李海蕓,林南靖,董楸煌,邱榮斌,葉大鵬
(福建農(nóng)林大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院;b.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備福建省高校工程研究中心,福建 福州 350002)
我國(guó)是全球最大的木材產(chǎn)品加工國(guó)。然而在木材機(jī)械加工方面,我國(guó)大多數(shù)的木材加工設(shè)備還處于工業(yè)2.0(電氣化)狀態(tài),木材加工率低下,且屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)人力成本大,木材加工的利潤(rùn)低下。加大木工機(jī)械的科技力度,以“機(jī)器生產(chǎn)”代替人工生產(chǎn),通過提高木材加工效率提升木材產(chǎn)品利潤(rùn),特別是高科技木工機(jī)械是目前木工機(jī)械行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。隨著“工業(yè)4.0”時(shí)代到來,制材設(shè)備也將朝著智能化發(fā)展,使我國(guó)制材設(shè)備在制材的生產(chǎn)中,減少人工成本的情況下,木材的出材、利用率及木材質(zhì)量得到顯著的提升[2]。
在國(guó)外,對(duì)于鋸材裝備智能制造的研究比國(guó)內(nèi)要早且成果也較為豐富。如德國(guó)威力木工集團(tuán)研制了一種實(shí)木板材優(yōu)化的下落生產(chǎn)線及其全套裝備,改進(jìn)生產(chǎn)線在鋸材缺陷與尺寸的自動(dòng)識(shí)別、橫向優(yōu)化截?cái)?、縱向優(yōu)化截邊和鋸材實(shí)施及自動(dòng)上下料的全程自動(dòng)化。目前德國(guó)伊瑪、豪邁、威力,意大利比亞斯為首國(guó)際大型木工裝備集團(tuán)已將數(shù)控技術(shù)和機(jī)器視覺技術(shù)普遍運(yùn)用于木工機(jī)械,他們幾乎壟斷了全球木工裝備的中高端市場(chǎng)[3]。國(guó)內(nèi)制材設(shè)備技術(shù)相對(duì)落后,設(shè)備自動(dòng)化水平低下,對(duì)于鋸材的檢測(cè)采用人工檢測(cè)木材的利用率低,對(duì)于自動(dòng)化和智能化的木工設(shè)備主要依靠進(jìn)口[4]。
本研究設(shè)計(jì)的毛邊鋸材智能加工裝備控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)作為毛邊鋸材控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái),利用OPC作為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)通信接口能有效的解決系統(tǒng)數(shù)據(jù)異構(gòu)的問題[5-7],利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)多臺(tái)毛邊鋸材加工子設(shè)備間的數(shù)據(jù)集成。為今后圓木加工流水線控制系統(tǒng)的銜接提供借鑒。
整套毛邊鋸材流水線裝備的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括三個(gè)模塊:鋸材上料模塊、移動(dòng)多片鋸鋸切模塊和成品分揀模塊。能夠完成對(duì)毛邊鋸材的圖像拍攝及圖像處理,使其自動(dòng)完成對(duì)毛邊鋸材的位姿調(diào)整、不同尺寸鋸材的鋸切和成品分揀的功能。
毛邊鋸材通過間歇進(jìn)給輸送到上料模塊,當(dāng)傳感器檢測(cè)鋸材運(yùn)動(dòng)到氣缸擋板位置時(shí),2個(gè)起升氣缸將鋸材提升離開傳送帶并通過相機(jī)傳感器觸發(fā)相機(jī)拍照進(jìn)行圖像采集,圖像裝置將毛邊鋸材照片傳送至PC機(jī)上進(jìn)行圖像處理,獲取毛邊的有效寬度、位姿狀態(tài),再通過絲杠滑塊機(jī)構(gòu)將毛邊鋸材調(diào)整到指定位置,氣缸回收重新將鋸材送到傳送帶上使鋸材輸送到移動(dòng)多片鋸鋸切模塊上加工。移動(dòng)多片鋸鋸切模塊根據(jù)毛邊鋸材圖像處理的結(jié)果將自動(dòng)調(diào)整圓鋸片的間距等待毛邊鋸材的鋸切;當(dāng)傳感器檢測(cè)到當(dāng)前有毛邊鋸材在鋸切并且上料區(qū)有圖像處理完成的鋸材,則系統(tǒng)會(huì)等當(dāng)前毛邊鋸材鋸切完畢之后再對(duì)圓鋸片進(jìn)行調(diào)整。成品分揀模塊將加工完成的毛邊鋸材和方形鋸材分離,其中毛邊鋸材由于無(wú)支撐落入毛邊鋸材回收框;當(dāng)傳感器檢測(cè)到當(dāng)前分揀托架上有木板且前面設(shè)備已有加工完成的鋸材時(shí),則系統(tǒng)會(huì)等待當(dāng)前鋸材分揀完畢后再將托架運(yùn)動(dòng)到指定位置。
圖1 毛邊鋸材鋸切裝備整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Assembly diagram of intelligent processing equipment for burr sawn timber
