桁架波浪筋彎曲成型自動控制與監(jiān)控系統(tǒng)

王 鵬，王海峰，趙杰珂，衡 錚

(1.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013；2.北京建筑機械化研究院有限公司，河北 廊坊 065000；3.建研機械檢驗檢測（北京）有限公司，河北 廊坊 065000)

鋼筋桁架生產(chǎn)線設(shè)備桁架波浪筋成型機構(gòu)由包括鋼筋矯直、緩沖儲存、彎曲成型部分組成。如圖1 所示，在放線架上放置盤條鋼筋，盤條鋼筋經(jīng)過矯直變成直筋，鋼筋以大圓弧形式緩存在儲料架。變頻電機牽引鋼筋進入折彎結(jié)構(gòu)彎曲成波浪筋，最后將波浪筋臨時放置在收集架上。目前國內(nèi)已有的鋼筋桁架生產(chǎn)線設(shè)備存在生產(chǎn)效率低、節(jié)距等成型參數(shù)調(diào)整不便、自動化程度低等問題。

本文介紹一種桁架波浪筋彎曲成型自動控制與安全運行監(jiān)控系統(tǒng)，鋼筋桁架生產(chǎn)設(shè)備在出廠前預裝該系統(tǒng)可以實現(xiàn)鋼筋波浪筋節(jié)距、高度參數(shù)自動調(diào)整和安全運行監(jiān)控。該系統(tǒng)可在24h 內(nèi)持續(xù)工作，隨時記錄下當前的鋼筋參數(shù)等信息，保證重要數(shù)據(jù)不丟失，為調(diào)試設(shè)備提供方便。

1 自動控制與監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)主要有以下幾部分模塊組成（圖2）。

1）數(shù)據(jù)采集模塊 利用傳感器模塊包括檢測開關(guān)、行程開關(guān)、編碼器、變頻器等對該系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)進行測量。

2）數(shù)據(jù)傳輸模塊 將變頻器采集到的電機參數(shù)和I/O 口采集到的檢測開關(guān)狀態(tài)、行程開關(guān)狀態(tài)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸給PLC，將編碼器采集到的數(shù)據(jù)通過RS485 通訊方式傳輸給PLC。PLC再將數(shù)據(jù)通過RS485 通訊傳給組態(tài)屏用來顯示和人機交互。

3）數(shù)據(jù)處理模塊 利用軟件對于輸入的數(shù)據(jù)進行分析處理，根據(jù)工作時序得到相應運動機構(gòu)的動作指令。

4）數(shù)據(jù)輸出模塊 將分析處理的數(shù)據(jù)用來控制變頻電機、伺服電機、電磁閥等運動機構(gòu)動作來解決鋼筋彎曲加工中送料、調(diào)直、儲料、彎曲各工序的動作控制、工序間的時序協(xié)調(diào)、不同規(guī)格材料的加工參數(shù)協(xié)調(diào)控制等問題。

2 系統(tǒng)功能簡介

2.1 自動調(diào)整波浪筋節(jié)距、高度參數(shù)

傳統(tǒng)波浪筋彎曲成型機構(gòu)只能生產(chǎn)固定節(jié)距的鋼筋桁架，不能對節(jié)距進行無級調(diào)整，而本系統(tǒng)通過對成型關(guān)鍵部件加裝伺服電機，可以實現(xiàn)鋼筋的多節(jié)距、多高度成型。

波浪筋彎曲成型是由撥板位置、齒條位置、高度位置、送進位置來決定的，利用安裝伺服電機對這4 個位置（圖3）進行精準控制來實現(xiàn)波浪筋變節(jié)距、高度等參數(shù)的控制。

圖3 伺服電機安裝位置

2.2 鋼筋加工節(jié)距記錄

基于鋼筋彎曲成型時，鋼筋是逐段送入的。在鋼筋矯直機構(gòu)之后，送進彎曲結(jié)構(gòu)之前的位置放置1 個相對值編碼器（圖4）來估算每段已彎曲的鋼筋的節(jié)距，并將得到的數(shù)值進行儲存并形成圖表，可以用來檢測鋼筋成型的穩(wěn)定性。

