GWC3300 钢筋网成型机电气控制系统实际应用介绍 |
随着近年我国国民经济持续稳定地发展，国家大量地投入到基础建设，建筑业也得以高速发展，大量的新材料、新工艺正逐步被应用，机械化作业程度大大提高，建材加工出现了专业化，规模化，商品化，分工协作的趋势。
现代建筑工程中广泛采用钢筋砼结构、预应力钢筋砼结构，钢筋作为一种特殊的建筑材料起着极其重要作用，钢筋焊接网这一新型、高效、节能、强化混凝土结构的建筑用材使用量越来越大。目前全国每年用于砼结构的钢筋，包括非预应力钢筋和预应力钢筋总量超过5000 万吨，接近我国钢产量的一半，1999 年我国建筑用螺纹钢筋产量达2495 万吨，已占钢产量的1/5。因此钢筋加工成为一个重要的生产环节。在钢筋砼结构工程中由于钢筋加工生产落后于商品砼和建筑模板，现已成为制约施工机械化程度提高的瓶颈。
由于焊接钢筋网在强度、抗冲击和穿刺等方面优异的特性，比编织网更经久耐用，抗腐蚀、抗磨损、抗松散变形。另外钢筋焊接网可以进行侵塑、喷塑或电镀处理, 使钢筋焊接网外形更加美观。因此焊接钢网还被越来越广泛地用于：公路、铁路护栏网，市政建设，飞机场隔离栅，体育场馆围栏，畜牧、饲养业及各种钢网制品。
基本概念
钢筋加工商品化
是指在固定的加工厂，利用盘条或直条钢线材,经过一定的工艺程序，由专业的机械设备制成钢筋成品供应给用户。目前商品钢筋主要包括钢筋强化、钢筋成型、钢筋网成型、钢筋笼成型、钢筋机械连接等钢筋加工产品。
钢筋成形
钢筋下料生产线采用计算机控制技术，可实现钢筋自动定尺，经切断后移动到指定的储料架按规格分类存放，实现了钢筋下料的优化组合将废料减少到最少，或与自动弯曲机配合实行自动生产成型钢筋。箍筋的成型是由数控钢筋弯箍机完成，可实现盘料开盘、调直、弯箍、切断、箍筋收集等工序的连续工作，实现箍筋产品的自动化生产。
钢筋网成型
是将定尺剪切下来的直条钢筋再加工成钢筋网片，传统钢筋砼的钢筋采取人工绑扎方式，现在逐渐采用焊接方式，因此钢筋网成型机也叫焊网机。钢筋焊接网的应用改变了传统的钢筋绑扎施工方式，由手工操作向工业化、商品化发展。
我国目前钢筋焊接网应用量占钢筋总量的2%，根据预测今后每年的增长率为8%~10%，市场前景可观。以往，加工钢筋网的成型设备多是从国外进口，整套设备价格昂贵，而且耗电量惊人，技术上也不能满足国内的要求。而我国钢筋加工商品化刚刚起步，粗钢筋弯曲成型、细钢筋的箍筋成型、钢筋网成型的生产方式也比较落后。GWC3300 钢筋网成型机的研制成功，将我国钢筋网焊接设备的国产化又向前推进了一步。
GWC3300 钢筋网成型机的特点
GWC3300 钢筋网成型机焊接钢筋网的宽度最大为3300 毫米，网格尺寸50 至800 毫米，焊接直径5～12／14 毫米，焊接频率30～60 排／分；控制系统采用了最先进的可编程控制器PLC 及Panel PC 面板式工控机，可在屏幕上进行设定、调整、检查焊接工艺技术参数；在该类设备中首先采用了伺服传动技术，实现了网格送进的无级调速；焊接电极采用高强度铬镐铜材料，焊接电极各表面均能作为焊接面，自制焊接专用变压器；焊接电流、焊接时间、焊接压力可根据钢的规格、原料材质及表面状况自动调整；设有安全报警系统，通过系统自动诊断劫能，对冷却水压力、气压及种种动作执行位置进行监控，确保设备正常连续运行；网片传送系统设置了独特的网片输送控制器及挂网、拖网机构，利用气缸为执行元件实现了焊接主机与接网、落网机构的衔接，形成自动化生产线；在焊接工艺上不仅适用于冷轧钢筋，而且适用于热轧钢筋，原料供给方式可为直条或盘条，可焊接冷轧、热轧螺纹/光圆钢筋；焊接供电可采用一次供电，也可分步间隔供电,以适应不同用户的供电状况。该设备与国外同类产品相比，在技术性能上又有了较大的突破和创新。
GWC3300 钢筋网成型机电气系统介绍
1. 可编程控制器
选用S7-300 系列中性能价格比较高的CPU 314C-2DP 作为系统的主控制器，负责整个钢筋网成型机的控制，包括逻辑控制、钢网成型计算及控制、焊接曲线计算及焊接控制、与伺服控制器的通讯控制、与操作界面HMI 的通讯、与数据管理系统的数据交换等功能。CPU 本身集成的中断输入用于焊接电源的相序检测；集成的模拟量输入输出用于外围辅助设备的检测与控制，如供气压力的恒压控制；另外扩展了16 路的模拟量输出，用于16 个焊接控制器的电压给定。
2. 人机界面平台
