電桿鋼筋籠自動變徑滾焊機無線檢測控制系統(tǒng)研究

邵貴偉， 楊練根， 懷義文

（1. 湖北工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，武漢430068；2. 宜昌海天超聲技術(shù)有限公司，湖北 宜昌443000）

0 引 言

隨著建筑業(yè)、鐵路行業(yè)、市政建設(shè)與工業(yè)排水管道、隧道橋梁、電站與電網(wǎng)建設(shè)等行業(yè)的高速發(fā)展，對電線桿、樁基保護樁、涵管等各種鋼筋混凝土管的需求越來越大。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國在鋼筋籠滾焊機裝備的研發(fā)和生產(chǎn)上取得了一些突破，技術(shù)水平也有了大幅度的提高，針對等徑鋼筋籠的滾焊加工已有了成型產(chǎn)品，但電桿直徑小、長度較長，一般的鋼筋籠有1/75的錐度；且焊接過程中氣缸式自動鎖緊夾具會逐步運動到距PLC達10～15 m遠處，傳統(tǒng)的有線控制會帶來接線纏繞及安全問題。另外，繞筋隨焊接裝置高速旋轉(zhuǎn)，與主筋接觸，形成焊接觸點，傳統(tǒng)的有線控制同樣會帶來絲線的纏繞問題。滾焊機自動氣動支撐裝置和推籠裝置也會造成接線纏繞、破損等問題。這對于電桿骨架滾焊機的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)研發(fā)增加了很大難度。

傳統(tǒng)的變徑機構(gòu)多為齒輪傳動式和鏈輪傳動式，機構(gòu)復(fù)雜，制造和裝配難度大，且變徑不直觀。近些年來遠程無線通信控制技術(shù)趨于成熟，出現(xiàn)了ZigBee技術(shù)、紅外技術(shù)、無線射頻通信技術(shù)等[1-3]。

本文根據(jù)電桿鋼筋籠的結(jié)構(gòu)特點和需求，采用工控機和PLC，研發(fā)了基于PLC控制技術(shù)、LORA射頻通信技術(shù)和紅外遙控技術(shù)的滾焊機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對滾焊機的在線實時監(jiān)測和無線控制，避免了接線纏繞，提升了滾焊機的自動化程度。

1 電桿鋼筋骨架滾焊機概述

電桿鋼筋籠滾焊機主要由變徑裝置、焊接裝置、移動驅(qū)動裝置、上料裝置、推輪裝置、控制系統(tǒng)等組成。本項目以節(jié)能高效為出發(fā)點，設(shè)計出結(jié)構(gòu)新穎的變徑裝置、焊接牢固率高的旋轉(zhuǎn)焊接裝置、自動化程度高的移動驅(qū)動裝置、實時調(diào)整高度的旋轉(zhuǎn)焊接裝置等滾焊機結(jié)構(gòu)裝置，配合自動化程度更高的PLC控制系統(tǒng)與無線射頻通信、紅外通信控制系統(tǒng)，形成一整套完整的性能更高的電桿鋼筋籠滾焊機裝置。

由氣動式鋼筋夾具和其他部件組成的移動驅(qū)動裝置實現(xiàn)拉筋進給以形成繞筋間距，由物料架、氣動式鋼筋籠支撐補償裝置對鋼筋籠實現(xiàn)平穩(wěn)支撐。最后由推籠裝置完成卸籠動作。圖1所示為整個項目的技術(shù)路線，圖2所示為鋼筋籠滾焊機的部分模型結(jié)構(gòu)。

圖1 滾焊機研發(fā)技術(shù)路線

圖2 電桿鋼筋籠滾焊機模型結(jié)構(gòu)

