硬件中断功能在钢管桩防腐修复设备中的应用

马振江，杨三元，舒方法，杨安韬

（中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

钢管桩二次防腐修复设备是我院针对码头钢管桩潮差区二次防腐维护问题自主研发的一种新型码头钢管桩防腐修复设备（见图1），该设备采用干式施工方法，能够自航到钢桩位置完成抱桩动作，并完成对钢桩的清洗、表面处理和涂层喷涂等工作。

图1 钢管桩二次防腐修复设备Fig.1 The tw ice anti-corrosion repair equipment for steelpipe pile

钢管桩二次防腐修复设备采用干式施工喷涂重防腐涂层的方法，用一个上下部均密闭的圆筒状防腐作业设备主体将钢桩围闭起来，并将其固定于桩身，然后用潜水泵将海水排净，在防腐作业设备主体内通风，形成干式环境，接着除去钢桩上的附着海生物、锈蚀和旧涂层，进而喷涂一层重防腐涂层，最后脱桩并转至下一根需要维护的钢桩，其工艺流程为：抱桩→排水→表面处理→表面风干→喷涂底漆→风干至指干→喷涂面漆→风干至指干→脱桩。

1 内部行走机构

作业井内部行走机构要完成整根钢管桩的防腐修复，首先要实现圆周的旋转，完成同一层面钢管桩的360°扫描，其次要实现垂向行走动作，完成1根管桩的所有层面的防腐修复作业，在整个控制系统中，圆周扫描机构和上下行走机构的控制是其中的一个重点，在表面处理过程控制和油漆喷涂过程控制中，其核心就是控制圆周扫描机构和上行行走机构的动作。内部行走机构的结构如图2所示。

图2 内部行走机构Fig.2 The inner walkingmechanism

在表面处理过程和油漆喷涂过程中控制圆周扫描机构和上行行走机构的动作逻辑基本类似，但运动速度不同，动作开始的起始位置不同。下面以油漆喷涂过程为例说明内部行走机构的工艺流程。

待高压无气喷涂设备的工作压力稳定后开启喷涂设备，垂直行走机构行走至稀释剂回收位置，开启喷枪将油漆填充至管路；填充完毕后关闭喷枪，行走机构自动上行至上限位，然后下行12.5 cm（1/2喷枪幅宽），右侧喷头组跟随圆周扫描行走机构由90°运动到0°，即空行程；然后开启喷枪，右侧喷头组跟随圆周扫描行走机构由0°运动到180°，同时左侧喷头组跟随圆周扫描行走机构由180°运动到360°，即完成了该高度段内钢桩整个圆周表面的油漆喷涂工艺；关闭喷枪，垂直行走机构带动圆周扫描行走机构向下行25 cm（喷枪幅宽），开启喷枪，此时圆周扫描行走机构反向旋转，右侧喷头组跟随圆周扫描行走机构由180°运动到0°，同时左侧喷头组跟随圆周扫描行走机构由360°运动到180°，即完成了该高度段内钢桩整个圆周表面的油漆喷涂工艺；按照该运动方式循环，直至钢桩整个维护段全部完成油漆喷涂[1-3]。

2 高速计数器模块测量及硬件中断功能设计

2.1 高速计数器模块设计

在水下钢桩防腐项目中，对上下行走机构和圆周扫描机构的控制是非常重要的，由于在表面处理和油漆喷涂过程中会产生大量的气雾，所以摄像头无法打开，为了让操作人员在母船上能够观察到防腐作业设备内部行走机构的状态，分别在圆周扫描机构和上下行走机构上安装编码器来采集行走机构的运动信息，用安装在分布式I/O模块上的高速计数器FM350-1模块记录编码器信息，然后通过PROFIBUS-DP网络传输到CPU上。在CPU内通过具体的控制算法完成对行走机构的控制并实时把行走机构的位置信息通过MPI网络传输给上位机，在上位机组态主界面上显示出来。

2.2 高速计数器硬件组态

在西门子编程软件SIMATICManager打开硬件配置Hardware双击选择FM350-1模块，在弹出的窗口内设置编码器的电压、分辨率、计数方向、软件门等参数；并设定测量方式，测量方式分为单次计数（single counting）、频率测量（frequency measurement）、转速测量（RPM measurement）、持续周期测量（continuous periodic measurement），这里选择单次计数；计数方向为双向计数，计数范围为-31～+31 Bits；并为FM350-1模块指定1个应用程序数据块；设定完毕后下载到PLC中。

2.3 高速计数器软件设计

根据工艺要求编制高速计数器数据采集程序，如图3所示，DB10数据块是在硬件组态中为FM350-1模块指定的应用程序数据块，该数据块内存储了编码器的当前计数值、预设值、比较值等参数，“SW_GATE”为计数模块软件门，对软件门置1后模块开始计数，在程序中调用DB10.DBD34即可读出当前计数值；对“T_CMP_V1”和“T_CMP_V2”进行置位可以设定2个比较值，FM350-1模块对当前计数值和预设的比较值进行比较，计数器当前值向上或向下超过预设值时模块触发硬件中断，PLC根据当前计数值和当前的工况通过具体的控制算法进行对圆周和上下行走机构进行精确的控制[4]。

