基于PLC和模糊控制算法的钢筋网焊接控制系统设计＊

姜哲，鲁守银，于世伟，张强，李志鹏

(1.山东建筑大学信息与电气工程学院，山东 济南 250000；2.山东建筑大学机器人技术与智能系统研究院)

0 引言

钢筋网的应用，对地下巷道、地上建筑起到了加固作用[1]，提高了抗震能力。同时，核试验过程中会产生大量的电磁脉冲，在混凝土层中添加钢筋网片则对电磁脉冲具有很强的屏蔽效能[2]。在焊接钢筋网施工过程中，发现人工焊接的钢筋网存在着夹渣、气孔、焊缝不饱满、凹坑等问题，严重影响工程质量[3]。

因此，许多研究人员进行了自动化设备的研发。如王希靖等设计了一种钢筋网抓取搬运机械手[4]，焦建等设计了一种钢筋网焊机自动生产线的控制系统[5]。这些研究成果中，研究重点大多放在局部的设备或控制上，尽管也有系统研制，但效率和钢筋网网距的控制精度上很难满足当前对钢筋网片的需求。为了提高控制精度和生产效率，我们研制了一种基于PLC、应用伺服电机的钢筋网焊接控制系统，可以实现生产流程的快速、精准的自动控制[6,7]。同时，待焊钢筋在制作、运输中难免会出现不同程度的形变，为了提高产品质量，需要根据不同形变进行待焊件与焊接装置的焊接距离的自动调节。我们应用模糊控制算法，基于焊接装置与待焊钢筋的接触压力，做到快速、高效地调整焊接距离，确保顺利完成钢筋网片的焊接工作。

1 系统的硬件组成

在钢筋网片的自动焊接工作中，钢筋网的经、纬状钢筋准确定位和有序的排列是钢筋网焊接工作中的难题。为了实现钢筋网经、纬状钢筋的自动排列，设计钢筋网焊接系统的硬件部分主要包括纬状钢筋送料装置、纬状钢筋传动装置、经状钢筋传动装置、电阻焊接装置。系统整体设计方案如图1所示。

图1 系统整体设计方案示意图

2 基于PLC的控制系统组成

钢筋网焊接控制系统总体控制框图如图2 所示，主要包括经状钢筋控制部分、纬状钢筋控制部分、焊接装置控制部分、信息采集部分。经状钢筋控制部分主要是基于PLC 对伺服控制器的编程控制，通过设置多条运行曲线的速度、距离、加减速的大小，以及运行曲线的有序控制，实现了传动单元的往复运动控制[8,9]。纬状钢筋控制部分主要是基于PLC 对伺服控制器的编程控制，通过设置相对位移运动的速度、位置等，实现了纬状钢筋控制中的旋转取料单元的运动控制。

图2 控制系统总体控制框图

3 PLC的控制系统设计

3.1 PLC的硬件设计

控制柜内主要包括PLC、触摸屏、伺服电机控制器和变频器。系统通过电源转换模块对PLC、触摸屏、伺服电机控制器和变频器进行供电。PLC、触摸屏和伺服电机控制器之间通过网线进行连接。PLC与变频器之间通过I/O 模块进行连接。伺服电机控制器与伺服电机之间通过数据传输电缆和供电电缆进行连接。

3.2 通讯系统设计

钢筋网焊接控制系统通讯系统的结构拓扑图如图3 所示。整个控制系统通过采用S7-1200 系列PLC作为主控单元。主控单元通过PN/IE 通讯协议与经、纬状钢筋的伺服电机控制器和触摸屏相连接，数据传输率可达100Mb/s，通讯稳定而且高效。PLC 通过I/O模块采集检测开关的信息，并且完成对变频器、电磁阀的控制。

图3 控制系统通讯网络拓扑结构示意图

3.3 电路原理设计以及PLC I/O分配

为了满足钢筋网焊接控制系统的设计要求，PLC选用了西门子S7-1215C 型控制器，控制器具有14 个数字量输入接口支持6 组100KHz 高速计数器、二路模拟量输入接口、二路模拟量输出接口、10 个数字量输出接口支持四组高速脉冲输出、二路以太网通讯接口。且系统通过交换机对网口进行扩展。系统I/O分配情况详见表1。