2 滾焊機控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

如圖3所示，上位機的主要任務(wù)是通過觸摸屏輸入待加工的鋼筋籠的結(jié)構(gòu)尺寸和工藝參數(shù)至PLC并進行在線監(jiān)測，PLC的控制任務(wù)包括：1）控制4臺變頻器，驅(qū)動變徑電動機、拉筋電動機、焊接電動機、旋轉(zhuǎn)托筋盤電動機；2）根據(jù)設(shè)定的工藝參數(shù)計算4個電動機的轉(zhuǎn)速，通過算法確保這4個電動機實現(xiàn)的變徑、拉筋進給、旋轉(zhuǎn)焊接、托筋盤旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速匹配以實現(xiàn)鋼筋籠焊接；3）基于ITT協(xié)議，接收繞絲輸送裝置用行程開關(guān)引發(fā)的紅外信號；4）對編碼器計數(shù)以實現(xiàn)變徑計算，確保變徑精度和繞絲間距精度；5）通過無線LORA通信方式控制氣動支撐裝置、推輪機構(gòu)的9個氣缸，實現(xiàn)對鋼筋籠的自動平穩(wěn)支撐和推籠裝置的動作，卸下鋼筋籠；6）通過無線LORA通信方式控制自動夾具的氣缸，使氣動式自動夾具實現(xiàn)松開與夾緊；7）故障處理、異常報警。

圖3中，通過對變徑電動機的編碼器計數(shù)和絲桿導(dǎo)程、變徑算法，結(jié)合鋼筋籠的幾何參數(shù)進行變徑。根據(jù)實時焊接長度，由PLC運行程序控制變徑變頻器，驅(qū)動變徑電動機實現(xiàn)滾焊機自動變徑。

圖3 電桿鋼筋骨架滾焊機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

繞筋間距精度由拉筋電動機和旋轉(zhuǎn)焊接電動機的工作情況共同決定，系統(tǒng)通過工藝要求輸入繞筋間距和旋轉(zhuǎn)焊接電動機的給定轉(zhuǎn)速，通過對拉筋電動機的編碼器計數(shù)對實時焊接長度和理論焊接長度進行比較，得到糾偏控制量，經(jīng)過D/F數(shù)頻變換，輸出至拉筋變頻器，通過SPWM控制技術(shù)控制拉筋小車速度，保證繞筋間距精度。

通過無線傳感原理和轉(zhuǎn)速匹配技術(shù)，使安裝在旋轉(zhuǎn)焊機裝置上并與托筋盤上繞筋相連的無線位移傳感器向PLC發(fā)送信號，控制旋轉(zhuǎn)托筋盤變頻器，通過PID技術(shù)以調(diào)整旋轉(zhuǎn)托筋盤（絲盤）電動機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速匹配。

3 基于LORA射頻通信和紅外控制的多工位遠程控制系統(tǒng)

在滾焊機工作時，氣缸式自動鎖緊夾具會運動到距PLC較遠位置處，滾焊機的一些自動氣動支撐裝置和推籠裝置同樣距主控裝置PLC位置較遠，滾焊機的旋轉(zhuǎn)焊接裝置和拖筋盤在工作情況下高速旋轉(zhuǎn)，給繞筋輸送匹配焊接速度控制帶來難度。因此，傳統(tǒng)的有線控制會帶來接線纏繞、接線不便及安全問題。針對上述問題，利用無線LORA射頻通信控制技術(shù)對氣動自動鎖緊夾具、氣動支撐裝置和推籠裝置的氣缸電磁閥進行遠程無線控制，利用紅外技術(shù)控制旋轉(zhuǎn)焊接裝置中控制繞筋輸送的松緊度，實現(xiàn)鋼筋籠滾焊機的自動化焊接。

“一帶一路”倡議促進了東西方文化的交流互鑒，也給圖書館帶來了新的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)，圖書館應(yīng)通過文化傳承、交流與學(xué)習(xí)、創(chuàng)新服務(wù)等形式，積極在“一帶一路”建設(shè)中發(fā)揮重要作用［3］。對此，相關(guān)研究文章從多個角度進行了闡述。

3.1 氣缸電磁閥無線控制

3.1.1 硬件設(shè)計

為滿足對氣缸自動夾頭、5個氣動支撐裝置、4個推籠裝置的無線運動控制的需求。采用三菱FX3U系列PLC，串口轉(zhuǎn)無線LORA收發(fā)器、數(shù)據(jù)匯總模塊、無線開關(guān)量模塊、基于無線射頻通信控制的智能I/O擴展模塊，其控制其系統(tǒng)框架如圖4所示。

