人機交互界面用于管理生產(chǎn)線產(chǎn)品工藝參數(shù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實時采集并分析各分系統(tǒng)單機設(shè)備狀態(tài)，并監(jiān)視整個生產(chǎn)線的運行情況，調(diào)度各分系統(tǒng)按照工藝路線和運行策略，完成線上產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程。

3 監(jiān)控軟件開發(fā)

采用力控ForceControl V7.0監(jiān)控組態(tài)軟件進行工程的開發(fā)，其程序及組件包括工程管理器、人機界面、實時數(shù)據(jù)庫、DB、I/O驅(qū)動程序、控制策略生成器以及各種數(shù)據(jù)服務(wù)和擴展組件等。利用其組件I/O驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)力控與PLC設(shè)備的通信，并對設(shè)備寄存器中的數(shù)據(jù)進行讀出或?qū)懭?。實時數(shù)據(jù)庫是組態(tài)軟件的核心，負責(zé)實時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)服務(wù)請求處理等[8-11]。系統(tǒng)軟件創(chuàng)建的包括界面、腳本、動畫連接等通過人機界面運行系統(tǒng)來運行，操作人員通過人機界面實現(xiàn)實時監(jiān)控。

3.1 人機界面設(shè)計

本文設(shè)計的人機界面包括一個登錄管理界面、一個運行總監(jiān)控界面以及其他5個功能子界面。如圖4所示的登錄管理界面，包括用戶管理、生產(chǎn)線啟動運行的工藝參數(shù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)選擇及配置等，只有當(dāng)此界面確認完畢后，才可以進入到如圖5所示的運行總監(jiān)控界面。其他所有子界面，包括登錄界面，都以標題的形式在總監(jiān)控界面上顯示，用戶可以根據(jù)需要點擊對應(yīng)標題，則彈出相關(guān)界面進行查看，不影響生產(chǎn)線的運行。例如點擊“養(yǎng)護狀態(tài)表”，對應(yīng)的子界面如圖6所示。

圖4 登錄管理界面

圖5 總監(jiān)控界面

圖6 養(yǎng)護狀態(tài)界面

產(chǎn)品種類區(qū)域，提供選擇當(dāng)前生產(chǎn)線準備生產(chǎn)的產(chǎn)品類別，啟動狀態(tài)區(qū)域可以對立體庫和除立體庫外行進線啟動狀態(tài)進行選擇，“繼續(xù)上次停機狀態(tài)運行”選項，實現(xiàn)系統(tǒng)接著上次正常停機時的狀態(tài)繼續(xù)運行，正常停機后各個工位均沒有進行手動操作改變生產(chǎn)線狀態(tài)時使用?！叭斯な謩虞斎霂煳恍畔ⅰ边x項，在生產(chǎn)線進行除自動運行以外的其他操作時需要更新立體庫狀態(tài)，系統(tǒng)開始運行時立體庫的初始狀態(tài)將以當(dāng)前輸入值狀態(tài)為依據(jù)?！跋到y(tǒng)初始化運行”則是掃描整條行進線上的傳感器信號來定位模臺的實際位置，從而更新計算機綜合管理系統(tǒng)中模臺的狀態(tài)。

圖5所示的總監(jiān)控界面，畫面是上述現(xiàn)場工位布置的濃縮。設(shè)計的圖形與現(xiàn)場傳感器或分系統(tǒng)控制變量進行了關(guān)聯(lián)，生產(chǎn)線啟動運行后，人機界面通過數(shù)字顯示、圖形色彩以及動畫的形式反映實際生產(chǎn)線的運行情況，包括養(yǎng)護房的環(huán)境狀態(tài)、產(chǎn)品在線上各工位的分布情況、每個工位當(dāng)前狀態(tài)以及單機設(shè)備工作情況等，操作者可在此處方便的對生產(chǎn)線進行總體監(jiān)控。

進入生產(chǎn)線運行界面后，監(jiān)控工位狀態(tài)表顯示各個工位通信狀態(tài)、手/自動狀態(tài)以及故障狀態(tài)，各個工位準備就緒后點擊“啟動運行”按鈕，“自動運行”指示燈亮，整個生產(chǎn)線開始自動運行。

立體養(yǎng)護房中模臺由不同的顏色區(qū)分當(dāng)前狀態(tài)，白色為庫位中無任何產(chǎn)品，黑色表示產(chǎn)品養(yǎng)護中；閃爍表示養(yǎng)護時間到等待出庫。在此區(qū)域24個庫位狀態(tài)、庫位編號和實時溫度以及碼垛車的運行狀態(tài)都與現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)實時同步。