控制系統(tǒng)采用分布式控制原理。將毛邊鋸材智能加工裝備分為毛邊鋸材上料控制系統(tǒng)、毛邊鋸切控制系統(tǒng)及成品分揀系統(tǒng)三個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。并以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐,以PC機(jī)作為集中控制平臺(tái)設(shè)計(jì)毛邊鋸材智能加工裝備控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)毛邊鋸材裝備的離散控制、集中管理、穩(wěn)定傳輸和智能處理,達(dá)到毛邊鋸材智能加工裝備的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、科學(xué)化和智能化的生產(chǎn)目標(biāo)[8]。該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu),總體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)場(chǎng)控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和集中管理層三個(gè)層次框架設(shè)計(jì),如圖2所示。系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器、工業(yè)相機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)控制器、現(xiàn)場(chǎng)通訊器、網(wǎng)絡(luò)交換器、集控計(jì)算機(jī)組成。毛邊鋸材的三個(gè)子裝備各采用一套現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng),各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)連接到局域網(wǎng)和集中管理系統(tǒng)組成分布式控制結(jié)構(gòu)。
圖2 網(wǎng)絡(luò)通信控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架Fig.2 Overall structure diagram of network communication control system
系統(tǒng)硬件采用三臺(tái)西門子S7-200 系列的224XP的PLC 作為控制器,控制相對(duì)應(yīng)的電機(jī)、氣缸、接觸器、變頻器等。PLC 系統(tǒng)的I/O 地址分配如下表1所示[9-10]。
表1 PLC 外部I/O 地址分配Table1 External I/O address table of PLC
控制系統(tǒng)的控制程序采用模塊化設(shè)計(jì)方案,根據(jù)不同的功能模塊設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序[11],功能如下:
1)毛邊鋸材上料模塊程序。毛邊鋸材上料模塊是整套毛邊鋸材加工設(shè)備的起始模塊,主要用于毛邊鋸材的上料、毛邊拍照處理以及毛邊鋸材的位姿調(diào)整。在該模塊中,毛邊鋸材調(diào)整的托架1、2是由2個(gè)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠滑塊控制的,對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的控制采用絕對(duì)運(yùn)動(dòng)控制,以此在設(shè)備運(yùn)行之前需要對(duì)托架1、2步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行位置初始化。該模塊中用于位姿調(diào)整的數(shù)據(jù)通過圖像處理經(jīng)上位機(jī)控制平臺(tái)傳送到上料PLC 中。當(dāng)PLC中的VD15與VD35 中的數(shù)值發(fā)生變化時(shí),托架1、2步進(jìn)電機(jī)分別帶動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)的位置。程序流程如圖3a所示。
2)移動(dòng)多片鋸鋸切模塊程序。動(dòng)態(tài)多片鋸模塊直接與毛邊鋸材上料模塊對(duì)接,其主要實(shí)現(xiàn)毛邊鋸材的鋸切加工。經(jīng)過上料模塊的圖像拍照,上位機(jī)系統(tǒng)通過毛邊圖像檢測(cè)處理,得出移動(dòng)多片鋸鋸切模塊中移動(dòng)鋸片1、2 需要移動(dòng)的位置數(shù)據(jù),并存儲(chǔ)在FIFO 隊(duì)列中,通過判斷I0.3=0?,當(dāng)I0.3=0時(shí),表明當(dāng)前無(wú)毛邊鋸切,則上位機(jī)系統(tǒng)會(huì)將圖像檢測(cè)鋸片移動(dòng)數(shù)據(jù)寫入到鋸切模塊的PLC 中的VD206、VD236 中,當(dāng)I0.3=1時(shí),表明當(dāng)前設(shè)備上有毛邊鋸切,則上位機(jī)系統(tǒng)會(huì)等待I0.3=0,即設(shè)備鋸材鋸切完后,再將檢測(cè)的鋸片移動(dòng)數(shù)據(jù)寫入鋸片模塊中的VD206、VD236 中。在毛邊鋸切系統(tǒng)中,程序中VD12與VD206 數(shù)值相等則表明鋸片1 運(yùn)動(dòng)到位,VD20與VD236 數(shù)值相等則表明鋸片2 運(yùn)動(dòng)到位。移動(dòng)多片鋸鋸切模塊的程序流程如圖3b所示。
