新型工業灰渣混凝土空心墻板自動化生產線研制

周正華　顧明

摘 要：以分布式I/O，可編程控制器PLC、工業控制計算機、多路自動測溫器為基礎，通過Profibus-DP現場總線及無線數傳通訊模塊構成自動控制系統，實現對工業灰渣混凝土空心墻板生產線的自動化控制。文章介紹了系統結構、主要控制過程及實現方法，本系統具有結構清晰、布局合理簡單、擴展性好、工作穩定、維護方便，集成化、智能化、自動化程度高的特點。

關鍵詞：分布式I/O；PLC；fibus-DP；工業灰渣墻板；自動化生產線

中圖分類號：TH122 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）25-0040-02

前言

隨著我國城市化建設的快速發展及建設資源節約型、環保型社會、發展循環經濟基本國策的提出，作為資源消耗大戶的建筑業，對新型墻材的需求越來越大，利用粉煤灰、爐渣、水渣、非金屬尾礦等工業廢料及普通硅酸鹽水泥為原料生產的新型墻板，主要用于建筑物室內非承重隔墻，是一種集輕質、高強、耐火、隔音、隔熱于一體的多功能環保型墻材。工業灰渣墻板自動化生產線克服了傳統手工、半機械生產中產品質量不穩定、規模小、產能低、勞動強度大的缺點，具有自動化程度高、產能大、工作穩定、操作簡單、人機交互性能好的顯著特點。

1 工業灰渣墻板生產線自動控制結構及原理

生產線主要由工業計算機自動配料及攪拌系統、變頻振搗擠壓成型系統、成品碼垛系統、墻模分離系統、軌道式自動運輸養護系統組成。

工業計算機自動配料及攪拌系統由五斗增量電子皮帶秤、水泥電子秤、粉煤灰電子秤、水秤、固料濕度傳感器及水灰比工業控制計算機、行星式攪拌機、皮帶輸送機組成。擠壓主機系統由七組可調速變頻控制擠壓螺旋、三組振動電機、自動儲料、輸送料機構、上模存模分吊裝置、可調速連續供模機構、同步切割裝置、二次切割裝置等組成。成品碼垛系統由成品分吊裝置、廢板翻轉及廢料回送裝置、成品垛輸出機構組成。墻模分離系統由墻模垛輸入裝置、墻模分吊裝置、AB板擺渡車、模板清洗機構、墻垛翻轉裝置、墻包輸出及轉運機構組成。軌道式自動運輸養護系統由無線數傳通訊模塊、PLC控制軌道運輸車、多通道集成養護室、室內及環境溫濕度監控系統組成。

2 自動控制過程

根據工業灰渣墻板生產工藝特點，生產線采用獨立的自動配料及攪拌系統，主系統采用一臺西門子S7-300（CPU 315-2DP）PLC作為控制主機，以三個圖爾克BL20網關、多個16路開關量輸入模塊及16路、8路開關量輸出模塊為工作站，通過Profibus-DP現場總線組成分布式IO控制，以威綸MT6070iH觸摸屏、三個分控操作箱、一臺S7-200軌道車控制器、一套多回路溫濕度檢測系統、一個總控操作臺組成人機交互及控制系統。

2.1 自動配料及攪拌系統

為了達到小水灰比及精確濕度控制目的，該系統使用德國高精度線性微波濕度傳感器及BT-600配水計算機，并采用立軸行星式混凝土攪拌機。該系統可根據實際應用中的不同原料級配及水灰比，由控水計算機生成特定的配方設計方案和“調諧曲線”，使攪拌機按其攪拌周期自動運行。

2.2 分布式I/O控制系統

PLC主機及觸摸屏位于生產線中部的主控操作臺。I/O工作站（網關）、開關量輸入單元、開關量輸出單元、光隔離驅動單元、強電控制單元等組成墻模分離控制柜、擠壓主機控制柜、成品碼垛控制柜。系統通過Profibus-DP協議實現主站與分布式I/O和現場設備的高速數據通信，各子系統的現場傳感設備，如電磁感應式接近開關、光電檢測開關、限位開關、子系統操作箱按鈕及轉換開關等的狀態通過各自IO工作站中的數字輸入端口及DP網關被PLC循環檢測并處理，據此，PLC可以確定生產線子系統工作模式、各裝置工作狀態及執行機構的運行情況。PLC控制程序再通過Profibus網絡對子站發出命令，設置各輸出端口的開關量狀態。分布在子站中的輸出端口通過光隔離驅動單元控制交流接觸器的通斷、電磁閥的開關、指示燈及報警裝置的亮滅、變頻器的正反轉及輸出頻率轉換，從而控制執行機構中的電機啟停、氣缸伸縮、運行速度的高低轉換及系統狀態指示，實現生產線的自動控制。HMI觸摸屏通過S7-300的MPI接口顯示各子系統輸入輸出開關量狀態、同步模擬顯示系統執行過程、計算出板速度、累計成品數量、日產量、總產量，AGV通訊。同時，通過HMI及分設于各處的操作箱臺，可實現手動、自動轉換及運行過程中的人機交互控制處理。

