电杆钢筋笼自动变径滚焊机无线检测控制系统研究

邵贵伟， 杨练根， 怀义文

（1. 湖北工业大学 机械工程学院，武汉430068；2. 宜昌海天超声技术有限公司，湖北 宜昌443000）

0 引 言

随着建筑业、铁路行业、市政建设与工业排水管道、隧道桥梁、电站与电网建设等行业的高速发展，对电线杆、桩基保护桩、涵管等各种钢筋混凝土管的需求越来越大。经过多年的发展，我国在钢筋笼滚焊机装备的研发和生产上取得了一些突破，技术水平也有了大幅度的提高，针对等径钢筋笼的滚焊加工已有了成型产品，但电杆直径小、长度较长，一般的钢筋笼有1/75的锥度；且焊接过程中气缸式自动锁紧夹具会逐步运动到距PLC达10～15 m远处，传统的有线控制会带来接线缠绕及安全问题。另外，绕筋随焊接装置高速旋转，与主筋接触，形成焊接触点，传统的有线控制同样会带来丝线的缠绕问题。滚焊机自动气动支撑装置和推笼装置也会造成接线缠绕、破损等问题。这对于电杆骨架滚焊机的结构设计和控制系统研发增加了很大难度。

传统的变径机构多为齿轮传动式和链轮传动式，机构复杂，制造和装配难度大，且变径不直观。近些年来远程无线通信控制技术趋于成熟，出现了ZigBee技术、红外技术、无线射频通信技术等[1-3]。

本文根据电杆钢筋笼的结构特点和需求，采用工控机和PLC，研发了基于PLC控制技术、LORA射频通信技术和红外遥控技术的滚焊机控制系统，实现对滚焊机的在线实时监测和无线控制，避免了接线缠绕，提升了滚焊机的自动化程度。

1 电杆钢筋骨架滚焊机概述

电杆钢筋笼滚焊机主要由变径装置、焊接装置、移动驱动装置、上料装置、推轮装置、控制系统等组成。本项目以节能高效为出发点，设计出结构新颖的变径装置、焊接牢固率高的旋转焊接装置、自动化程度高的移动驱动装置、实时调整高度的旋转焊接装置等滚焊机结构装置，配合自动化程度更高的PLC控制系统与无线射频通信、红外通信控制系统，形成一整套完整的性能更高的电杆钢筋笼滚焊机装置。

由气动式钢筋夹具和其他部件组成的移动驱动装置实现拉筋进给以形成绕筋间距，由物料架、气动式钢筋笼支撑补偿装置对钢筋笼实现平稳支撑。最后由推笼装置完成卸笼动作。图1所示为整个项目的技术路线，图2所示为钢筋笼滚焊机的部分模型结构。

图1 滚焊机研发技术路线

图2 电杆钢筋笼滚焊机模型结构

2 滚焊机控制系统总体方案设计

如图3所示，上位机的主要任务是通过触摸屏输入待加工的钢筋笼的结构尺寸和工艺参数至PLC并进行在线监测，PLC的控制任务包括：1）控制4台变频器，驱动变径电动机、拉筋电动机、焊接电动机、旋转托筋盘电动机；2）根据设定的工艺参数计算4个电动机的转速，通过算法确保这4个电动机实现的变径、拉筋进给、旋转焊接、托筋盘旋转的转速匹配以实现钢筋笼焊接；3）基于ITT协议，接收绕丝输送装置用行程开关引发的红外信号；4）对编码器计数以实现变径计算，确保变径精度和绕丝间距精度；5）通过无线LORA通信方式控制气动支撑装置、推轮机构的9个气缸，实现对钢筋笼的自动平稳支撑和推笼装置的动作，卸下钢筋笼；6）通过无线LORA通信方式控制自动夹具的气缸，使气动式自动夹具实现松开与夹紧；7）故障处理、异常报警。

图3中，通过对变径电动机的编码器计数和丝杆导程、变径算法，结合钢筋笼的几何参数进行变径。根据实时焊接长度，由PLC运行程序控制变径变频器，驱动变径电动机实现滚焊机自动变径。