3)成品分揀模塊程序。分揀模塊在毛邊鋸切模塊之后,將毛邊鋸切后的方形木條與毛邊鋸材分開。主要是控制兩個(gè)分揀叉架上的絲杠滑塊步進(jìn)電機(jī)的位置移動(dòng),使在傳送帶的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)將方形木條輸送到筒式傳送帶上,毛邊鋸材落入木條回收框。兩個(gè)分揀叉架步進(jìn)電機(jī)的位置移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制原理跟鋸片移動(dòng)的原理相似,不同的是圖像檢測(cè)出的叉架位置移動(dòng)數(shù)據(jù)跟鋸片移動(dòng)數(shù)據(jù)不一樣。成品分揀模塊的程序流程圖如圖3c所示。
圖3 系統(tǒng)程序流程Fig.3 Flowchart of master program
利用Microsoft Access 軟件建立一個(gè)名為“毛邊數(shù)據(jù)庫(kù)”的數(shù)據(jù)庫(kù),并在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立4個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表,分別為登入用戶密碼數(shù)據(jù)庫(kù)、圖像處理數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)和參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)[12],實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)于設(shè)備的高效管理。1)用戶密碼數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)毛邊鋸材上位控制平臺(tái)系統(tǒng)登入用戶的賬號(hào)名稱、密碼、權(quán)限、最后登入的時(shí)間和登入次數(shù)。方便對(duì)毛邊鋸材智能加工裝備控制系統(tǒng)的操作人員進(jìn)行管理以及記錄操作人員對(duì)系統(tǒng)操作情況。2)圖像處理數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)毛邊圖像處理的結(jié)果數(shù)據(jù),主要包括毛邊的有效寬度、角度、邊界點(diǎn)坐標(biāo)、下鋸方案、超標(biāo)否、毛邊設(shè)備托架、鋸片、叉架電機(jī)的位移情況和每塊毛邊的處理情況。3)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。通過該數(shù)據(jù)庫(kù)表用戶可以方便查看設(shè)備運(yùn)行的歷史情況,對(duì)于出現(xiàn)故障情況下,用戶可以知道故障發(fā)生時(shí)刻和故障位置。4)設(shè)備參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)。用于記錄系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置,其主要為毛邊鋸材裝備各個(gè)步進(jìn)電機(jī)、傳送帶電機(jī)的速度設(shè)置。該數(shù)據(jù)庫(kù)的主要功能是將系統(tǒng)的每次運(yùn)行做一次參數(shù)記錄,方便管理者查看用戶操作是否得當(dāng)。利用LabSQL 工具包對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接、添加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄和查詢數(shù)據(jù)記錄等操作。
利用LabVIEW的多線程功能,在主程序中采用三個(gè)主While 循環(huán)分別執(zhí)行界面操作、圖像采集處理和PLC控制。界面的操作功能放在事件結(jié)構(gòu)中,通過用戶操作去響應(yīng)事件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)程序界面操作。系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)主要包括:參數(shù)設(shè)置界面、設(shè)備監(jiān)控界面、手動(dòng)操作界面和數(shù)據(jù)管理界面等。1)參數(shù)設(shè)置界面實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置,主要是對(duì)PLC的自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)運(yùn)行模式下毛邊鋸材位姿調(diào)整托架電機(jī)、鋸片移動(dòng)電機(jī)、分揀叉架電機(jī)以及傳送帶電機(jī)的速度設(shè)置等運(yùn)動(dòng)控制與管理上。