馬振江，楊三元，舒方法，楊安韜

（中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

鋼管樁二次防腐修復(fù)設(shè)備是我院針對碼頭鋼管樁潮差區(qū)二次防腐維護(hù)問題自主研發(fā)的一種新型碼頭鋼管樁防腐修復(fù)設(shè)備（見圖1），該設(shè)備采用干式施工方法，能夠自航到鋼樁位置完成抱樁動作，并完成對鋼樁的清洗、表面處理和涂層噴涂等工作。

圖1 鋼管樁二次防腐修復(fù)設(shè)備Fig.1 The tw ice anti-corrosion repair equipment for steelpipe pile

鋼管樁二次防腐修復(fù)設(shè)備采用干式施工噴涂重防腐涂層的方法，用一個上下部均密閉的圓筒狀防腐作業(yè)設(shè)備主體將鋼樁圍閉起來，并將其固定于樁身，然后用潛水泵將海水排凈，在防腐作業(yè)設(shè)備主體內(nèi)通風(fēng)，形成干式環(huán)境，接著除去鋼樁上的附著海生物、銹蝕和舊涂層，進(jìn)而噴涂一層重防腐涂層，最后脫樁并轉(zhuǎn)至下一根需要維護(hù)的鋼樁，其工藝流程為：抱樁→排水→表面處理→表面風(fēng)干→噴涂底漆→風(fēng)干至指干→噴涂面漆→風(fēng)干至指干→脫樁。

1 內(nèi)部行走機(jī)構(gòu)

作業(yè)井內(nèi)部行走機(jī)構(gòu)要完成整根鋼管樁的防腐修復(fù)，首先要實(shí)現(xiàn)圓周的旋轉(zhuǎn)，完成同一層面鋼管樁的360°掃描，其次要實(shí)現(xiàn)垂向行走動作，完成1根管樁的所有層面的防腐修復(fù)作業(yè)，在整個控制系統(tǒng)中，圓周掃描機(jī)構(gòu)和上下行走機(jī)構(gòu)的控制是其中的一個重點(diǎn)，在表面處理過程控制和油漆噴涂過程控制中，其核心就是控制圓周掃描機(jī)構(gòu)和上行行走機(jī)構(gòu)的動作。內(nèi)部行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 內(nèi)部行走機(jī)構(gòu)Fig.2 The inner walkingmechanism

在表面處理過程和油漆噴涂過程中控制圓周掃描機(jī)構(gòu)和上行行走機(jī)構(gòu)的動作邏輯基本類似，但運(yùn)動速度不同，動作開始的起始位置不同。下面以油漆噴涂過程為例說明內(nèi)部行走機(jī)構(gòu)的工藝流程。

待高壓無氣噴涂設(shè)備的工作壓力穩(wěn)定后開啟噴涂設(shè)備，垂直行走機(jī)構(gòu)行走至稀釋劑回收位置，開啟噴槍將油漆填充至管路；填充完畢后關(guān)閉噴槍，行走機(jī)構(gòu)自動上行至上限位，然后下行12.5 cm（1/2噴槍幅寬），右側(cè)噴頭組跟隨圓周掃描行走機(jī)構(gòu)由90°運(yùn)動到0°，即空行程；然后開啟噴槍，右側(cè)噴頭組跟隨圓周掃描行走機(jī)構(gòu)由0°運(yùn)動到180°，同時左側(cè)噴頭組跟隨圓周掃描行走機(jī)構(gòu)由180°運(yùn)動到360°，即完成了該高度段內(nèi)鋼樁整個圓周表面的油漆噴涂工藝；關(guān)閉噴槍，垂直行走機(jī)構(gòu)帶動圓周掃描行走機(jī)構(gòu)向下行25 cm（噴槍幅寬），開啟噴槍，此時圓周掃描行走機(jī)構(gòu)反向旋轉(zhuǎn)，右側(cè)噴頭組跟隨圓周掃描行走機(jī)構(gòu)由180°運(yùn)動到0°，同時左側(cè)噴頭組跟隨圓周掃描行走機(jī)構(gòu)由360°運(yùn)動到180°，即完成了該高度段內(nèi)鋼樁整個圓周表面的油漆噴涂工藝；按照該運(yùn)動方式循環(huán)，直至鋼樁整個維護(hù)段全部完成油漆噴涂[1-3]。