表1 PLC I/O分配

3.4 PLC的软件设计

3.4.1 纬状钢筋送料、传动装置控制程序设计

纬状钢筋送料装置主要包括钢筋存储单元、震动出料单元。纬钢筋传动装置主要包括伺服电机驱动的旋转取料单元。在系统启动之前，由人工把裁剪完成的钢筋放置到纬状钢筋存储单元。震动出料电机安装在纬状钢筋存储单元上，在系统启动之后，震动电机以一定的时间间隔进行震动，纬状钢筋存储单元上的纬状钢筋逐步的向环形伺服取料单元移动。

在纬状钢筋传动之前，需要完成伺服电机寻零与准备工作。均匀分布在旋转取料机构的取料口A、B、C、D 直径比纬状钢筋的直径大1-2 毫米，伺服电机带动旋转取料机构旋转取料，取得获取且仅获取一条纬状钢筋的效果。实现了纬状钢筋的自动上料以及经、纬钢筋自动组合成为钢筋网片。具体工作流程如图4所示。

图4 纬状钢筋传动装置工作流程图

3.4.2 经状钢筋传动装置控制程序设计

经状钢筋传动装置主要包括经状钢筋传动单元、固定单元。其中，传动单元是由伺服电机带动的移动装置，固定单元是由气缸驱动的可移动夹爪。夹爪固定在由伺服电机带动的移动装置上，跟随移动装置进行往复运动。在系统启动之前，由伺服控制器与伺服原点检测和寻零检测相互配合，完成伺服寻零工作。由人工辅助环形钢筋拉直裁剪机构，完成对经状钢筋的上料工作。

上料完成之后，经状钢筋到位检测被触发，经状钢筋传动装置完成启动之前的准备工作。经状钢筋传动装置安装有伺服电机限位检测，确保经状钢筋传动装置工作在直线滑动导轨上的一定范围内，当触发伺服电机限位检测，系统发出报警并停止运行。在经状钢筋的上料工作完成之后，根据设定好的位移，移动装置带动经状钢筋移动至纬状钢筋放置处。随后，在PLC 的控制下，单个纬状钢筋放置完成。经状钢筋传动装置安装有纬状钢筋到位传感器，当纬状钢筋放置到位后，PLC 确认经、纬状钢筋放置完成，向焊接装置发送焊接指令，控制上部电极下压，完成单条钢筋的焊接任务。根据设定的纬状钢筋的数量，经状钢筋移动装置步进相同次数的小位移，整个钢筋网被焊接完成。具体的工作流程如图5所示。

图5 经状钢筋传动装置工作流程图

3.4.3 伺服电机控制程序设计

根据设定的纬状钢筋传动装置和经状钢筋传动装置的工作流程，对伺服控制算法进行编写、调试。伺服部分运行程序如表2 所示。其中，句1-3 用来确认伺服电机是否做好运动前的准备工作；句7 代表了伺服电机工作模式选择；句8 代表了伺服电机运行速度、距离的赋值；句9 代表了伺服动作命令；句10 代表伺服电机执行结果反馈。

表2 伺服电机控制算法

3.5 触摸屏程序设计

为了更好的方便操作人员本控制系统进行操作与控制，系统采用了TP1200系列精致面板开发了人机操作界面。触摸屏作为系统显示以及参数输入单元，可以对系统故障信息，伺服电机的状态信息等进行显示；可以对伺服电机的工作运行曲线相对、绝对位移大小进行设置；可以选择系统的工作模式，包括手动模式、寻零模式、自动模式。部分画面如图6所示。

