全自動鋼筋調直切斷控制系統設計與實現

單正婭，郭 瓊

（無錫職業技術學院，無錫 214121）

0 引言

鋼筋調直切斷機是施工中不可缺少的鋼筋加工設備之一，主要用于房屋建筑、橋梁、隧道、電站、大型水利等工程中對鋼筋的調直與定長切斷。目前常用的控制方式有繼電-接觸器控制和PLC 控制。繼電-接觸器控制系統線路復雜，維護困難，控制精度低，易于發生故障；PLC控制系統線路簡單，控制精度較高，但成本高。

結合目前國內現有技術條件，考慮到低成本、高可靠性、高精度、操作簡易性，無錫某公司委托我單位開發了一款基于單片機控制的調直切割機系統。技術指標如下：送料速度50m/min～60m/min，最短切斷長度為0.8m，切斷長度誤差為士10mm。

1 系統組成

分析控制要求及技術指標，系統采用單片機控制方式，選用光電編碼器實時采集電機脈沖信息、計算鋼筋長度，并與設定長度比較，來控制電磁閥切割鋼筋；采用兩排數碼管分別顯示批次、長度、根數設定值和實時數據。硬件電路主要包括人機交互模塊、長度測量模塊、輸出控制模塊、報警模塊和電源模塊。系統框圖如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1 主控模塊

圖1 系統框圖

考慮到系統對運行速度的要求，系統主控芯片選用STC12C5A16S2。該芯片是宏晶公司生產的單時鐘/機器周期（1T）單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但是速度快8～12倍。片內程序存儲器空間為16KB，數據存儲器除了在內部集成了256字節的RAM外，還集成了1024字節的擴展RAM，可以用來存儲多批次數據。

2.2 電源模塊

為了避免外界信號對單片機的干擾，系統對主控單元和輸入輸出設備分別供電。主控單元電源電路如圖2所示。圖中AC220V經過220V/9V的降壓變壓器后送給全波整流電路，首先將交變的電流變成脈動直流電，經過電解電容C1（470UF/35V）提高電路的可靠性；然后由L1、C2和C3組成電感π型濾波電路，降低紋波；再在7805穩壓芯片之前并聯TVS管，當有突然的大電壓發生時TVS管短路，從而使大電壓導入TVS管，不致破壞后面線路，待電路電壓正常時TVS管恢復高阻抗；最后經過C4和C5濾波輸出5V電源。

圖2 主控單元電源電路

輸入輸出電路的供電電源是在電氣柜中設計了一個220V/12V的變壓器，然后變壓器的輸出12V經過7809穩壓管得到9V的直流電給繼電器供電，再經過7805得到5V給編碼器供電。

由于主控單元和輸入輸出電路分別采用獨立電源供電，避免了系統的電磁干擾。

2.3 人機交互模塊

人機交互模塊主要涉及鍵盤和顯示。設計鍵盤時考慮到操作的人性化及簡易性，分為數字鍵、調節鍵及功能鍵等25個鍵，顯示由兩組共20個數碼管組成，分別顯示設定數據和運行數據。

顯示部分由兩片串聯的74HC595給兩排數碼管送字型碼，用串聯的另一片74HC595和P1.0，P1.1作為數碼管的10個位選，兩排共用位選。其中一排數碼管電路如圖3所示。

按鍵部分用數碼管的位選線com1-com7兼做按鍵的列線，P2.0～P2.3做按鍵的行線，組成行列式按鍵。另外，在每個按鍵兩端并聯電容，由于電容兩端電壓不能突變，在按鍵抖動的時候，讓端口的電壓平滑上升、平滑下降，消除毛刺，進行硬件去抖。

圖3 顯示電路

由于按鍵和顯示電路采用IO復用方法，共用了9根IO線，大大節省了單片機的IO口。

2.4 長度測量模塊

全自動鋼筋調直切斷機的精度主要取決于鋼筋長度的準確測量。在機械結構上采用主動輪帶動從動輪來使鋼筋前進，將編碼器裝在從動輪上，從動輪的轉動圈數乘以周長便可得到鋼筋的長度。單片機要實時采集編碼器脈沖信號，因此將Z相接在INT0，A相接在INT1，B相接普通IO口。

A相調理電路如圖4所示。編碼器信號先通過上拉電阻與TVS管進行電源保護，用瓷片電容接地來濾除高頻及脈沖干擾；再經過光電耦合器PIC817進行隔離，采用單路光耦避免了透光時相鄰信號之間的干擾，提高電路可靠性；最后經過反相器接入單片機。

圖4 編碼器A相調理電路

2.5 輸出控制模塊

控制器對電機的控制實質就是對繼電器的控制。點動前進控制電路如圖5所示。控制信號從單片機輸出后先經過光耦電路隔離，再經過ULN2003擴流提高驅動能力，接到繼電器線圈的一端；繼電器的常開觸點連在主電路接觸器的線圈回路中，當繼電器線圈得電時，常開觸點吸合，接觸器線圈得電，電機順轉。