考虑到现场生产环境较恶劣，故采用面板式工控机Panel PC 870，具有20G的防震动硬盘，12 英寸TFT 液晶显示器，IP65 防护等级的薄膜按键面板，集成了DP/MPI 通讯接口及RJ45 以太网接口，可以很方便地与CPU 控制器进行数据通讯。同时，采用Protool/Pro 基于PC Windows 的组态软件作为监控界面的软件平台，由集成的软硬件平台共同构成本系统的人机操作界面，完成除了网片数据管理以外的，如参数设定、状态显示、设备操作维护等功能。
3. 伺服系统
采用德国LENZE 公司的交流异步伺服电机及9300 系列EP 型伺服控制器，增量式编码器反馈，通过伺服控制器本身可以直接完成点对点的精确定位功能。
4. 通讯
■MPI 接口
Protool/Pro 用户运行软件通过Panel PC870 及CPU 314C-2DP 的MPI接口与PLC 进行数据交换的，通讯速率为187.5K 波特率。
■Profibus-DP 接口
由于焊接钢筋网的网格间距根据生产需要是不断变化的，伺服系统每执行一个步进网格间距都必须先从主控制器那儿取得网格间距的数据，因此必须采用通讯的方式快速地将网格间距值传送给相应的伺服系统。由于主控CPU 314C-2DP 已集成了Profibus-DP 现场总线接口，以及Profibus-DP 接口在快速响应、可靠、稳定及安全方面的优异特性，我们采用Profibus-DP 总线接口与送进伺服系统及拖网伺服系统进行通讯，通讯速率可以达到12M 波特率。主控CPU 通过总线通讯获取伺服系统的状态，并根据当前逻辑控制结果不断地将网格间距值传送给伺服系统，并控制伺服的运行；当伺服执行完当前的网格定位任务后，又通过通讯总线将自己的状态反馈给CPU，准备下一次的定位任务。
GWC3300 钢网成型机控制原理介绍
1. 焊接控制
焊接是钢筋网成型机的主要生产工序，GWC3300 钢筋网成型机共有16 个焊接变压器，每一个焊接变压器的初级都有一个焊接控制器，可单独控制每个焊接变压器的输出电流；而每个焊接变压器有两个次级输出共32 个焊点。由于钢筋的材质不同（冷轧钢和热轧钢），其焊接过程中电流的变化也不同，如下图所示：
由于焊接变压器的功能限制，焊接电流曲线必须由PLC 来生成，然后通过模拟量输出到焊接控制器的给定端。PLC 首先对三相电源进行过零检测，根据过零信号来触发和关断焊接可控硅，而焊接曲线也是根据过零信号来变化的。虽然由PLC 产生的焊接电流曲线是个梯形波，但经过焊接控制器输入端的积分器钝化，实际的焊接电流曲线仍是平滑变化的。
每一个焊点的焊接循环过程都为预压、焊接、维持、休止四个步骤，在焊接控制程序上，确保电极压紧钢筋后的第一个过零信号触发可控硅，紧接着第二个过零信号触发焊接电流曲线；焊接电流曲线结束后的第一个过零信号关断可控硅，第二个过零信号才允许电极抬起。
这些措施的采用最大限度地减少了电极的拉弧现象和产生的噪音，并且使焊接能量集中，节能，而焊点质量牢固程度明显提高，同时也延长了电极的使用寿命。
由于一台钢筋网成型机焊机部分的装机容量高达上千千瓦，为了适应不同用户供电容量的限性，GWC3300 钢筋网成型机的焊接控制可以一次焊接也可以分三次焊接，但三次焊接的生产效率会低一些。
2. 定位控制
GWC3300 钢网成型机是靠送进机构和拖网机构两套伺服系统来控制网片的网格间距的，如图示：
由于送进轮至焊接电极之间有一定的距离Lp，因此当网片纵筋的余留长度Lt小于当前网格间距时，送进轮将无法继续送进工作，这时只有靠拖网机构衔接上，步进完成剩下的网格间距，因此需要系统自动计算出拖网机构的挂钩可以钩到的大于挂钩极限距离Ld 的横筋的位置，因此在程序上必须有一个FIFO 堆栈用来保存最近15 次的步进网格间距。工作中，送进机构采用单向步进相对定位模式，而拖网机构则采用双向往复绝对定位模式，生产时两者交替工作，焊接钢筋网的网格尺寸的精度，就靠这两套伺服系统的协调工作来保证的。
由于采用了合理的算法和控制流程，GWC 3300 钢筋网成型机的网格定位达到相当高的精度，网片网格总长误差小于3mm，网格间距误差小于0.5mm。
3. 逻辑控制
钢网成型机完成一个网格的焊接，需要系统中多个机构的协调工作才能完成，需要经过①网格送进，②卡纬，③落纬，④平衡，⑤电极压下，⑥焊接，⑦电极抬起等步骤。尤其是在每张网片的第一次焊接及在送进机构与拖网机构的交替过程中，还有经丝定位，挂钩等部件也要配合动作，而所有这些动作都必须在1 秒钟内完成才能保证60 次/分钟的焊接频率。
