PC自动化技术在预制构件生产线中的应用

路阳

（北方重工集团电控液压设备分公司电气自动化研究所，辽宁沈阳110141）

1 引言

住宅工业化是住宅生产方式的变革，其核心是实现由传统半手工半机械化生产方式转变成现代住宅工业化生产方式［1］。装配式建筑作为住宅工业化的主要手段，其基础组件——预制混凝土构件的工厂化生产显得尤为重要。采用机械化的生产线可以减少工人劳动强度，提高产品质量和生产效率。由于采用工厂化定点批量生产，最大限度减少建筑垃圾及废弃物的排放，满足国家环境保护政策对建筑行业推广绿色施工的要求［2］。

Beckhoff 公司基于PC 的自动化技术以工业PC、现场总线模块、驱动和TwinCAT 自动化软件等产品为体系，该体系产品具有网络拓扑灵活、安全扩展便利、产品兼容性强、与第3方设备接口丰富等特点，采用该技术的预制混凝土生产线，极大地满足了生产控制要求。

2 生产线布局及工艺控制要求

该预制混凝土构件生产线采用平模传送流水法进行生产，产品以平板类产品为主，可生产4种类型预制混凝土构件，分别为叠合楼板、双层墙板、实心墙板和三明治墙板，年产量为100万m2。

为了满足北方地区冬季可以连续生产预制混凝土构件，生产线布置在室内，其工艺布置如图1所示，其生产线横向跨度155 m，纵向跨度48 m，生产工位总计51个，有18个功能区域。

图1 预制混凝土构件生产线工艺布置Fig.1 Precast concrete component production line layout

图1中，1为边模库，2为边模库机械手，3为横移车，4为钢筋平网生产，5为钢筋网放置，6为格构梁放置，7 为格构梁存储，8 为格构梁生产线，9为布料机及振捣，10为翻转装置，11为抹平，12为堆垛，13为养护窑，14为拆模起重，15为产品储运车组，16为倾卸，17为边模清洗，18为托盘清洗。

该预制混凝土构件生产线具有流水化控制特点。在生产时，托盘（底模）按照产品的生产工位步序由工位摩擦轮控制高低速进行顺序横向移动，横移车控制纵向移动，相应工位的机械设备对托盘进行操作，如边模置放、混凝土浇注等，完成预处理操作后，在养护窑进行6～8 h 50 ℃恒温蒸养，达到其强度80%以上即可出窑，出窑后经过倾卸拆模，成品由储运车组运输到库区，而托盘和拆卸后的边模回到边模库进行循环生产。由于整个生产线在生产过程中，设备动作频繁，其中包括大量机械手和起重设备，因此对操作人员的安全性要求较高。下述以叠合楼板为例，其生产工艺流程如图2所示。

图2 叠合楼板生产工艺流程Fig.2 Laminated floor production process

3 生产线网络及系统组成

根据生产线现场车间布局及功能区域分类，将预制混凝土构件生产线控制系统分为5个子系统，分别为中央控制子系统、托盘循环子系统、边模清洗及置放子系统、钢筋网放置子系统和格构梁放置子系统。

根据系统划分及控制基本要求，整个系统采用3 层网络结构，其中上层网络采用Ethernet，由交换机CU2008、中央控制子系统PC、各子系统控制器CP7202 组成，实现中央控制子系统向各子系统发送接收数据，实现整个系统的监控，同时将上层网络通过交换机CU2008 接入Internet，用于对设备进行远程诊断及维护，该诊断可以实现底层现场PLC 级的诊断而无需为系统增添硬件设备；中间层控制网络采用EtherCAT 现场总线，由各子站桥接模块EL6692 和托盘循环系统Ether-CAT耦合模块CU1128组成，完成托盘循环系统与各子系统之间的控制信号和数据的交换；底层设备控制采用EtherCAT现场总线，各子系统采用主从式网络结构。系统网络拓扑示意如图3所示。

图3 控制系统网络拓扑示意Fig.3 Control system network topology

中央控制子系统。由运行监控系统的计算机、打印机、UPS 电源组成。该系统主要用于预制混凝土构件生产过程的管理和控制。系统运行时，CAD 数据传输到监控系统进行预处理，处理的数据在精确的时间内被传输到各个独立设备中，由各设备根据数据进行生产。在产品生产期间，与生产过程相关的数据被存储，同时对该数据进行分析，以便用于其他生产计划以及ERP 系统的控制。系统打印机可以对构件生产清单、班次产量、混凝土重量等信息进行打印，UPS 电源为系统不间断运行提供保障。