2 高速計數(shù)器模塊測量及硬件中斷功能設(shè)計

2.1 高速計數(shù)器模塊設(shè)計

在水下鋼樁防腐項(xiàng)目中，對上下行走機(jī)構(gòu)和圓周掃描機(jī)構(gòu)的控制是非常重要的，由于在表面處理和油漆噴涂過程中會產(chǎn)生大量的氣霧，所以攝像頭無法打開，為了讓操作人員在母船上能夠觀察到防腐作業(yè)設(shè)備內(nèi)部行走機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，分別在圓周掃描機(jī)構(gòu)和上下行走機(jī)構(gòu)上安裝編碼器來采集行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動信息，用安裝在分布式I/O模塊上的高速計數(shù)器FM350-1模塊記錄編碼器信息，然后通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)紺PU上。在CPU內(nèi)通過具體的控制算法完成對行走機(jī)構(gòu)的控制并實(shí)時把行走機(jī)構(gòu)的位置信息通過MPI網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機(jī)，在上位機(jī)組態(tài)主界面上顯示出來。

2.2 高速計數(shù)器硬件組態(tài)

在西門子編程軟件SIMATICManager打開硬件配置Hardware雙擊選擇FM350-1模塊，在彈出的窗口內(nèi)設(shè)置編碼器的電壓、分辨率、計數(shù)方向、軟件門等參數(shù)；并設(shè)定測量方式，測量方式分為單次計數(shù)（single counting）、頻率測量（frequency measurement）、轉(zhuǎn)速測量（RPM measurement）、持續(xù)周期測量（continuous periodic measurement），這里選擇單次計數(shù)；計數(shù)方向?yàn)殡p向計數(shù)，計數(shù)范圍為-31～+31 Bits；并為FM350-1模塊指定1個應(yīng)用程序數(shù)據(jù)塊；設(shè)定完畢后下載到PLC中。

2.3 高速計數(shù)器軟件設(shè)計

根據(jù)工藝要求編制高速計數(shù)器數(shù)據(jù)采集程序，如圖3所示，DB10數(shù)據(jù)塊是在硬件組態(tài)中為FM350-1模塊指定的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)塊，該數(shù)據(jù)塊內(nèi)存儲了編碼器的當(dāng)前計數(shù)值、預(yù)設(shè)值、比較值等參數(shù)，“SW_GATE”為計數(shù)模塊軟件門，對軟件門置1后模塊開始計數(shù)，在程序中調(diào)用DB10.DBD34即可讀出當(dāng)前計數(shù)值；對“T_CMP_V1”和“T_CMP_V2”進(jìn)行置位可以設(shè)定2個比較值，F(xiàn)M350-1模塊對當(dāng)前計數(shù)值和預(yù)設(shè)的比較值進(jìn)行比較，計數(shù)器當(dāng)前值向上或向下超過預(yù)設(shè)值時模塊觸發(fā)硬件中斷，PLC根據(jù)當(dāng)前計數(shù)值和當(dāng)前的工況通過具體的控制算法進(jìn)行對圓周和上下行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確的控制[4]。

圖3 高速計數(shù)器數(shù)據(jù)采集程序Fig.3 Data collection procedure ofhigh-speed counter

2.4 高速計數(shù)器硬件中斷

根據(jù)工藝要求，圓周行走機(jī)構(gòu)在表面處理和油漆噴涂工藝過程中需要使用不同的速度，高壓水射流設(shè)備噴射出的高壓水柱的寬度為25 mm，噴涂設(shè)備的噴槍噴出的油漆為扇形，幅寬25 cm，這樣在表面處理和油漆噴涂工藝流程中，圓周行走機(jī)構(gòu)下行和旋轉(zhuǎn)所走的步長必須精準(zhǔn)，如果實(shí)際步長超過設(shè)定步長，會造成部分鋼樁沒有被處理，如果實(shí)際步長小于設(shè)定步長，這樣在噴涂過程中會引起油漆流掛的現(xiàn)象，影響二次防腐的效果。在油漆噴涂流程中，圓周行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動的速度為400 mm/s，鋼樁表面膜厚為100μm，為了提高圓周行走和上下行走機(jī)構(gòu)的動作精度，本系統(tǒng)在編程中采用硬件中斷的方式。