2.3 PLC結構化編程方法

PLC編程采用模塊化、結構化設計方法，分塊設置子系統過程控制變量、手動及自動控制變量，分設輸出功能塊、各子系統公用功能塊、手動控制功能塊、分項自動控制功能塊。

由于存模上模分吊裝置中需要處理的模板規格較多及控制過程相對復雜，采用結構化程序設計方法可使編程簡單、結構清晰、維護方便。為此，將存模上模分吊裝置動作分為“分吊平車移動功能塊”及“吊車取模放模功能塊”，平車移動背景數據塊中輸入變量為：當前及目標位置號、運行方向、高速延時時間、到位傳感器變量；輸入輸出變量為：任務開始及任務完成狀態。靜態變量有：變頻器正、反轉、高、中、低速變量、過程步控制標志等。吊車取模放模背景數據塊中有高延時時間、上下行到位變量、磁鐵吸合釋放狀態、任務類型（取模、放模）、啟動速度（高速、中速），任務開始及任務完成狀態等輸入和輸入輸出變量。靜態變量有變頻器正、反轉、高、中、低速變量、過程步控制標志等。根據系統中存模上模垛號選擇開關、墻模分離段及主機段工作狀態、清洗線模板到位及主線模板檢測情況可實現智能化的自動存模上模操作。

2.4 無線數傳軌道運輸及多通道溫濕度監控養護系統

由HMI端及末端無線數傳模塊、無線數傳軌道式運輸車、自行研發的輕型工字軌道自動運輸車（AGV）、無線手動遙控器、點位傳感器等組成墻垛運輸AGV。通過操作臺HMI可設定（1）送成品垛進養護室過程；（2）從養護室取垛脫模過程。endprint

AGV送垛流程：生產線成品垛輸出段檢測到有垛且軌道車在初始接垛位時，HMI作為上位機向軌道車發送命令，軌道車獲取目的養護室號碼并計算位置，之后軌道車啟動、取垛、縱向行走，上橫向擺渡車、定位、制動、橫向行走、計算位置、主車離開、縱向進入養護室、檢測前垛位置、下降放垛，空車返回初送垛始位置，有垛則繼續送垛，通道滿時提示換通道。

AGV取待脫模垛流程：養護期滿脫模時，由HMI發送從哪個通道脫模的指令。軌道車運行至指令養護室，自動檢測定位到待脫模垛位、起垛、定位及行走至生產線脫模鏈帶位置、放垛，如果鏈帶未滿則繼續取垛，通道空時提示換通道，鏈帶滿時則暫停并等待。

AGV軌道車裝有手動遙控器系統，可以控制軌道車前后左右行走及停止。軌道車為電瓶直流驅動，體積小，適合于生產線工況，載重達2500Kg。

養護室為高濕環境，水化反應強烈，室溫控制要適度，通過多通道溫濕度監控系統可實時監測養護室及外部環境溫度，并依此升降溫和充補水汽。

3 結束語

通過PLC、分布式IO及控制計算機、AGV軌道運輸系統、溫濕度實時監測系統研制了一種固定擠壓成型自動化生產線成套設備，并通過省級新產品鑒定。產品所用原料為工業爐渣或尾礦、粉煤灰、建筑固體垃圾等、膠凝材料為普通硅酸鹽水泥，以一定的比例混合加水攪拌成干性原料，采用自動配料攪拌、自動供料、可調速螺旋擠壓及振搗成型、自動供模、同步喂模、同步切割、二次切割、廢板回料、自動碼垛、自動墻模分離、打包、自動模板清洗、自動模板堆碼、托架自動輸送、模板墻板轉運、自動養護等多項子系統及技術，形成一套完整的工業灰渣混凝土空心隔墻條板自動化生產線，達到自動化、規模化、工廠化生產目的，可節約生產場地，提高生產效率和產品品質。

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