2)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面主要是用來顯示設(shè)毛邊鋸材運(yùn)行時(shí)各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù),圖像處理等,如圖4所示。用戶通過圖像顯示窗口可以看到拍照區(qū)毛邊鋸材的實(shí)時(shí)圖像,在運(yùn)行提示窗口可以顯示用戶的一個(gè)操作信息。3)系統(tǒng)的手動(dòng)操作界面實(shí)現(xiàn)設(shè)備中毛邊鋸材調(diào)整托架、移動(dòng)鋸片、分揀叉架、傳送帶、氣缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的手動(dòng)操作。用戶通過此功能能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備的檢修。4)在數(shù)據(jù)管理界面中用戶通過查詢毛邊鋸材處理的ID 序號(hào),查看圖像處理結(jié)果數(shù)據(jù),對(duì)于毛邊鋸材的有效寬度以及角度會(huì)通過界面中的波形圖生成曲線關(guān)系圖。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)毛邊鋸材圖像檢測(cè)數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)的查詢與管理。
圖4 系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控主界面Fig.4 In terface of system real-time monitoring
為驗(yàn)證采用以太網(wǎng)通訊的分布式毛邊鋸材智能加工裝備控制系統(tǒng)的性能,需要驗(yàn)證PLC與PC能否進(jìn)行正常的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信、現(xiàn)場(chǎng)PLC控制系統(tǒng)是否可以完成毛邊鋸材加工的工藝要求、LabVIEW 上位機(jī)平臺(tái)能否集中控制三臺(tái)PLC 以及LabVIEW 對(duì)整套系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理、記錄情況。
首先,對(duì)于系統(tǒng)的通訊測(cè)試在外圍硬件正確連接下,在PC機(jī)搭建的OPC服務(wù)器中利用NI OPCServer 軟件,通過點(diǎn)擊Quick Client 便可以查看PC與PLC 通訊狀態(tài)。如果PLC與PC 通訊正常,在OPC服務(wù)器中綁定的PLC 變量會(huì)顯示“good”,如果PC與PLC通訊錯(cuò)誤則PLC變量會(huì)顯示“bad”。
接下來,打開LabVIEW 控制系統(tǒng)程序進(jìn)入密碼登入系統(tǒng)。在系統(tǒng)中輸入密碼后進(jìn)入控制主程序的參數(shù)設(shè)置界面中,當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入?yún)?shù)界面,如果界面中的通訊指示燈在閃爍則表明LabVIEW與PLC 通訊成功,選擇參數(shù)設(shè)置模式完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。此時(shí)點(diǎn)擊“監(jiān)控模式”進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行控制模式,先點(diǎn)擊“相機(jī)打開”啟動(dòng)圖像檢測(cè)系統(tǒng),再點(diǎn)擊“自動(dòng)運(yùn)行”LabVIEW 發(fā)送數(shù)據(jù)到PLC 中系統(tǒng)開始運(yùn)行,各步進(jìn)電機(jī)開始進(jìn)行初始化設(shè)置。初始完成后,在界面顯示托架與鋸片電機(jī)的初始位置信息,當(dāng)上料PLC 中的I0.3 產(chǎn)生上升沿相機(jī)拍照,LabVIEW 程序中模擬圖像檢測(cè)結(jié)果,并控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。
手動(dòng)運(yùn)行試驗(yàn)過程,通過點(diǎn)擊“手動(dòng)操作”進(jìn)入手動(dòng)運(yùn)行界面,在界面中點(diǎn)擊手動(dòng)“手動(dòng)運(yùn)行”此時(shí)自動(dòng)模式關(guān)閉手動(dòng)運(yùn)行開始,在界面中通過點(diǎn)擊相應(yīng)的布爾控制對(duì)PLC 中相應(yīng)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作。
最后對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理功能進(jìn)行測(cè)試,試驗(yàn)過程進(jìn)入數(shù)據(jù)管理界面。在圖像數(shù)據(jù)查詢界面中輸入查詢ID的上下值,點(diǎn)擊查詢,觀看之前圖像處理的模擬結(jié)果值。當(dāng)上料設(shè)備I0.3產(chǎn)生上升沿,圖像模擬程序產(chǎn)生一組數(shù)據(jù),系統(tǒng)便將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中,如圖5所示。