图3 电杆钢筋骨架滚焊机控制系统结构框架图

绕筋间距精度由拉筋电动机和旋转焊接电动机的工作情况共同决定，系统通过工艺要求输入绕筋间距和旋转焊接电动机的给定转速，通过对拉筋电动机的编码器计数对实时焊接长度和理论焊接长度进行比较，得到纠偏控制量，经过D/F数频变换，输出至拉筋变频器，通过SPWM控制技术控制拉筋小车速度，保证绕筋间距精度。

通过无线传感原理和转速匹配技术，使安装在旋转焊机装置上并与托筋盘上绕筋相连的无线位移传感器向PLC发送信号，控制旋转托筋盘变频器，通过PID技术以调整旋转托筋盘（丝盘）电动机的转速，实现转速匹配。

3 基于LORA射频通信和红外控制的多工位远程控制系统

在滚焊机工作时，气缸式自动锁紧夹具会运动到距PLC较远位置处，滚焊机的一些自动气动支撑装置和推笼装置同样距主控装置PLC位置较远，滚焊机的旋转焊接装置和拖筋盘在工作情况下高速旋转，给绕筋输送匹配焊接速度控制带来难度。因此，传统的有线控制会带来接线缠绕、接线不便及安全问题。针对上述问题，利用无线LORA射频通信控制技术对气动自动锁紧夹具、气动支撑装置和推笼装置的气缸电磁阀进行远程无线控制，利用红外技术控制旋转焊接装置中控制绕筋输送的松紧度，实现钢筋笼滚焊机的自动化焊接。

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3.1 气缸电磁阀无线控制

3.1.1 硬件设计

为满足对气缸自动夹头、5个气动支撑装置、4个推笼装置的无线运动控制的需求。采用三菱FX3U系列PLC，串口转无线LORA收发器、数据汇总模块、无线开关量模块、基于无线射频通信控制的智能I/O扩展模块，其控制其系统框架如图4所示。

图4 气缸控制结构框架图

采用三菱FX3U系列PLC，主站模块选用ZKB-2R1L作为网关数据汇总模块，实现串口转LORA数据汇总，负责集中收集汇总ZKD子模块的数据并处理断线重连及保护机制。基于MODBUS-RTU和固定格式指令串通信协议，从站模块选用ZKD-4I4RO-LORA作为无线开关量模块，基于无线射频LORA通信控制的智能I/O控制，用于输出开关量信号控制气缸电磁阀。

3.1.2 系统通信设置

1）上位机与ZKB-2R1L通信。无线串口模块ZKB-2R1L支持MODBUS-RTU通信协议，在协议中，上位机向其发送16进制的8字节数据的控制指令，例如：01 01 00 00 00 08 54 OD。其中：01为站号地址；01为功能码（读线圈地址）；00 00 00 08为数据位；54 OD为CRC校验高低位。无线串口模块ZKB-2R1L接受来自上位机的串口数据，对数据解析后，将控制指令发送到无线开关量模块，执行电磁阀的开关量控制。

2）LORA射频通信设置。

a. LORA射频通信组网。无线LORA射频通信技术支持用户对设备进行远距离低功耗无线控制及采集操作，针对钢筋笼滚焊机的实际需求，控制往返运动用于夹紧钢筋的气缸电磁阀，以及距离较远的5台气动支撑装置和4台推笼装置。在该通信组网中设置1个无线串口模块和两个无线开关量模块，其组网图如图5所示。

图5 组网图

b. LORA模块通信设置。ZKB-2R1L是针对ZKD子站模块而设计的网关/DTU数据汇总模块，该模块存在两种模式：模式一为网关数据汇总模式，模式二为通信透传模式。模式一：ZKB主站自动汇总各个子站的数据到自己内部寄存器，上位机只需要读写ZKB主站内部寄存器即可获得数据，而无需分别访问子站模块，节省了上位机资源。模式二：ZKB主站不汇总数据，仅仅是将上位机过来的请求转发给各个子站，同时再将各个子站的数据反向转发给上位机，仅仅具备数据双向转发功能。考虑到上位机的负荷和开发难度，其工作模式选用采用网关数据汇总模式。组网中的ZKD模块都有一个唯一的子站地址，且保持不变，ZKB主站接受上位机的控制指令，后发送给目标子站。

