毛边锯材智能加工装备控制系统设计与试验

李海芸，林南靖，董楸煌，邱荣斌，叶大鹏

（福建农林大学 a.机电工程学院；b.现代农业装备福建省高校工程研究中心，福建 福州 350002）

我国是全球最大的木材产品加工国。然而在木材机械加工方面，我国大多数的木材加工设备还处于工业2.0（电气化）状态，木材加工率低下，且属于劳动密集型产业人力成本大，木材加工的利润低下。加大木工机械的科技力度，以“机器生产”代替人工生产，通过提高木材加工效率提升木材产品利润，特别是高科技木工机械是目前木工机械行业的发展趋势[1]。随着“工业4.0”时代到来，制材设备也将朝着智能化发展，使我国制材设备在制材的生产中，减少人工成本的情况下，木材的出材、利用率及木材质量得到显著的提升[2]。

在国外，对于锯材装备智能制造的研究比国内要早且成果也较为丰富。如德国威力木工集团研制了一种实木板材优化的下落生产线及其全套装备，改进生产线在锯材缺陷与尺寸的自动识别、横向优化截断、纵向优化截边和锯材实施及自动上下料的全程自动化。目前德国伊玛、豪迈、威力，意大利比亚斯为首国际大型木工装备集团已将数控技术和机器视觉技术普遍运用于木工机械，他们几乎垄断了全球木工装备的中高端市场[3]。国内制材设备技术相对落后，设备自动化水平低下，对于锯材的检测采用人工检测木材的利用率低，对于自动化和智能化的木工设备主要依靠进口[4]。

本研究设计的毛边锯材智能加工装备控制系统采用工业以太网作为毛边锯材控制系统的网络传输平台，利用OPC作为统一标准通信接口能有效的解决系统数据异构的问题[5-7]，利用LabVIEW实现多台毛边锯材加工子设备间的数据集成。为今后圆木加工流水线控制系统的衔接提供借鉴。

1 系统自动化控制方案

1.1 毛边锯材智能加工装备结构及工作原理

整套毛边锯材流水线装备的总体机械结构如图1所示，主要包括三个模块：锯材上料模块、移动多片锯锯切模块和成品分拣模块。能够完成对毛边锯材的图像拍摄及图像处理，使其自动完成对毛边锯材的位姿调整、不同尺寸锯材的锯切和成品分拣的功能。

毛边锯材通过间歇进给输送到上料模块，当传感器检测锯材运动到气缸挡板位置时，2个起升气缸将锯材提升离开传送带并通过相机传感器触发相机拍照进行图像采集，图像装置将毛边锯材照片传送至PC机上进行图像处理，获取毛边的有效宽度、位姿状态，再通过丝杠滑块机构将毛边锯材调整到指定位置，气缸回收重新将锯材送到传送带上使锯材输送到移动多片锯锯切模块上加工。移动多片锯锯切模块根据毛边锯材图像处理的结果将自动调整圆锯片的间距等待毛边锯材的锯切；当传感器检测到当前有毛边锯材在锯切并且上料区有图像处理完成的锯材，则系统会等当前毛边锯材锯切完毕之后再对圆锯片进行调整。成品分拣模块将加工完成的毛边锯材和方形锯材分离，其中毛边锯材由于无支撑落入毛边锯材回收框；当传感器检测到当前分拣托架上有木板且前面设备已有加工完成的锯材时，则系统会等待当前锯材分拣完毕后再将托架运动到指定位置。

图1 毛边锯材锯切装备整体结构Fig.1 Assembly diagram of intelligent processing equipment for burr sawn timber

1.2 控制系统方案

控制系统采用分布式控制原理。将毛边锯材智能加工装备分为毛边锯材上料控制系统、毛边锯切控制系统及成品分拣系统三个现场控制子系统设计。并以物联网技术为支撑，以PC机作为集中控制平台设计毛边锯材智能加工装备控制系统，实现对毛边锯材装备的离散控制、集中管理、稳定传输和智能处理，达到毛边锯材智能加工装备的自动化、网络化、科学化和智能化的生产目标[8]。该系统采用物联网体系架构，总体结构采用现场控制层、网络传输层和集中管理层三个层次框架设计，如图2所示。系统在硬件结构上主要由执行机构、传感器、工业相机、现场控制器、现场通讯器、网络交换器、集控计算机组成。毛边锯材的三个子装备各采用一套现场控制系统，各个现场控制系统通过以太网连接到局域网和集中管理系统组成分布式控制结构。

图2 网络通信控制系统的总体结构框架Fig.2 Overall structure diagram of network communication control system

2 控制系统设计

2.1 控制系统硬件设计

系统硬件采用三台西门子S7-200 系列的224XP的PLC 作为控制器，控制相对应的电机、气缸、接触器、变频器等。PLC 系统的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