圖4 編碼器安裝位置

2.3 儲料狀態(tài)監(jiān)測

在儲料架上安置檢測開關(guān)來判斷儲料架是否滿料，通過儲料狀態(tài)的變化來控制送進鋼筋結(jié)構(gòu)的運行和停止。當檢測裝置檢測到鋼筋少進或者無料的時候，就會控制鋼筋送進結(jié)構(gòu)停止工作，同時發(fā)出報警信號，確保生產(chǎn)安全（圖5）。具體流程為：經(jīng)過矯直的鋼筋通過導向輪、導向槽進入儲料架，正常工作速度下，鋼筋儲料送料，如果儲料架上限位檢測一直未觸發(fā)，鋼筋持續(xù)進入儲料架；一但達到上限位檢測，鋼筋停止送料進儲料架，但是后續(xù)的壓彎、焊接過程不受影響。流程示意圖見圖6 所示。

圖5 儲料架結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 儲料檢測程序流程圖

2.4 送料狀態(tài)監(jiān)測

鋼筋在輸送過程中，通過安裝檢測開關(guān)（圖7）來檢測鋼筋送料是否正常。鋼筋正常輸送時，導向輪跟隨鋼筋輸送一起轉(zhuǎn)動，當一定時間內(nèi)未能檢測到檢測開關(guān)狀態(tài)的變化則認定鋼筋在輸送中存在卡料、欠料或者出槽的情況。程序流程圖如圖8 所示。

圖7 檢測開關(guān)安裝示意圖

圖8 送料狀態(tài)檢測程序流程圖

3 人機交互系統(tǒng)

波浪筋彎曲成型機構(gòu)所有運行情況都可以通過PLC 將信號顯示到監(jiān)控屏幕上，用戶也可以通過點擊屏幕的按鍵來實現(xiàn)對監(jiān)控系統(tǒng)各個動作的控制（圖9）。PLC 與組態(tài)屏通過RS485 進行通訊連接。

圖9 人機交互界面示意圖

用戶可以切換波浪筋彎曲成型機構(gòu)的工作模式，自動模式和手動模式。切換到手動模式時可以對4 個位置電機進行位移調(diào)節(jié)，通過輸入電機位置參數(shù)，多伺服電機根據(jù)位置參數(shù)同步動作，準確達到目標位置，從而可以形成符合要求的桁架波浪筋，還可以對2 個主電機進行正反轉(zhuǎn)控制、速度控制和扭矩控制，并獨立控制電磁閥。

人機交互系統(tǒng)可以進行位置數(shù)據(jù)計算，將波浪筋成型需要參數(shù)輸入公式中，則可以得出4 個位置電機的位置數(shù)據(jù)。

除了上述功能外，人機交互系統(tǒng)還可以實時顯示電機的工作速度和方向，電磁閥和檢測開關(guān)的工作狀態(tài)。

4 效益分析

通過實驗觀察，本系統(tǒng)可以實現(xiàn)將HRB400、CRB550 類型的鋼筋完成波浪筋高度75～355mm 和波浪筋節(jié)距190～210mm 范圍內(nèi)的多高度多節(jié)距的彎曲成型。大大擴大了波浪筋成型的產(chǎn)出范圍，提高了生產(chǎn)效率。

本系統(tǒng)的研發(fā)順應了當前建筑工業(yè)化發(fā)展的需求，對于解決波浪筋彎曲成型生產(chǎn)線設(shè)備缺乏，現(xiàn)有國內(nèi)設(shè)備生產(chǎn)效率低等問題起到積極促進作用，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

5 結(jié)語

桁架波浪筋彎曲成型自動控制與安全運行監(jiān)控系統(tǒng)可以采集彎曲成型結(jié)構(gòu)的各項運動數(shù)據(jù)，可以檢測儲料情況和送料狀態(tài)并在緊急情況下急停報警，還可以進行鋼筋加工節(jié)距記錄查詢。通過6 個月的使用、觀察與調(diào)試，本系統(tǒng)已經(jīng)可以滿足設(shè)備的安全監(jiān)視要求和自動控制要求。自動控制工作穩(wěn)定、響應流暢，安全運行監(jiān)視系統(tǒng)數(shù)據(jù)全面，各個功能運轉(zhuǎn)均良好。

本項目的研發(fā)，將提高我國鋼筋桁架生產(chǎn)線的自動化程度，保障安全生產(chǎn)，提升行業(yè)的競爭力。