圖5 電機點動前進繼電器輸出電路

3 軟件設計

根據實際工作要求及需求分析，在程序設計時考慮了“插入批次”功能，將緊急加工的生產任務插在當前批次的下一批優先加工，同時設計了以下功能：

1）“長度修正”功能設置長度+、長度-和切刀時間三個按鍵來修正誤差；

2）計算出刀時刻在程序中對調直電機速度進行采集，據此計算出刀時刻，以精確切斷符合設定長度的鋼筋；

3）點動功能設計了前進、后退、切刀點動鍵和禁切鍵，方便維修和調試；

4）聲光報警用以提醒工作異常或完成任務。

軟件主要由主程序及設定菜單、運行菜單、長度修正和點動子程序組成。

3.1 設定菜單子程序

通過設定菜單設置工作任務的批次、長度和根數的數據。設定程序設計流程圖如圖6所示。

在程序設計時，借助變量確認鍵次數confirm_num來實現長度欄和根數欄的閃爍。當confirm_num為0時，長度欄閃爍，為1時根數欄閃爍。

長度欄和根數欄的閃爍判斷條件如下：

設定菜單操作過程是按設定鍵進入設定功能，操作過程如下：首先系統自動設定第一批次并閃爍長度設定欄，輸入長度值按確認鍵后閃爍根數設定欄，輸入根數數據按確定鍵進入下一批的設定，最大可輸入20批數據，按設定完成鍵退出設定功能。

圖6 設定菜單子程序流程圖

如果按插入鍵進入設定功能時，具體設置和設定功能一樣，只是插入當前加工批次的下一批次數據，存儲數據時先把當前批次后的數據后移，然后再存儲新設定的數據。

此外，還設有清除鍵和取消鍵。清除鍵用于清除個位數據，其余數據后移一位；取消鍵用于清除正在設定的當前批次的數據。

3.2 長度計算子程序

鋼筋長度的計算是保證設備精度的一個重要方面。我們選用400線三相旋轉編碼器，其中A、B相為兩個相位差90的方波信號，Z相為零位脈沖信號。旋轉編碼盤每轉一圈（360）產生一個Z脈沖信號，產生400個A、B相脈沖信號，AB之間的相位關系標志碼盤的轉向，即當A相超前B相90時，標志碼盤正轉，當B相超前A相90時，標志碼盤反轉。三相脈沖如圖7所示。

圖7 編碼器的三相脈沖示意圖

采用光電編碼器測量長度時，由于存在不可避免的單圈測量誤差，隨著運行時間的增加，測量誤差將累積，影響產品質量。在軟件設計中添加對編碼器Z相的檢測，每檢測到Z一次（第一次除外），表示編碼器轉了一圈，不管所計脈沖數是多少，都認為是400脈沖，消除了因打滑現象、干擾脈沖、丟失脈沖等因素造成的單圈誤差，從而消除了累積誤差，提高了系統精度。

系統總的脈沖計數為：

式中，Pulse_num 為總脈沖數，pulse_fst為第一圈的脈沖數，n為圈數，pulse_lst為最后一圈的脈沖數。

鋼筋的長度為：

式中，circum為從動輪的周長。

3.3 出刀時間計算

切割鋼筋時，調直電機是一直前進的，故需要提前發出切割指令，而提前的時間和調直電機速度有關，因此需要實時采集調直電機速度，并據此計算出刀時刻，以精確切斷符合設定長度的鋼筋。

如圖8所示，其中 lE為出刀時鋼筋長度，l2為出刀時刀口距鋼筋的距離，v2為出刀速度，v1為鋼筋行進速度。

圖8 切刀動作示意圖

設 lD為鋼筋切斷長度，那么需要提前動作的時間為則：

根據以上公式編寫程序，計算切刀準確動作時間，實現精確切斷鋼筋。

4 結束語

電路板布線時盡可能隔離高壓和低壓信號線，多處電路進行抗干擾處理，系統采用雙電源供電，大大提高了系統的抗干擾能力；在軟件設計中對編碼器的Z相檢測，消除了累積誤差；實時采集調直電機速度，并據此計算出刀時刻，提高了切割精度。

由于干擾源最厲害的是電火花干擾，所以在設備附近放置一臺運行的切割機做干擾源，經測試設備運行正常。

本控制系統具有成本低，精度高，抗干擾能力強，操作界面友好的特點。該系統已投入生產，使用效果良好。

[1]韓英.PLC在自動軋鋼機監控系統中的應用[J].洛陽理工學院院報,2012,12:73-75.

[2]郭李艷,何萍,李美蓮.一種應用12和編碼器測量電機轉速的方法[J].桂林航天工業高等專科學校學報,2007,3(47):13-15.

[3]劉新波,梁杰申.基于STC12C5410全自動鋼筋剪割控制器設計[J].自動化與儀表,2010,1:39-41.

[4]李鳳云,高速鋼筋切斷機液壓系統改進設計與實驗研究ID].秦皇島:燕山大學,2007.