在对系统所有的执行机构的动作特性做了一个测量，以及对其动作的时序作了仔细的分析后，我们排出了整个设备各部件的最佳动作时序，在软件程序上采用以JL 指令为基础的结构化程序，大大提高了控制器的响应速度，取得了良好的控制效果。调试过程中，试焊一张长3m，宽2m，网络间距为100mm，前抽头及留尾长各为50mm 的钢筋网，采用一次焊接方式，30 次焊接共用了23 秒的时间，而且焊点质量均匀牢固，而此前GWC 3300 的控制系统只能达到40 次/分钟的焊接频率。如果这张网片由一个工人人工绑扎的话，即使10 秒钟扎一个交叉点，600 个交叉点也需要1 小时20 分钟才能干完。由此可见，一个合理的控制程序，将极大地提高生产效率。
此外，还开发了生产中自动模式与单步模式的任意切换的功能、当前工作步骤的实时显示功能、单键操作方式、故障自诊断停机与自动恢复再生产的功能，都取得了良好的应用效果，受到生产厂和最终用户的欢迎。
网片数据管理
软件的开发
面对大量的不同需求的生产任务，钢筋网片的加工商迫切需要一种管理软件来处理各种订单，并把订单的数据直接转换成生产所需的网片规格数据传送给钢筋网成型机的控制系统，然后进行生产，而不再需要通过人工方式输入订单生产所需的数据。
经过相关地考察、论证，我们认为自行开发一套基于数据库的网片数据管理软件，是比较经济实用的，尤其是管理软件中其中多重配方嵌套管理的功能，也是一般组态软件所无法具备的。经过一年的努力，我们成功地开发出了钢筋网成型机的网片生产管理的数据系统软件。
1. 独立运行的数据库管理软件设
可在Windows 2000/XP 环境下运行，具有输入，调阅，增加，排除，拷贝，图示等功能，用户可根据实际生产需要进行网片数据的选择和设定，生成最终设备生产所需要的相关数据（包括网片规格数据及焊接工艺参数），再由通讯链路传输至PLC CPU 指定的数据块内，由CPU 做进一步运算处理。
2.面向多台钢筋网成型机设备的数据管理软件
当一个车间内有若干台同型号设备生产时，用户只需一套管理软件即可。因此，该软件不仅有完善的数据管理功能，还具备网络管理功能，用户可自己定义增加或减少由数据管理软件系统来管理的生产设备，选择通讯网络的类型（MPI，以太网），设置各设备的通讯地址。
3.数据管理软件与PLC 数据通讯的实现
由于网片数据管理软件属第三方软件，因此，必须有相应的通讯驱动程序才能使网片数据管理软件所生成的生产数据通过一个数据链路被传送到相应控制系统CPU 的数据块中去。出于通用性的虑，我们选用了Simatic Computing 这个WinAC的组件作为数据通讯链路的驱动程序，通过调用Computing 软件提供的S7-data 通讯控件，实现网片数据管理软件与控制器之间的数据交换，该控件可支持MPI，PROFIBUS，Ethernet 多种方式的网络通讯，从而使整个钢筋网成型机的控制系统和网片生产管理数据系统的组合更具灵活性。
4. 网片数据管理软件与GWC3300 钢筋网成型机的配置
a) 单机配置
对于单机用户，网片数据管理软件可直接安装在现场工控机Panel PC870上，并可由Protool/Pro 用户软件在操作界面中直接调用，同Protool/Pro 用户软件并行运行，数据传送则通过MPI 接口。
b) MPI 网络配置
当设备之间距离较近，可以做到设备之间等电势或采用中继器隔离的条件下，网片数据管理软件可直接到用S7 的MPI 网络，由一台独立的数据管理计算机，通过CP5611 从各设备主控CPU 的MPI 接口将直接数据传入各CPU指定的数据块。
c) 以太网网络配置
网片数据管理软件也可利用用户已有的以太网网络来传送网片的生产数据，当然此时主控PLC 需扩展CP343-1 TCP/IP 的通讯模块。
结束语
GWC3300 钢筋网成型机西门子系统控制方案的开发历时2 年半多，于2004 年4 月首台样机正式交付用户，以其性能稳定可靠，功能完善，操作简便，维护方便得到用户的好评，在这个被进口设备垄断的行业，站稳了一席之地，逐步取得更多的生产订单。
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