摘"要：在市政排水管道工程施工中，施工人員下井進(jìn)行氣囊封堵是管道封堵最常用的方式之一。針對目前井下人工封堵氣囊時(shí)管理難度大、效率低下等問題，設(shè)計(jì)一種基于倍福嵌入式PLC的氣囊封堵控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)以倍福C6015為核心，將步科SZ7GE作為人機(jī)界面，通過多種傳感器融合技術(shù)判定井口位置信息，研究用機(jī)器設(shè)備代替人工下井封堵氣囊的可能性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：工作人員能夠直接通過人機(jī)界面操作封堵氣囊，無需人工下井，提高了自動化程度。

關(guān)鍵詞：人工下井；倍福嵌入式PLC；封堵氣囊；人機(jī)界面；多種傳感器融合技術(shù)

中圖分類號：TP273""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B""文章編號：1671-5276（2024）02-0266-05

Design of Air Bag Sealing Control System Based on

Beckoff Embedded PLC

CHEN Siwen， SUN Qiang

（Hefei Hagong Zhiling Intelligent Technology Co.， Ltd .， Hefei 230051，China）

Abstract：In the construction of city drainage pipeline engineering， frogmen descending the well to block air bag is one of the most common jobs in pipeline sealing. To overcome the difficulty in management and improve the low efficiency of air bag blocking， an air-bag plugging control system based on Beckoff embedded PLC is designed. With the very system， Beckoff C6015 is taken as the core and Kinco SZ7GE is applied as the human-machine interface to determine well entrance positions by ingretated technology of multi-sensors， and the probability of machine replacing manual air-bag blocking is studied. Experiment results show that staff can directly plug the air bag through the human-machine interface without manual downhole， which upgrades automation level.

Keywords：frogman goes down well；beckoff embedded PLC；block air bag；interface；ingretated technology of multi-sensors

0"引言

在市政工程中，尤其是在污水管道的施工中，經(jīng)常需要將污水管道進(jìn)行局部封堵，并把污水管道中的水抽出，以利施工人員進(jìn)入污水管道中作業(yè)。傳統(tǒng)的污水管封堵方法是采用封堵氣囊堵水。

封堵氣囊堵水的工作原理就是利用優(yōu)質(zhì)橡膠做成的管道封堵氣囊，通過充氣方法使其膨脹，當(dāng)堵水氣囊內(nèi)的氣體壓力達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，堵水氣囊填滿整個(gè)管道斷面，利用管道封堵氣囊壁與管道產(chǎn)生的摩擦力堵住漏水，從而達(dá)到目標(biāo)管段無滲水的目的。

在現(xiàn)有技術(shù)中，該氣囊必須由施工人員（俗稱蛙人）下井封堵，當(dāng)井水水位較高時(shí)，因壓力過大封堵比較困難，并且井內(nèi)存在氯化氫等有毒氣體，全國每年都發(fā)生若干起傷亡事故。

為此，本文設(shè)計(jì)一種基于倍福嵌入式PLC的氣囊封堵控制系統(tǒng)，包括井上控制系統(tǒng)和井下執(zhí)行機(jī)構(gòu)，井上控制系統(tǒng)和井下執(zhí)行機(jī)構(gòu)分開設(shè)計(jì)，抗干擾、防震、防水效果更好。對機(jī)器人進(jìn)行控制的內(nèi)容包括機(jī)器人升降伺服控制、擺臂伺服控制、行走伺服控制、推桿伺服控制等，直到將氣囊推到橫井里。本系統(tǒng)自動化程度高，只需要人在井上進(jìn)行觸摸按鍵操作即可，無需下井，有效避免事故的發(fā)生。

1"系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì)

1.1"系統(tǒng)概述

氣囊封堵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括井上控制系統(tǒng)和井下執(zhí)行機(jī)構(gòu)。井上控制系統(tǒng)主要包括卷盤滾筒、排線絲桿、便攜式移動電源、控制箱、井上起吊伺服、可調(diào)節(jié)滑桿等?？刂葡鋬?nèi)含有倍福嵌入式PLC、漏電保護(hù)器、浪涌保護(hù)器、接觸器、空氣開關(guān)、電源轉(zhuǎn)換模塊、按鈕指示燈等［1］。井下執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括行走伺服、擺臂伺服、推桿伺服、渾水相機(jī)、姿態(tài)傳感器、避障傳感器、電推桿、電磁鐵等，如圖1和圖2所示。