托盘循环控制子系统。1 个主站CP7202，25 个由EK1100 耦合器及安全控制器、安全型数字量输入输出模块、数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块组成的IO 从站，19 个SEW变频驱动从站，1 个SMC 气动阀从站。系统控制器CP7202 中运行3 个PLC，1#PLC 主要完成托盘运输固定、横移车移动、倾卸、振捣、抹平、拉丝、翻转、养护窑门开关；2#PLC 主要完成堆垛机构控制；3#PLC 主要完成混凝土布料机的控制。

边模清洗及置放子系统。1 个主站CP7202，3个由EK1100耦合器及安全控制器、安全型数字量输入输出模块、数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块组成的IO 从站，9 个POSIDRIVE伺服驱动从站，1个SMC气动阀从站。系统控制器CP7202中运行1个PLC，主要完成边模和托盘底模的清洗、划线、边模的摆放，以及将清洗好的边模放入边模库及取出。

钢筋网放置子系统。1 个主站CP7202，4 个由EK1100 耦合器及安全控制器、安全型数字量输入输出模块、数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块组成的IO 从站，16 个POSIDRIVE 伺服驱动从站。系统控制器CP7202 中运行1 个PLC，主要完成将生产完毕并储存的钢筋网放置到托盘中。

格构梁放置子系统。1 个主站CP7202，3 个由EK1100 耦合器及安全控制器、安全型数字量输入输出模块、数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块组成的IO 从站，9 个POSIDRIVE 伺服驱动从站。系统控制器CP7202 中运行1 个PLC，主要完成将生产完毕的格构梁按要求切割，并放置到托盘中。

4 控制系统主要功能实现

4.1 安全功能

生产线的安全控制分两种，即急停安全和机器安全，通过TwinSAFE 安全PLC 端子模块EL6900，4通道故障安全输入模块EL1904，4通道故障安全输出模块EL2904 实现。其中模块EL6900 集成了256 个安全功能块；安全输出模块EL2904 可以开关最大电流达2 A 的24 V 直流执行器［3］。

急停安全由复位按钮、急停按钮、控制电源反馈触点组成，2 个急停为常闭触点，且EstopIn1和EstopIn2 之间为逻辑与关系，当操作员按下急停按钮或控制电压反馈触点K24DC 断开时，急停输出EstopOut 断开，控制电压继电器K24DC断开，切换控制电源，设备停止，功能实现如图4所示。

机器安全实现时，其安全功能块与急停功能块相近，只是在安全外设选择了安全光幕、双手控制开关安全门限位和安全门进入确认按钮，通过在功能块中对这些安全输入的失效时间（1 s）进行监控，当输入点在规定的时间内失效后，触发监控输出，利用监控输出点实现相关动作的停止，保证机器安全。

4.2 边模取置自动控制功能

边模取置通常采用自动划线，人工取置边模和喷油操作，由于人为的失误可导致产品直接报废，而采用伺服系统自动控制划线和边模取置，提高了系统的控制精度和重复精度，边模置放精度达到±2 mm。由于控制特点具有很强的流程性，因此采用逻辑控制流程图法中的循环流程、条件分支和平行分支来实现设计［4］，其控制功能流程图如图5所示。

图4 急停安全功能Fig.4 Sudden stop safety function

图5 边模自动控制流程Fig.5 Side forms automatic control process

5 结论

采用Beckhoff 公司基于PC 的自动化系统，凭借其网络的拓扑结构灵活和廉价硬件，安全功能与非安全功能无限制配置，以及其上位系统的高级语言接口，与CAD和SQL软件高兼容性，使得预制混凝土构件生产线的生产效率相比传统生产提高约26%，人员操作减少到3人，并且减少了由于操作人员的工作失误导致的产品质量缺陷和机械设备故障，同时采用预制混凝土构件的住宅产业年能耗降低70%，年节水80%，为我国节能减排做出重大贡献。

［1］刘东卫，蒋洪彪，于磊.中国住宅工业化发展及其技术演进［J］.建筑学报，2012（4）：10-11.

［2］蒋勤俭.住宅建筑工业化关键技术研究［J］.混凝土世界，2010（9）：34-35.

［3］倍福自动化公司.TwinSAFE 应用手册［Z］.

［4］宋伯生.PLC 编程实用指南［M］.北京：机械工业出版社，2006.