ZKB控制子机1的DO输出寄存器数据发送格式示例如下：01 0f 00 00 00 18 03 ff ff ff 71 f4。其中：01为子站地址；0f为指令号，0f为写多路D0；00 00为从哪一路开始写，00 00=Y1开始写；00 18为要写多少路；03为后面的字节数；ff ff ff为发送的数据内容；71 f4为CRC校验码。

根据滚焊机的工作状态，借助传感信号反馈给上位机，再根据和ZKB模块及ZK模块之间的数据发送格式，对发送指令进行编码，后有ZKD模块将控制指令发送给对应气缸电磁阀，完成主筋的夹紧和松开动作，以及每个节段钢筋笼不同截面的气动支撑与推笼动作。

3.2 绕筋输送速度无线控制

绕筋随焊接装置高速旋转，与主筋接触，形成焊接触点，传统的有线控制同样会带来丝线的缠绕问题，如图6所示，采用红外遥控技术控制绕筋的输送速度实现钢筋笼焊接。转速异常释放差速信号转化为绕筋张紧信号，使3个并联的压力传感装置触发其中1个或全部红外按钮，系统主要由3个并联的红外发射装置和1个红外接收设备组成。由红外接收电路接收红外信号并与PLC的输入端口相连，通过PLC基于模糊PID控制算法调节旋转托筋盘电动机转速，实现转速匹配，并控制旋转焊接装置中绕筋输送的松紧度，从而实现钢筋笼滚焊机的自动化焊接。

图6 绕筋输送速度控制框架图

3.2.1 模糊PID控制算法设计

采用输出增量累加的方式，该算法仅需e（k）、e（k-1）和e（k-2）三个采样值，减少了编程过程中数据存储难度。

由于传统PID控制难以适应参数时变性、非线性和结构不确定性，采用模糊控制算法与传统PID控制相结合的模糊PID控制策略，以提高系统的鲁棒性和实时性。基于串口通信，将下位机计算产生的误差e（k）和误差变化率ec（k）输入到工控机的MATLAB软件作为模糊输入，经过定义的模糊推理和决策，得到系统PID控制的决策参数Δkp、Δki、Δkd，再到PLC中与初始定义参数求和，得到实际控制参数。

使用Mamdani的min-max法则进行推断，结合加权平均法去模糊化，设定控制参数的调整量为递增式，所有输入量和输出量采用相同的模糊子集，隶属度函数选用对称均匀分布的三角形形式，根据PID的误差逐级逼近原则和自身调整原则，建立Δkp、Δki、Δkd的输出控制规则。以Δki为例，模糊控制规则如表1所示。

表1 Δki模糊控制规则

4 滚焊机控制系统软件开发

4.1 滚焊机控制系统软件功能分析

滚焊机控制系统软件主要分为用户管理模块、运行模块、设置模块、查询模块、帮助模块等5个功能模块。

用户管理模块可对工程师和操作人员权限进行管理；运行模块包含手动、自动和报警功能。运行模块可根据预存参数设置自动变径、自动焊接和中断后或任一节点处继续运行等功能；设置模块包含参数设置、语言切换和通信设置部分；查询模块包含历史数据查询、诊断出错程序查询、操作人员和时间节点查询；帮助模块可提供用户手册、在线资源和滚焊机版本信息[1]。