1.2"控制流程構(gòu)想

整個(gè)控制流程構(gòu)想如圖3所示。姿態(tài)傳感器位于圖3的B1位置，實(shí)時(shí)檢測機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)角度θ，避障測距傳感器3組分別安裝在圖3的A1、C1、D1位置，渾水相機(jī)和聲納裝在圖3的E1位置。

氣囊封堵機(jī)器人本體通過井上伺服控制往豎井里下落，避障測距傳感器A1/C1實(shí)時(shí)監(jiān)測到管壁的距離，通過井上滑桿控制兩邊的距離A1A2=C1C2；避障測距傳感器D1實(shí)時(shí)檢測到豎井底部的距離，D2D3=100mm。已知D1D2=600mm，避障測距傳感器D1實(shí)時(shí)數(shù)值S0=D1D2+D2D3，即一旦S0=700mm，氣囊封堵機(jī)器人停止下降；通過井上伺服控制機(jī)器人旋轉(zhuǎn)，直到橫井上邊沿F1點(diǎn)與相機(jī)E1中心點(diǎn)在一條直線上，停止旋轉(zhuǎn)。繼續(xù)通過井上伺服控制機(jī)器人下降，直到機(jī)器人底部到井底的距離M6=50mm，即M3M4=50mm。已知M1M4和M1M7之間的夾角為實(shí)時(shí)檢測機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)角度θ，避障測距傳感器D1實(shí)時(shí)數(shù)S0=M1M2+M2M3+M3M4，推導(dǎo)出S0-M1M2-M2M3=50mm，已知M1M2=M1M7· cosθ=600· cosθ，已知M2M3=M5M6=M6M7·sinθ=180· sinθ，推導(dǎo)出當(dāng)S0=600· cosθ+180· sinθ+50時(shí)，機(jī)器人停止下降。重復(fù)上述步驟，直到θ=90°，機(jī)器人下降和旋轉(zhuǎn)結(jié)束。

擺臂伺服撐起機(jī)器人本體，行走伺服用于機(jī)器人本體移動前進(jìn)，電推桿開始一級推出，推桿伺服進(jìn)行二級推出，直至氣囊推送到指定位置；推桿伺服回到原點(diǎn)，擺臂伺服收回到原點(diǎn)，井上伺服控制機(jī)器人本體上升直到井上，封堵結(jié)束。

2"硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1"控制器及電機(jī)選型

本控制系統(tǒng)采用嵌入式PLC為核心控制器，通過Ethercat通信控制伺服，相比傳統(tǒng)的PLC，實(shí)時(shí)性更好、通信時(shí)間減小、安全性更高［2］。所采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為直流一體化伺服電機(jī)，相比傳統(tǒng)電機(jī)而言，其性能高、響應(yīng)快、節(jié)約空間、減小布線和安全性高。

2.2"控制電路

控制系統(tǒng)的電路主要分為主電路和控制電路，主電源采用便攜式移動電源提供的220V交流電，通過開關(guān)電源分別轉(zhuǎn)換為主要給伺服電機(jī)供電的DC48V，主要給嵌入式PLC及模塊等供電的DC24V，控制電路是交流接觸器配合啟停按鈕實(shí)現(xiàn)的［3］?？刂齐娐啡鐖D4所示。

2.3"PLC的外圍接線

考慮到控制系統(tǒng)的控制情況，需要將輸入、輸出點(diǎn)和PLC的外部接線相連接，包括按鈕開關(guān)、指示燈、限位開關(guān)、電推桿、電磁鐵［4］，如圖5所示。

3"軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)的軟件和程序設(shè)計(jì)采用Twincat3軟件。Twincat3是Beckhoff公司的運(yùn)動控制軟件，基于Windows操作系統(tǒng)?；赪indows控制和自動化技術(shù)Twincat（the windows control and automation technology）自動化軟件是控制系統(tǒng)的核心部分，相比傳統(tǒng)的PLC軟件，此系統(tǒng)開放性更強(qiáng)，與上位機(jī)兼容性更高，實(shí)時(shí)性更快。

3.1"程序流程圖

根據(jù)控制要求，通過Twincat3軟件對氣囊封堵控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)的程序流程圖如圖6所示。

3.2"輸入輸出地址分配

該系統(tǒng)的輸入點(diǎn)分配地址：I0.1接電源控制箱SB1停止按鈕，I0.2接手持觸摸屏SB2自動按鈕，I0.3接手持觸摸屏SB3遠(yuǎn)程按鈕，I0.4接手持觸摸屏SB4復(fù)位按鈕，I0.5接手持觸摸屏SB5急停按鈕，I0.9接電推桿的前限位開關(guān)，I0.10接電推桿的后限位開關(guān)。