图3 高速计数器数据采集程序Fig.3 Data collection procedure ofhigh-speed counter

2.4 高速计数器硬件中断

根据工艺要求，圆周行走机构在表面处理和油漆喷涂工艺过程中需要使用不同的速度，高压水射流设备喷射出的高压水柱的宽度为25 mm，喷涂设备的喷枪喷出的油漆为扇形，幅宽25 cm，这样在表面处理和油漆喷涂工艺流程中，圆周行走机构下行和旋转所走的步长必须精准，如果实际步长超过设定步长，会造成部分钢桩没有被处理，如果实际步长小于设定步长，这样在喷涂过程中会引起油漆流挂的现象，影响二次防腐的效果。在油漆喷涂流程中，圆周行走机构运动的速度为400 mm/s，钢桩表面膜厚为100μm，为了提高圆周行走和上下行走机构的动作精度，本系统在编程中采用硬件中断的方式。

在圆周扫描机构和上下行走机构动作时，PLC发出命令到输出模块，输出模块控制继电器动作，其中PLC程序的扫描周期一般为几十到100多ms，继电器的动作周期为35 ms，液压系统从接到信号到液压马达停止动作还需要一定时间的延误，为了提高控制系统的响应，在程序中使用硬件中断的方式来处理，当编码器计数值到达预设值时，功能模块FM350-1模块产生中断信号触发硬件中断，CPU立即响应中断。CPU暂停正在执行的程序，调用中断源对应的中断程序，执行完中断程序后，返回被中断的程序断点处继续执行原来的程序，这样可以提高系统的反应速度，提高圆周扫描机构和上下行走机构的动作精度。

硬件中断组织块（OB40～OB47）用于快速响应信号模块（SM，即输入/输出模块）、通讯处理器（CP）和功能模块（FM）的信号变换，具有中断能力的信号模块将中断信号传送到CPU时，或者当功能模块产生一个中断信号时，将触发硬件中断。在硬件组态编辑器中，设置FM350模块中断类型为硬件中断，如图4所示，在弹出的快捷菜单中选择“Hardware”。

图4 设置硬件中断Fig.4 Setup the hardware interrupt

选择“Hardware”之后，模块参数分配窗口中的“Hardware Interrupt Enable”中的中断选项就可以选择了，见图5。

图5 硬件中断功能选择Fig.5 Select thehardware interrupt function

在硬件功能选择界面中勾选“Reaching comparison value 1 up”和 “Reaching comparison value 1 down”，这样在计数器值到达预设值1的时候就会触发硬件中断，然后在西门子编程软件SIMATICManager中调用OB40，由模块中断状态字“#OB40_POINT_ADDR”可得模块的中断状态，其类型为Dword，其中双字内各个位代表模块的中断状态可查图6。

其中对圆周行走编码器需设定2个方向的硬件中断，分别为左旋和右旋到设定位置，上下行走编码器设定一个方向的硬件中断，为下行到设定长度时触发中断，对于模块中断状态字“#OB40_POINT_ADDR”第四位为增计数方向时到达比较值1，第五位为减计数方向到达比较值1，在程序中提前设置好比较值的数值大小，当计数值到达预设的比较值后，触发硬件中断，CPU在执行完当前程序的当前指令（即断点处）后，立即响应中断。CPU暂停正在执行的程序，调用中断源对应的中断程序OB40，根据模块中断状态字“#OB40_POINT_ADDR”和触发中断模块起始字节地址“OB40_MDL_ADDR”判断出是哪一个计数器模块触发的何种中断，然后执行圆周行走机构反向和上下行走机构下行的程序，执行完中断程序后，返回被中断程序的断点处继续执行原程序，使系统响应更加迅速，提高了系统的控制精度。见图7。

图7 硬件中断功能编程Fig.7 Programm ing of the hardware interrupt function

3 结语

在钢管桩二次防腐修复设备中，内部行走机构的控制是控制系统的重点也是难点，精确的控制内部行走机构的运动路线和速度是保证钢管桩防腐蚀处理质量的关键。本系统中采用高速编码器作为反馈，采用硬件中断功能进行控制，提高了系统的响应速度和控制精度，满足了系统的使用要求。

[1] 栾桂涛，唐聪.牺牲阳极和包覆材料联合保护在友谊港的防腐应用[J].中国港湾建设，2012（2）：106-109.LUANGui-tao,TANGCong.Application ofanti-corrosion protection with sacrificial anodes combined with coating materials in Mauritania Friendship Port[J].China Harbour Engineering,2012(2)：106-109.

[2] 赵轶惠，梁庆华，王石刚，等.码头钢桩潮差区和浪溅区自动化防腐处理工艺与设备研究[J].机械科学与技术，2008，27（8）：1 077-1 080.ZHAOYi-hui,LIANGQing-hua,WANG Shi-gang,et al.An automated anti-corrosivemaintenance equipment for steel pipe piles in splash and tidalzone[J].Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering,2008,27(8)：1 077-1 080.

[3] 吴希革.杭州湾跨海大桥钢管桩的涂层防护[J].腐蚀与防护，2006，27（8）：424-425.WUXi-ge.Coating protection for steelpipe pilesofHangzhou Bay Bridge[J].Corrosion&Protection,2006,27(8)：424-425.

[4] 廖长初.S7-300/400PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2005：39，266.LIAOChang-chu.Application technology for S7-300/400PLC[M].Beijing：ChinaMachine Press,2005：39，266.