2.2 控制系统软件设计

控制系统的控制程序采用模块化设计方案，根据不同的功能模块设计相应的程序[11]，功能如下：

1）毛边锯材上料模块程序。毛边锯材上料模块是整套毛边锯材加工设备的起始模块，主要用于毛边锯材的上料、毛边拍照处理以及毛边锯材的位姿调整。在该模块中，毛边锯材调整的托架1、2是由2个步进电机带动丝杠滑块控制的，对于步进电机的控制采用绝对运动控制，以此在设备运行之前需要对托架1、2步进电机进行位置初始化。该模块中用于位姿调整的数据通过图像处理经上位机控制平台传送到上料PLC 中。当PLC中的VD15与VD35 中的数值发生变化时，托架1、2步进电机分别带动滑块运动到相应的位置。程序流程如图3a所示。

2）移动多片锯锯切模块程序。动态多片锯模块直接与毛边锯材上料模块对接，其主要实现毛边锯材的锯切加工。经过上料模块的图像拍照，上位机系统通过毛边图像检测处理，得出移动多片锯锯切模块中移动锯片1、2 需要移动的位置数据，并存储在FIFO 队列中，通过判断I0.3=0？，当I0.3=0时，表明当前无毛边锯切，则上位机系统会将图像检测锯片移动数据写入到锯切模块的PLC 中的VD206、VD236 中，当I0.3=1时，表明当前设备上有毛边锯切，则上位机系统会等待I0.3=0，即设备锯材锯切完后，再将检测的锯片移动数据写入锯片模块中的VD206、VD236 中。在毛边锯切系统中，程序中VD12与VD206 数值相等则表明锯片1 运动到位，VD20与VD236 数值相等则表明锯片2 运动到位。移动多片锯锯切模块的程序流程如图3b所示。

3）成品分拣模块程序。分拣模块在毛边锯切模块之后，将毛边锯切后的方形木条与毛边锯材分开。主要是控制两个分拣叉架上的丝杠滑块步进电机的位置移动，使在传送带的带动下实现将方形木条输送到筒式传送带上，毛边锯材落入木条回收框。两个分拣叉架步进电机的位置移动的运动控制原理跟锯片移动的原理相似，不同的是图像检测出的叉架位置移动数据跟锯片移动数据不一样。成品分拣模块的程序流程图如图3c所示。

图3 系统程序流程Fig.3 Flowchart of master program

2.3 系统数据库设计

利用Microsoft Access 软件建立一个名为“毛边数据库”的数据库，并在数据库中建立4个数据库表，分别为登入用户密码数据库、图像处理数据库、设备运行状态数据库和参数设置数据库[12],实现用户对于设备的高效管理。1）用户密码数据库。该数据库存储毛边锯材上位控制平台系统登入用户的账号名称、密码、权限、最后登入的时间和登入次数。方便对毛边锯材智能加工装备控制系统的操作人员进行管理以及记录操作人员对系统操作情况。2）图像处理数据库。该数据库存储毛边图像处理的结果数据，主要包括毛边的有效宽度、角度、边界点坐标、下锯方案、超标否、毛边设备托架、锯片、叉架电机的位移情况和每块毛边的处理情况。3）设备运行状态数据库。通过该数据库表用户可以方便查看设备运行的历史情况，对于出现故障情况下，用户可以知道故障发生时刻和故障位置。4）设备参数设置数据库。用于记录系统的参数设置，其主要为毛边锯材装备各个步进电机、传送带电机的速度设置。该数据库的主要功能是将系统的每次运行做一次参数记录，方便管理者查看用户操作是否得当。利用LabSQL 工具包对数据库进行连接、添加数据存储记录和查询数据记录等操作。

2.4 LabVIEW 上位机控制系统

利用LabVIEW的多线程功能，在主程序中采用三个主While 循环分别执行界面操作、图像采集处理和PLC控制。界面的操作功能放在事件结构中，通过用户操作去响应事件结构实现程序界面操作。系统界面设计主要包括：参数设置界面、设备监控界面、手动操作界面和数据管理界面等。1）参数设置界面实现对控制系统的参数设置，主要是对PLC的自动运行和手动运行模式下毛边锯材位姿调整托架电机、锯片移动电机、分拣叉架电机以及传送带电机的速度设置等运动控制与管理上。2）实时监控界面主要是用来显示设毛边锯材运行时各设备的运行参数，图像处理等,如图4所示。用户通过图像显示窗口可以看到拍照区毛边锯材的实时图像，在运行提示窗口可以显示用户的一个操作信息。3）系统的手动操作界面实现设备中毛边锯材调整托架、移动锯片、分拣叉架、传送带、气缸等执行机构的手动操作。用户通过此功能能够实现对设备的检修。4）在数据管理界面中用户通过查询毛边锯材处理的ID 序号，查看图像处理结果数据，对于毛边锯材的有效宽度以及角度会通过界面中的波形图生成曲线关系图。主要实现对毛边锯材图像检测数据及设备运行状态历史数据的查询与管理。