4.2 电杆钢筋笼滚焊机控制系统程序设计

电杆钢筋笼自动变径滚焊机控制系统软件部分主要由以下组成。

1）自动变径控制程序。根据输入的电杆钢筋笼长度L和截面大端直径D，计算出变径装置中的滑动导杆需要移动的位移量Δl，PLC与变频器通信，通过输出的模拟量信号来控制变频器，由变频器进一步控制变径变频电动机，实现对变径变频电动机的控制。同时，PLC通过编码器对变径变频电动机和移动牵引电动机的高速脉冲计数，得到焊接成型的钢筋笼长度x和变径电动机转速，与理论数据进行对比，根据反馈的误差信号调整电动机转速。焊接过程中变径丝杆所需位移量Δl计算公式为：y=-x/75+D；Δl=D-y=x/75。

2）托筋盘转速匹配程序。根据输入的旋转电动机转速，结合钢筋笼焊接成型的截面直径，用同步转速匹配算法计算出托筋盘电动机转速，PLC通过输出信号来控制变频器，进一步控制托筋盘电动机，通过红外装置元器件形成闭环的控制回路，应用模糊PID技术，使托筋盘驱动电动机与旋转焊接电动机保持转速匹配。

3）移动牵引装置控制程序。根据设置电杆钢筋笼的绕丝间距和旋转焊接电动机转速，计算出移动牵引电动机的运行转速。由PLC输出控制指令来调节变频器输出频率，从而改变牵引电动机的转速。通过编码器的高速脉冲计数模块将牵引电动机当前位移和转速反馈给PLC，调整进给移动电动机的转速。图7所示为变频电动机控制框图。

图7 变频电动机控制框图

4）移动式气动夹具动作程序。基于无线LORA射频通信，实现PLC对运动中的远距离气缸电磁阀的控制，以锁紧或松开气动夹具。

5）系统报警程序。工控机采集各个传感器的信号，对读取的数据进行处理和分析，以决定是否报警或停机。

4.3 控制系统人机界面设计

滚焊机的上位机软件采用LabVIEW设计，其图形化编程语言（G语言），可处理数值、数组、字符串、布尔等格式数据，具有数据通信、信号处理、函数运算、控制仿真等功能[10]，通过上位机完成焊机旋转转速、工作电压、焊接电流、绕筋间距、钢筋笼长度、钢筋笼段径等参数设置。在滚焊机工作过程中，实现操作参数记录、焊接评估、故障查询等功能。

电杆钢筋笼焊接自动运行的参数设置和控制命令要通过触摸屏进行。因此，本项目采用了人机交互的方式，如图8所示。用户在触摸屏输入的参数传到PLC，PLC通过计算生成电动机的旋转量、转速等参数，然后发送到变频器，控制各个电动机的转动，从而实现钢筋骨架的焊接作业。

图8 滚焊机操作面板

滚焊机的操作主界面如图9所示。滚焊机操作参数设置界面如图10所示。

图9 钢筋笼滚焊机的操作主界面

图10 滚焊机操作参数设置

4.4 滚焊机控制系统实验验证

本项目提出的电杆钢筋笼控制系统应用于对应的校企合作企业，以电杆钢筋笼滚焊机为控制对象，构建了基 于PLC 及无 线LORA射频通信技术和红外技术的滚焊机控制系统。整套电杆钢筋笼滚焊机顺利通过湖北省机械工程学会组织的鉴定委员会鉴定。

通过滚焊机的实际运行测试，能够根据用户定制要求成功生产高质量的电杆钢筋笼，电杆钢筋笼滚焊机控制系统已运行近1 a时间，高效稳定，可靠性满足应用要求。

5 结 语

本文介绍了一种电杆钢筋笼滚焊机控制系统的总体控制系统及相应的硬件和软件。基于PLC控制系统、无线LORA射频通信技术和红外控制技术，该系统可实现钢筋笼滚焊机的基本控制，并使用上位机对滚焊机控制系统进行实时监测；利用无线LORA射频通信技术和红外控制技术实现远程自动夹具气缸的无线控制和满足旋转绕筋输送过程中的转速匹配，避免了装置运动过程中接线缠绕问题，提高安全性和自动化水平。实验结果表明，该控制系统运行稳定可靠，实时性强，具备很强的应用价值。