在圓周掃描機(jī)構(gòu)和上下行走機(jī)構(gòu)動作時，PLC發(fā)出命令到輸出模塊，輸出模塊控制繼電器動作，其中PLC程序的掃描周期一般為幾十到100多ms，繼電器的動作周期為35 ms，液壓系統(tǒng)從接到信號到液壓馬達(dá)停止動作還需要一定時間的延誤，為了提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)，在程序中使用硬件中斷的方式來處理，當(dāng)編碼器計數(shù)值到達(dá)預(yù)設(shè)值時，功能模塊FM350-1模塊產(chǎn)生中斷信號觸發(fā)硬件中斷，CPU立即響應(yīng)中斷。CPU暫停正在執(zhí)行的程序，調(diào)用中斷源對應(yīng)的中斷程序，執(zhí)行完中斷程序后，返回被中斷的程序斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行原來的程序，這樣可以提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度，提高圓周掃描機(jī)構(gòu)和上下行走機(jī)構(gòu)的動作精度。

硬件中斷組織塊（OB40～OB47）用于快速響應(yīng)信號模塊（SM，即輸入/輸出模塊）、通訊處理器（CP）和功能模塊（FM）的信號變換，具有中斷能力的信號模塊將中斷信號傳送到CPU時，或者當(dāng)功能模塊產(chǎn)生一個中斷信號時，將觸發(fā)硬件中斷。在硬件組態(tài)編輯器中，設(shè)置FM350模塊中斷類型為硬件中斷，如圖4所示，在彈出的快捷菜單中選擇“Hardware”。

圖4 設(shè)置硬件中斷Fig.4 Setup the hardware interrupt

選擇“Hardware”之后，模塊參數(shù)分配窗口中的“Hardware Interrupt Enable”中的中斷選項(xiàng)就可以選擇了，見圖5。

圖5 硬件中斷功能選擇Fig.5 Select thehardware interrupt function

在硬件功能選擇界面中勾選“Reaching comparison value 1 up”和 “Reaching comparison value 1 down”，這樣在計數(shù)器值到達(dá)預(yù)設(shè)值1的時候就會觸發(fā)硬件中斷，然后在西門子編程軟件SIMATICManager中調(diào)用OB40，由模塊中斷狀態(tài)字“#OB40_POINT_ADDR”可得模塊的中斷狀態(tài)，其類型為Dword，其中雙字內(nèi)各個位代表模塊的中斷狀態(tài)可查圖6。

其中對圓周行走編碼器需設(shè)定2個方向的硬件中斷，分別為左旋和右旋到設(shè)定位置，上下行走編碼器設(shè)定一個方向的硬件中斷，為下行到設(shè)定長度時觸發(fā)中斷，對于模塊中斷狀態(tài)字“#OB40_POINT_ADDR”第四位為增計數(shù)方向時到達(dá)比較值1，第五位為減計數(shù)方向到達(dá)比較值1，在程序中提前設(shè)置好比較值的數(shù)值大小，當(dāng)計數(shù)值到達(dá)預(yù)設(shè)的比較值后，觸發(fā)硬件中斷，CPU在執(zhí)行完當(dāng)前程序的當(dāng)前指令（即斷點(diǎn)處）后，立即響應(yīng)中斷。CPU暫停正在執(zhí)行的程序，調(diào)用中斷源對應(yīng)的中斷程序OB40，根據(jù)模塊中斷狀態(tài)字“#OB40_POINT_ADDR”和觸發(fā)中斷模塊起始字節(jié)地址“OB40_MDL_ADDR”判斷出是哪一個計數(shù)器模塊觸發(fā)的何種中斷，然后執(zhí)行圓周行走機(jī)構(gòu)反向和上下行走機(jī)構(gòu)下行的程序，執(zhí)行完中斷程序后，返回被中斷程序的斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行原程序，使系統(tǒng)響應(yīng)更加迅速，提高了系統(tǒng)的控制精度。見圖7。

圖7 硬件中斷功能編程Fig.7 Programm ing of the hardware interrupt function

3 結(jié)語

在鋼管樁二次防腐修復(fù)設(shè)備中，內(nèi)部行走機(jī)構(gòu)的控制是控制系統(tǒng)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，精確的控制內(nèi)部行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動路線和速度是保證鋼管樁防腐蝕處理質(zhì)量的關(guān)鍵。本系統(tǒng)中采用高速編碼器作為反饋，采用硬件中斷功能進(jìn)行控制，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度，滿足了系統(tǒng)的使用要求。

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