該控制系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果分析如下:
1)試驗(yàn)顯示采用的以太網(wǎng)通信方式在控制系統(tǒng)的上下位機(jī)通訊流暢,從而表明整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)PLC控制的可行性。
2)對(duì)于LabVIEW 控制平臺(tái)對(duì)下位機(jī)PLC的控制,通過試驗(yàn)測(cè)試表明LabVIEW 控制平臺(tái)不僅能穩(wěn)定的讀取PLC的運(yùn)行數(shù)據(jù),還能快速響應(yīng)對(duì)PLC 發(fā)送指令。
3)在數(shù)據(jù)管理方面,在LabVIEW 對(duì)下位機(jī)的控制過程中不僅可以實(shí)時(shí)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄,還可以利用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。
圖5 圖像處理數(shù)據(jù)查詢?cè)囼?yàn)測(cè)試Fig.5 Experimental test of image processing data query
在系統(tǒng)的通訊方式上,本研究通過搭建工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)、設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口方法,在保證系統(tǒng)通訊的穩(wěn)定性、運(yùn)行的快速性等前提下還能使系統(tǒng)通信有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。
在PLC控制系統(tǒng)方面,本研究設(shè)計(jì)了三臺(tái)PLC的分布式控制系統(tǒng)。以此驗(yàn)證利用工業(yè)以太網(wǎng)通信對(duì)多機(jī)聯(lián)動(dòng)控制的性能,為后續(xù)整體圓木裝置實(shí)現(xiàn)工業(yè)化控制打下基礎(chǔ)。
在LabVIEW 控制平臺(tái)方面,LabVIEW 作為整套控制系統(tǒng)的集控平臺(tái)將整套裝置的子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來。利用OPC方式實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的數(shù)據(jù)控制,通過LabSQL 創(chuàng)建系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理[13]。
整套控制系統(tǒng)還有以下一些不足之處:
1)在網(wǎng)絡(luò)通信方面,由于硬件條件的限制,將用于通信統(tǒng)一接口的OPC服務(wù)器搭建在LabVIEW 系統(tǒng)客戶端的主機(jī)上。在后續(xù)工業(yè)化應(yīng)用中可將工控機(jī)作為OPC服務(wù)器于收集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),LabVIEW 控制系統(tǒng)裝中央監(jiān)控室的主機(jī)端,OPC控制機(jī)端與中央監(jiān)控的主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,以實(shí)現(xiàn)整套控制系統(tǒng)在企業(yè)內(nèi)部的聯(lián)網(wǎng)控制。
2)在PLC控制系統(tǒng)方面,主要研究利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)LabVIEW與PLC的聯(lián)合控制。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制采用開環(huán)控制,運(yùn)動(dòng)精度上必然會(huì)有些不足,在后續(xù)中可以將開環(huán)運(yùn)動(dòng)改為閉環(huán)控制以提高控制運(yùn)動(dòng)的精度。
3)在LabVIEW 控制系統(tǒng)方面,還可以根據(jù)實(shí)際情況添加操作界面的控制,使整個(gè)操作界面適應(yīng)實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)。在界面功能上可以將三維設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)圖與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相結(jié)合,在設(shè)備運(yùn)行時(shí)利用客戶端界面三維運(yùn)行動(dòng)畫顯示,可以更直觀地顯示設(shè)備的運(yùn)行狀況,進(jìn)而更直觀地實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。