生產(chǎn)線上澆筑行進分系統(tǒng)系統(tǒng)各工位以及靜置養(yǎng)護房和一次養(yǎng)護房各工位都對應(yīng)有工位的工作狀態(tài)提示，工位空閑時為背景為灰色，工作進行中為背景為藍色；移線車開始擺渡時背景變?yōu)樗{色，同時有模臺移動畫面同步顯示。

“養(yǎng)護狀態(tài)表”顯示24個庫位的當(dāng)前狀態(tài)信息以及產(chǎn)品具體養(yǎng)護時間；“養(yǎng)護溫度曲線”，界面可以查看實時溫度曲線及歷史溫度曲線。點擊“歷史查詢”時，需事先選擇查詢的起始時間、時間間隔及時間長度。比如需要查詢2015年4月15日下午2點開始以后8小時時間內(nèi)，每間隔1分鐘的溫度變化情況，在“歷史起始時間”里選擇輸入2015/4/15 14:00:00 ；“時間間隔”里輸入 1 分鐘；“時間長度”里輸入8小時后點擊“歷史查詢”即可完成查詢。

3.2 控制策略

生產(chǎn)線的控制策略與生產(chǎn)模式直接相關(guān)，因生產(chǎn)線許多工位需要人工干預(yù)和操作，其生產(chǎn)節(jié)拍有不穩(wěn)定的因素存在[3]。另外，實際生產(chǎn)中對產(chǎn)量需求的動態(tài)性變化，模臺可能更換或維修，用戶對生產(chǎn)線的靈活性提出很多要求。為了適應(yīng)線上運行模臺數(shù)量的動態(tài)變化、讓生產(chǎn)線啟動運行時的狀態(tài)更靈活以及單機系統(tǒng)出現(xiàn)異常手自動切換后，系統(tǒng)能保持連續(xù)性運行等，本文設(shè)計的監(jiān)控程序采取了如下措施：

1)整個生產(chǎn)線的運營調(diào)度由計算機總體監(jiān)控系統(tǒng)完成，各個分系統(tǒng)只接受計算機總體監(jiān)控系統(tǒng)的指令，并將現(xiàn)場狀態(tài)數(shù)據(jù)及任務(wù)完成情況反饋給計算機，各單機執(zhí)行的每一項動作，都要有計算機總控系統(tǒng)給出動作命令，這樣能夠確保所有單機有序的配合動作，每一個部位的狀態(tài)計算機總體監(jiān)控系統(tǒng)都知道。

2)立體養(yǎng)護庫內(nèi)部的所有庫位不設(shè)置監(jiān)測模臺是否存在的傳感器，庫位狀態(tài)靠計算機內(nèi)部數(shù)據(jù)庫組態(tài)的斷電保持性變量進行存儲。

3)以立體養(yǎng)護庫為生產(chǎn)線的切入點，生產(chǎn)線啟動時對立體養(yǎng)護庫進行單獨確認。計算機綜合管理系統(tǒng)第一次運行時可在登錄界面選擇人工手動輸入庫位信息選項，彈出如圖6所示界面可更改庫位信息。系統(tǒng)正常運行后自動根據(jù)運行情況實時更新內(nèi)部數(shù)據(jù)庫變量，不管退出系統(tǒng)還是斷電重新啟動運行時，都能選擇繼續(xù)原來的狀態(tài)運行。

4)立體庫外的生產(chǎn)線啟動時設(shè)置初始化運行和繼續(xù)停機狀態(tài)運行兩種模式。針對生產(chǎn)線計算機綜合管理系統(tǒng)未運行時，分系統(tǒng)可能單獨上電進行機構(gòu)調(diào)整，線上模臺數(shù)量和存放位置有可能被人工改變等，這時啟動計算機系統(tǒng)，進入登錄界面，人工需要選擇初始化運行，系統(tǒng)重新掃描更改線上各單機和工位狀態(tài)。反之，若整個生產(chǎn)線系統(tǒng)一直正常運行，即使意外斷電，再次上電啟動運行時也可選擇繼續(xù)原來狀態(tài)運行模式。

5)每條支線分系統(tǒng)各工位的行進電機通過分組切換由兩個變頻器驅(qū)動，產(chǎn)品從一個工位移動到下一個工位時，兩變頻器協(xié)同工作。所以，一條支線上同一時段只允許一個產(chǎn)品移動，計算機管理系統(tǒng)通過優(yōu)先級排序控制的方式處理各工位請求。

3.3 腳本程序

在力控組態(tài)軟件設(shè)計中，程序的實現(xiàn)主要通過全局腳本的編寫來完成[5]。本文應(yīng)用最多的是添加若干個數(shù)據(jù)改變動作和條件動作的腳本程序，來完成全線的邏輯運行。