圖4 氣缸控制結(jié)構(gòu)框架圖

采用三菱FX3U系列PLC，主站模塊選用ZKB-2R1L作為網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)匯總模塊，實現(xiàn)串口轉(zhuǎn)LORA數(shù)據(jù)匯總，負責(zé)集中收集匯總ZKD子模塊的數(shù)據(jù)并處理斷線重連及保護機制。基于MODBUS-RTU和固定格式指令串通信協(xié)議，從站模塊選用ZKD-4I4RO-LORA作為無線開關(guān)量模塊，基于無線射頻LORA通信控制的智能I/O控制，用于輸出開關(guān)量信號控制氣缸電磁閥。

3.1.2 系統(tǒng)通信設(shè)置

1）上位機與ZKB-2R1L通信。無線串口模塊ZKB-2R1L支持MODBUS-RTU通信協(xié)議，在協(xié)議中，上位機向其發(fā)送16進制的8字節(jié)數(shù)據(jù)的控制指令，例如：01 01 00 00 00 08 54 OD。其中：01為站號地址；01為功能碼（讀線圈地址）；00 00 00 08為數(shù)據(jù)位；54 OD為CRC校驗高低位。無線串口模塊ZKB-2R1L接受來自上位機的串口數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)解析后，將控制指令發(fā)送到無線開關(guān)量模塊，執(zhí)行電磁閥的開關(guān)量控制。

2）LORA射頻通信設(shè)置。

a. LORA射頻通信組網(wǎng)。無線LORA射頻通信技術(shù)支持用戶對設(shè)備進行遠距離低功耗無線控制及采集操作，針對鋼筋籠滾焊機的實際需求，控制往返運動用于夾緊鋼筋的氣缸電磁閥，以及距離較遠的5臺氣動支撐裝置和4臺推籠裝置。在該通信組網(wǎng)中設(shè)置1個無線串口模塊和兩個無線開關(guān)量模塊，其組網(wǎng)圖如圖5所示。

圖5 組網(wǎng)圖

b. LORA模塊通信設(shè)置。ZKB-2R1L是針對ZKD子站模塊而設(shè)計的網(wǎng)關(guān)/DTU數(shù)據(jù)匯總模塊，該模塊存在兩種模式：模式一為網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)匯總模式，模式二為通信透傳模式。模式一：ZKB主站自動匯總各個子站的數(shù)據(jù)到自己內(nèi)部寄存器，上位機只需要讀寫ZKB主站內(nèi)部寄存器即可獲得數(shù)據(jù)，而無需分別訪問子站模塊，節(jié)省了上位機資源。模式二：ZKB主站不匯總數(shù)據(jù)，僅僅是將上位機過來的請求轉(zhuǎn)發(fā)給各個子站，同時再將各個子站的數(shù)據(jù)反向轉(zhuǎn)發(fā)給上位機，僅僅具備數(shù)據(jù)雙向轉(zhuǎn)發(fā)功能。考慮到上位機的負荷和開發(fā)難度，其工作模式選用采用網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)匯總模式。組網(wǎng)中的ZKD模塊都有一個唯一的子站地址，且保持不變，ZKB主站接受上位機的控制指令，后發(fā)送給目標(biāo)子站。

ZKB控制子機1的DO輸出寄存器數(shù)據(jù)發(fā)送格式示例如下：01 0f 00 00 00 18 03 ff ff ff 71 f4。其中：01為子站地址；0f為指令號，0f為寫多路D0；00 00為從哪一路開始寫，00 00=Y1開始寫；00 18為要寫多少路；03為后面的字節(jié)數(shù)；ff ff ff為發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容；71 f4為CRC校驗碼。

根據(jù)滾焊機的工作狀態(tài)，借助傳感信號反饋給上位機，再根據(jù)和ZKB模塊及ZK模塊之間的數(shù)據(jù)發(fā)送格式，對發(fā)送指令進行編碼，后有ZKD模塊將控制指令發(fā)送給對應(yīng)氣缸電磁閥，完成主筋的夾緊和松開動作，以及每個節(jié)段鋼筋籠不同截面的氣動支撐與推籠動作。