图6 触摸屏部分设计画面

4 模糊控制算法

电阻点焊焊接，是一种在待焊件上下方向上增加压力，使得待焊件之间紧密接触，然后施加焊接电流，使得待焊件之间形成热熔焊点的焊接方法。焊接流程包括预压焊件、焊接、维持焊点、焊接完成四个过程[10]。常规的焊接装置，待焊件上施加的压力保持恒定。这种给定焊接压力的方式，会出现两种问题，如果焊接压力过小，则会引起的焊接点虚焊，如果焊接压力过大，则会造成待焊件的损伤。为了解决焊点与待焊接钢筋的压力均衡问题，基于模糊控制算法，控制焊接装置的下压动作，动态的调节焊点与待焊钢筋的接触压力。

4.1 模糊控制工作流程

为了实现动态的调节焊点与待焊钢筋的接触压力，我们在焊接装置上增加压力检测开关，动态采集焊接单元与待焊钢筋之间的压力大小，通过标准模拟量信号把采集到的压力传输给PLC。PLC通过采集到的压力与设定的压力进行比较，来控制焊接装置的下压与抬升。

4.2 模糊化

对焊接装置设计了一个二维模糊控制器，能够比较严格的反映焊接装置下压过程中输出量的动态性能[11]。将焊接装置的力传感器反馈的压力值与设定值的误差E以及误差变化率EC作为输入，输出U定义为焊接装置上下动作的快慢。误差E、误差变化率EC 的模糊集设定为：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，控制量U 的模糊集设定为：{NM，NS，ZO，PS，PM}，选定误差E 和误差变化率EC 的论域为：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，控制量U 的论域为：{-90，-60，-40，-20，-10，0，10，20，40，60，90}。

4.3 模糊推理规则

根据逻辑推理，误差E以及误差变化率EC的变化规律，以及焊接装置在焊接过程中的运动特性。通过控制带动焊接装置上下动作的电机的正转与反转，来实现调整焊接装置与待焊接钢筋的压力大小。当误差为0 以及误差变化率很小时，说明无需继续进行压力调节；当误差很大时，说明需要进行调整下压或者抬起，即改变电机的快速正转或者快速反转。根据系统力传感器反馈的压力值与设定值的误差E以及误差变化率EC 的变化趋势来消除系统误差的模糊控制规则，用以下语句来描述：

4.4 反模糊化

根据输入的误差E 以及误差变化率EC 所对应的输入模糊论域的元素，经过模糊推理规则，找到相应的模糊推理输出量，再与量化比例系数进行运算得到实际的输出量[12]。将模糊化原则所得到的输出量的各个元素与这些元素所对应得论域相乘取得输出平均值。本算法采用重心法将模糊控制量转化为清晰地数值，再经过线性尺度进行变换，得到驱动电机的实际输出，以实现焊接装置的下压与抬升的动态调节。

4.5 Simulink系统仿真

焊接装置在完成焊接任务时，PLC已预设压力值，根据压力传感器的反馈进行动态调节。为了验证控制过程的可行性与实用性，对阶跃信号进行了仿真，如图7 所示。图中黄线代表的压力预设值，蓝色曲线为跟踪信号，即焊接装置压力调节过程。通过选择合适的量化比例系数，实现了较准确、实时的信号跟踪调节过程，从仿真图中可以看出，焊接装置可以以极小误差下快速完成对压力的调节，使得焊接装置能够快速较好的完成焊接任务。

图7 系统仿真

5 结束语

应用现有的设备，完成焊接控制系统的测试工作。部分测试现场图片如图8所示，图8（左）是被测试设备、图8（右）是设备生产的钢筋网。

图8 现场测试画面

经过对设计的控制系统的测试，系统能够快速有效的完成钢筋网片的焊接。本文介绍了基于PLC 的钢筋网焊接控制系统，通过对伺服电机的控制，完成对经、纬状钢筋的自动传送、组合，以电阻焊的焊接方式，完成钢筋网焊接工作。与人工焊接相比，控制系统降低了劳动强度，提高了生产效率。引入模糊控制算法对焊接装置下压压力的自动调节，通过MATLAB仿真验证，模糊控制算法能够完成对焊接装置的焊接压力有效控制，从而提高焊接精度。