其中，數(shù)據(jù)改變動作腳本主要通過監(jiān)測數(shù)據(jù)庫組態(tài)的I/O變量和程序內(nèi)部變量的變化，在對應(yīng)條件滿足時觸發(fā)邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)換或變量的置復(fù)位。I/O變量關(guān)聯(lián)的動作包括每一個傳感器被觸發(fā)時，都需要更新相應(yīng)的界面動畫以及內(nèi)部變量狀態(tài)。通過內(nèi)部變量記錄生產(chǎn)線當(dāng)前工位是否空閑、如有產(chǎn)品狀態(tài)、該工位工作是否完成等，通過時刻刷新I/O變量以及內(nèi)部變量的值，為條件動作腳本提供判斷依據(jù)，配合條件動作腳本，計算機總體監(jiān)控系統(tǒng)對整個生產(chǎn)線給出相應(yīng)的動作命令。

條件動作腳本包含了立體庫各庫位狀態(tài)監(jiān)控、碼垛車指令優(yōu)先級判斷、各支線模臺移動優(yōu)先級判斷、單機運行指令下達以及人機界面的動畫實現(xiàn)等。以二次澆筑支線模臺移動的條件動作腳本為例進行說明，如圖7所示為其模臺移動優(yōu)先級程序流程圖。系統(tǒng)每1秒鐘循環(huán)判斷一次動作執(zhí)行的條件是否滿足，即當(dāng)該支線兩行進變頻器狀態(tài)正常且空閑的條件滿足時，程序流程首先判斷最高優(yōu)先級的B1工位是否有模臺、B1工位是否有操作結(jié)束信號下達以及B2工位是否沒有模臺，若三者均滿足，則計算機管理系統(tǒng)會給該支線PLC下達將模臺從B1工位移送到B2工位的指令(line2_order賦值為1)，反之，流程進入下一級判斷B2工位是否有模臺、B2工位是否有操作結(jié)束信號以及B3工位是否沒有模臺，若均滿足，則計算機會給支線PLC下達將模臺從B2工位移送到B3工位的指令(line2_order賦值為2)，反之，流程再進入下一級判斷，如此循環(huán)直到最后一條語句判斷結(jié)束。該支線PLC執(zhí)行完當(dāng)前任務(wù)后，復(fù)位指令信號(line2_order賦值為0)，計算機才可能重新進入該條件動作腳本進行程序掃描，再下達新的指令。

圖7 模臺移動優(yōu)先級條件動作流程圖

4 系統(tǒng)驗證與分析

本文設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在工業(yè)現(xiàn)場實際應(yīng)用，系統(tǒng)運行過程中的總監(jiān)控界面效果如圖8所示。圖8中，可對生產(chǎn)線進行啟停控制，生產(chǎn)線啟動后可實時監(jiān)控全線的模臺數(shù)量及產(chǎn)品在各工位的分布情況，能夠動態(tài)顯示模臺當(dāng)前的移動狀態(tài)以及各單機的工作情況，同時養(yǎng)護房及養(yǎng)護庫內(nèi)的狀態(tài)一目了然，實現(xiàn)了整個生產(chǎn)線全過程狀態(tài)監(jiān)測，達到了集中管理和監(jiān)控的目的。

圖8 總監(jiān)控界面實際運行效果圖

經(jīng)過現(xiàn)場使用驗證，本文基于組態(tài)軟件的混凝土預(yù)制板生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)，既完成了人機界面對現(xiàn)場運行狀態(tài)的監(jiān)控和畫面同步顯示，也實現(xiàn)了設(shè)計的控制策略能夠有效的指導(dǎo)現(xiàn)場各單機協(xié)調(diào)有序的完成工藝流程，界面設(shè)計與現(xiàn)場布局對應(yīng)，畫面簡潔便于操作和管理，通過計算機總體監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一給出動作命令的方式，避免了現(xiàn)場各單機單獨運行時，某一部位出現(xiàn)故障時狀態(tài)無法銜接問題。

5 結(jié)束語

本文從研究混凝土預(yù)制板生產(chǎn)工藝流程和工藝布局入手，設(shè)計了一種基于計算機組態(tài)軟件和工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的混凝土預(yù)制板生產(chǎn)線集中監(jiān)控系統(tǒng)，通過硬件架構(gòu)的設(shè)計以及監(jiān)控軟件的開發(fā)，實現(xiàn)了產(chǎn)品工藝參數(shù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的管理，以及生產(chǎn)線全過程狀態(tài)監(jiān)測的人機界面，達到了生產(chǎn)線集中管理、監(jiān)視和控制的目的。通過現(xiàn)場實際應(yīng)用反饋，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、靈活性好、實用性強，滿足用戶需

求，具有一定的推廣和應(yīng)用價值。