3.2 繞筋輸送速度無線控制

繞筋隨焊接裝置高速旋轉(zhuǎn)，與主筋接觸，形成焊接觸點，傳統(tǒng)的有線控制同樣會帶來絲線的纏繞問題，如圖6所示，采用紅外遙控技術(shù)控制繞筋的輸送速度實現(xiàn)鋼筋籠焊接。轉(zhuǎn)速異常釋放差速信號轉(zhuǎn)化為繞筋張緊信號，使3個并聯(lián)的壓力傳感裝置觸發(fā)其中1個或全部紅外按鈕，系統(tǒng)主要由3個并聯(lián)的紅外發(fā)射裝置和1個紅外接收設(shè)備組成。由紅外接收電路接收紅外信號并與PLC的輸入端口相連，通過PLC基于模糊PID控制算法調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)托筋盤電動機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速匹配，并控制旋轉(zhuǎn)焊接裝置中繞筋輸送的松緊度，從而實現(xiàn)鋼筋籠滾焊機的自動化焊接。

圖6 繞筋輸送速度控制框架圖

3.2.1 模糊PID控制算法設(shè)計

采用輸出增量累加的方式，該算法僅需e（k）、e（k-1）和e（k-2）三個采樣值，減少了編程過程中數(shù)據(jù)存儲難度。

由于傳統(tǒng)PID控制難以適應(yīng)參數(shù)時變性、非線性和結(jié)構(gòu)不確定性，采用模糊控制算法與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合的模糊PID控制策略，以提高系統(tǒng)的魯棒性和實時性。基于串口通信，將下位機計算產(chǎn)生的誤差e（k）和誤差變化率ec（k）輸入到工控機的MATLAB軟件作為模糊輸入，經(jīng)過定義的模糊推理和決策，得到系統(tǒng)PID控制的決策參數(shù)Δkp、Δki、Δkd，再到PLC中與初始定義參數(shù)求和，得到實際控制參數(shù)。

使用Mamdani的min-max法則進行推斷，結(jié)合加權(quán)平均法去模糊化，設(shè)定控制參數(shù)的調(diào)整量為遞增式，所有輸入量和輸出量采用相同的模糊子集，隸屬度函數(shù)選用對稱均勻分布的三角形形式，根據(jù)PID的誤差逐級逼近原則和自身調(diào)整原則，建立Δkp、Δki、Δkd的輸出控制規(guī)則。以Δki為例，模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 Δki模糊控制規(guī)則

4 滾焊機控制系統(tǒng)軟件開發(fā)

4.1 滾焊機控制系統(tǒng)軟件功能分析

滾焊機控制系統(tǒng)軟件主要分為用戶管理模塊、運行模塊、設(shè)置模塊、查詢模塊、幫助模塊等5個功能模塊。

用戶管理模塊可對工程師和操作人員權(quán)限進行管理；運行模塊包含手動、自動和報警功能。運行模塊可根據(jù)預(yù)存參數(shù)設(shè)置自動變徑、自動焊接和中斷后或任一節(jié)點處繼續(xù)運行等功能；設(shè)置模塊包含參數(shù)設(shè)置、語言切換和通信設(shè)置部分；查詢模塊包含歷史數(shù)據(jù)查詢、診斷出錯程序查詢、操作人員和時間節(jié)點查詢；幫助模塊可提供用戶手冊、在線資源和滾焊機版本信息[1]。

4.2 電桿鋼筋籠滾焊機控制系統(tǒng)程序設(shè)計

電桿鋼筋籠自動變徑滾焊機控制系統(tǒng)軟件部分主要由以下組成。

1）自動變徑控制程序。根據(jù)輸入的電桿鋼筋籠長度L和截面大端直徑D，計算出變徑裝置中的滑動導(dǎo)桿需要移動的位移量Δl，PLC與變頻器通信，通過輸出的模擬量信號來控制變頻器，由變頻器進一步控制變徑變頻電動機，實現(xiàn)對變徑變頻電動機的控制。同時，PLC通過編碼器對變徑變頻電動機和移動牽引電動機的高速脈沖計數(shù)，得到焊接成型的鋼筋籠長度x和變徑電動機轉(zhuǎn)速，與理論數(shù)據(jù)進行對比，根據(jù)反饋的誤差信號調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。焊接過程中變徑絲桿所需位移量Δl計算公式為：y=-x/75+D；Δl=D-y=x/75。

2）托筋盤轉(zhuǎn)速匹配程序。根據(jù)輸入的旋轉(zhuǎn)電動機轉(zhuǎn)速，結(jié)合鋼筋籠焊接成型的截面直徑，用同步轉(zhuǎn)速匹配算法計算出托筋盤電動機轉(zhuǎn)速，PLC通過輸出信號來控制變頻器，進一步控制托筋盤電動機，通過紅外裝置元器件形成閉環(huán)的控制回路，應(yīng)用模糊PID技術(shù)，使托筋盤驅(qū)動電動機與旋轉(zhuǎn)焊接電動機保持轉(zhuǎn)速匹配。