該系統(tǒng)的輸出點(diǎn)分配地址：Q0.1接蜂鳴器，Q0.9接電推桿推繼電器線圈KA1-14，Q0.10接電推桿收繼電器線圈KA2-14，Q0.11接電磁鐵繼電器線圈KA3-14。

3.3"程序設(shè)計(jì)

倍福嵌入式PLC 編程語言主要有梯形圖語言（LD）、結(jié)構(gòu)化語言 （ST）、順序功能圖 （SFC）、高級語言等；本方案主要采用Twincat3軟件進(jìn)行ST語言設(shè)計(jì)程序，是基于ST語言對于多伺服總線控制功能塊調(diào)用及浮點(diǎn)數(shù)處理較為方便的考慮。程序設(shè)計(jì)如圖7所示。

3.4"人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

上電初始化完成后，設(shè)備進(jìn)入單軸調(diào)試狀態(tài)，使能狀態(tài)全部亮紅燈。此時(shí)可以進(jìn)行單軸控制，設(shè)定速度和位置可以對單軸進(jìn)行操控；檢查設(shè)備沒有異常報(bào)警時(shí)，可以撥示教器的旋鈕開關(guān)進(jìn)入設(shè)備運(yùn)行模式，此時(shí)起吊左右伺服、行走左右伺服、擺臂左右伺服進(jìn)入耦合狀態(tài)，可以在對應(yīng)界面進(jìn)行前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎的操作，同時(shí)通過姿態(tài)等傳感器信息判斷位置，把設(shè)備從井上順利送入井口位置；然后撥示教器的旋鈕開關(guān)進(jìn)入全自動運(yùn)行模式，程序自動控制電磁鐵、推桿伺服、電推桿進(jìn)行二次推送把氣囊送到指定位置后回來；最后撥示教器的旋鈕開關(guān)進(jìn)入設(shè)備運(yùn)行模式把設(shè)備再從井下吊上井口完成整個(gè)氣囊封堵過程。人機(jī)交互界面如圖8所示。

4"驗(yàn)證結(jié)果

4.1"驗(yàn)證方案

為了驗(yàn)證控制流程構(gòu)想和設(shè)備操作的可行性，現(xiàn)將氣囊封堵設(shè)備應(yīng)用于實(shí)際的管道井口測試，實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖9所示。

4.2"驗(yàn)證過程

操作人員通過人機(jī)交互界面，首先把氣囊封堵設(shè)備垂直于井口吊起，再通過多種傳感器融合技術(shù)（姿態(tài)、避障、渾水相機(jī)等）對井下水平井口位置進(jìn)行判定，按照控制流程步驟最終把設(shè)備送到井口位置，最后通過設(shè)備機(jī)構(gòu)把氣囊推到井口位置，機(jī)構(gòu)再按原路徑返回。

4.3"結(jié)果分析

操作人員通過人機(jī)交互界面總共進(jìn)行10次操作，操作時(shí)間如表1所示。

為了便于計(jì)算，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取整處理，去掉最高和最低值，平均時(shí)間為13min，即本氣囊封堵設(shè)備可以代替人工下井，封堵時(shí)間為13min左右，大約等于人工封堵的時(shí)間，由此驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠有效地解決人工下井封堵氣囊的困境。

5"結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一套氣囊封堵機(jī)器人系統(tǒng)，完全代替人工下井進(jìn)行封堵，具有顛覆性的意義。其自動化程度高，減少惡劣的工作環(huán)境造成的安全事故。該系統(tǒng)具有技術(shù)成熟、價(jià)格低廉、功能齊全等特點(diǎn)，并且操作界面交互性強(qiáng)，簡單明了，解決了人工下井封堵氣囊的困境。該設(shè)計(jì)改變了我國管道封堵人工必須下井的現(xiàn)狀，具有廣泛的社會價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 尹澤遠(yuǎn)，雷澤勇，雷潔珩，等. 基于PLC的地浸機(jī)械式管道清洗裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］. 機(jī)械研究與應(yīng)用，2020，33（6）：153-156，160.

［2］ 胡云成，唐磊，何祥，等. 基于倍福PLC的779型條盒包裝機(jī)煙包制動系統(tǒng)的改造［J］. 包裝工程，2021，42（11）：227-232.

［3］ 鄒鑫，何文雪，牛杰. 基于SIMATIC S7-1500PLC的電梯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 機(jī)械制造與自動化，2022，51（2）：216-219.

［4］ 于麗麗，雷聲媛. 基于PLC控制的紅棗無損自動分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 機(jī)械制造與自動化，2021，50（5）：215-218.

收稿日期：20220927