图4 系统实时监控主界面Fig.4 In terface of system real-time monitoring

3 试验与分析

为验证采用以太网通讯的分布式毛边锯材智能加工装备控制系统的性能，需要验证PLC与PC能否进行正常的以太网网络通信、现场PLC控制系统是否可以完成毛边锯材加工的工艺要求、LabVIEW 上位机平台能否集中控制三台PLC 以及LabVIEW 对整套系统的数据管理、记录情况。

首先，对于系统的通讯测试在外围硬件正确连接下，在PC机搭建的OPC服务器中利用NI OPCServer 软件，通过点击Quick Client 便可以查看PC与PLC 通讯状态。如果PLC与PC 通讯正常，在OPC服务器中绑定的PLC 变量会显示“good”，如果PC与PLC通讯错误则PLC变量会显示“bad”。

接下来，打开LabVIEW 控制系统程序进入密码登入系统。在系统中输入密码后进入控制主程序的参数设置界面中，当系统进入参数界面，如果界面中的通讯指示灯在闪烁则表明LabVIEW与PLC 通讯成功，选择参数设置模式完成系统参数设置。此时点击“监控模式”进入自动运行控制模式，先点击“相机打开”启动图像检测系统，再点击“自动运行”LabVIEW 发送数据到PLC 中系统开始运行，各步进电机开始进行初始化设置。初始完成后，在界面显示托架与锯片电机的初始位置信息，当上料PLC 中的I0.3 产生上升沿相机拍照，LabVIEW 程序中模拟图像检测结果，并控制步进电机运动。

手动运行试验过程，通过点击“手动操作”进入手动运行界面，在界面中点击手动“手动运行”此时自动模式关闭手动运行开始，在界面中通过点击相应的布尔控制对PLC 中相应的机构进行操作。

最后对系统数据库的管理功能进行测试，试验过程进入数据管理界面。在图像数据查询界面中输入查询ID的上下值，点击查询，观看之前图像处理的模拟结果值。当上料设备I0.3产生上升沿，图像模拟程序产生一组数据，系统便将数据存入数据库中，如图5所示。

该控制系统的试验结果分析如下：

1）试验显示采用的以太网通信方式在控制系统的上下位机通讯流畅，从而表明整个系统实现多台PLC控制的可行性。

2）对于LabVIEW 控制平台对下位机PLC的控制，通过试验测试表明LabVIEW 控制平台不仅能稳定的读取PLC的运行数据，还能快速响应对PLC 发送指令。

3）在数据管理方面，在LabVIEW 对下位机的控制过程中不仅可以实时对系统数据进行记录，还可以利用数据库对数据进行查看。

图5 图像处理数据查询试验测试Fig.5 Experimental test of image processing data query

4 结论与讨论

在系统的通讯方式上，本研究通过搭建工业以太网络硬件平台、设计统一标准的OPC接口方法，在保证系统通讯的稳定性、运行的快速性等前提下还能使系统通信有较强的适应能力。

在PLC控制系统方面，本研究设计了三台PLC的分布式控制系统。以此验证利用工业以太网通信对多机联动控制的性能，为后续整体圆木装置实现工业化控制打下基础。

在LabVIEW 控制平台方面，LabVIEW 作为整套控制系统的集控平台将整套装置的子系统有机结合起来。利用OPC方式实现对下位机的数据控制，通过LabSQL 创建系统数据库以实现对系统的数据管理[13]。

整套控制系统还有以下一些不足之处：

1）在网络通信方面，由于硬件条件的限制，将用于通信统一接口的OPC服务器搭建在LabVIEW 系统客户端的主机上。在后续工业化应用中可将工控机作为OPC服务器于收集现场数据，LabVIEW 控制系统装中央监控室的主机端，OPC控制机端与中央监控的主机通过网络进行数据传送，以实现整套控制系统在企业内部的联网控制。

2）在PLC控制系统方面，主要研究利用以太网实现LabVIEW与PLC的联合控制。步进电机的运动控制采用开环控制，运动精度上必然会有些不足，在后续中可以将开环运动改为闭环控制以提高控制运动的精度。

3）在LabVIEW 控制系统方面，还可以根据实际情况添加操作界面的控制，使整个操作界面适应实际的工业生产。在界面功能上可以将三维设备的运行状态图与现场设备相结合，在设备运行时利用客户端界面三维运行动画显示，可以更直观地显示设备的运行状况，进而更直观地实现对设备的远程控制。