3）移動牽引裝置控制程序。根據(jù)設(shè)置電桿鋼筋籠的繞絲間距和旋轉(zhuǎn)焊接電動機轉(zhuǎn)速，計算出移動牽引電動機的運行轉(zhuǎn)速。由PLC輸出控制指令來調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，從而改變牽引電動機的轉(zhuǎn)速。通過編碼器的高速脈沖計數(shù)模塊將牽引電動機當(dāng)前位移和轉(zhuǎn)速反饋給PLC，調(diào)整進給移動電動機的轉(zhuǎn)速。圖7所示為變頻電動機控制框圖。

圖7 變頻電動機控制框圖

4）移動式氣動夾具動作程序。基于無線LORA射頻通信，實現(xiàn)PLC對運動中的遠距離氣缸電磁閥的控制，以鎖緊或松開氣動夾具。

5）系統(tǒng)報警程序。工控機采集各個傳感器的信號，對讀取的數(shù)據(jù)進行處理和分析，以決定是否報警或停機。

4.3 控制系統(tǒng)人機界面設(shè)計

滾焊機的上位機軟件采用LabVIEW設(shè)計，其圖形化編程語言（G語言），可處理數(shù)值、數(shù)組、字符串、布爾等格式數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)通信、信號處理、函數(shù)運算、控制仿真等功能[10]，通過上位機完成焊機旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、工作電壓、焊接電流、繞筋間距、鋼筋籠長度、鋼筋籠段徑等參數(shù)設(shè)置。在滾焊機工作過程中，實現(xiàn)操作參數(shù)記錄、焊接評估、故障查詢等功能。

電桿鋼筋籠焊接自動運行的參數(shù)設(shè)置和控制命令要通過觸摸屏進行。因此，本項目采用了人機交互的方式，如圖8所示。用戶在觸摸屏輸入的參數(shù)傳到PLC，PLC通過計算生成電動機的旋轉(zhuǎn)量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，然后發(fā)送到變頻器，控制各個電動機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)鋼筋骨架的焊接作業(yè)。

圖8 滾焊機操作面板

滾焊機的操作主界面如圖9所示。滾焊機操作參數(shù)設(shè)置界面如圖10所示。

圖9 鋼筋籠滾焊機的操作主界面

圖10 滾焊機操作參數(shù)設(shè)置

4.4 滾焊機控制系統(tǒng)實驗驗證

本項目提出的電桿鋼筋籠控制系統(tǒng)應(yīng)用于對應(yīng)的校企合作企業(yè)，以電桿鋼筋籠滾焊機為控制對象，構(gòu)建了基 于PLC 及無 線LORA射頻通信技術(shù)和紅外技術(shù)的滾焊機控制系統(tǒng)。整套電桿鋼筋籠滾焊機順利通過湖北省機械工程學(xué)會組織的鑒定委員會鑒定。

通過滾焊機的實際運行測試，能夠根據(jù)用戶定制要求成功生產(chǎn)高質(zhì)量的電桿鋼筋籠，電桿鋼筋籠滾焊機控制系統(tǒng)已運行近1 a時間，高效穩(wěn)定，可靠性滿足應(yīng)用要求。

5 結(jié) 語

本文介紹了一種電桿鋼筋籠滾焊機控制系統(tǒng)的總體控制系統(tǒng)及相應(yīng)的硬件和軟件。基于PLC控制系統(tǒng)、無線LORA射頻通信技術(shù)和紅外控制技術(shù)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)鋼筋籠滾焊機的基本控制，并使用上位機對滾焊機控制系統(tǒng)進行實時監(jiān)測；利用無線LORA射頻通信技術(shù)和紅外控制技術(shù)實現(xiàn)遠程自動夾具氣缸的無線控制和滿足旋轉(zhuǎn)繞筋輸送過程中的轉(zhuǎn)速匹配，避免了裝置運動過程中接線纏繞問題，提高安全性和自動化水平。實驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，實時性強，具備很強的應(yīng)用價值。