李海蕓，林南靖，董楸煌，邱榮斌，葉大鵬

（福建農(nóng)林大學 a.機電工程學院；b.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備福建省高校工程研究中心，福建 福州 350002）

我國是全球最大的木材產(chǎn)品加工國。然而在木材機械加工方面，我國大多數(shù)的木材加工設備還處于工業(yè)2.0（電氣化）狀態(tài)，木材加工率低下，且屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)人力成本大，木材加工的利潤低下。加大木工機械的科技力度，以“機器生產(chǎn)”代替人工生產(chǎn)，通過提高木材加工效率提升木材產(chǎn)品利潤，特別是高科技木工機械是目前木工機械行業(yè)的發(fā)展趨勢[1]。隨著“工業(yè)4.0”時代到來，制材設備也將朝著智能化發(fā)展，使我國制材設備在制材的生產(chǎn)中，減少人工成本的情況下，木材的出材、利用率及木材質(zhì)量得到顯著的提升[2]。

在國外，對于鋸材裝備智能制造的研究比國內(nèi)要早且成果也較為豐富。如德國威力木工集團研制了一種實木板材優(yōu)化的下落生產(chǎn)線及其全套裝備，改進生產(chǎn)線在鋸材缺陷與尺寸的自動識別、橫向優(yōu)化截斷、縱向優(yōu)化截邊和鋸材實施及自動上下料的全程自動化。目前德國伊瑪、豪邁、威力，意大利比亞斯為首國際大型木工裝備集團已將數(shù)控技術(shù)和機器視覺技術(shù)普遍運用于木工機械，他們幾乎壟斷了全球木工裝備的中高端市場[3]。國內(nèi)制材設備技術(shù)相對落后，設備自動化水平低下，對于鋸材的檢測采用人工檢測木材的利用率低，對于自動化和智能化的木工設備主要依靠進口[4]。

本研究設計的毛邊鋸材智能加工裝備控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)作為毛邊鋸材控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡傳輸平臺，利用OPC作為統(tǒng)一標準通信接口能有效的解決系統(tǒng)數(shù)據(jù)異構(gòu)的問題[5-7]，利用LabVIEW實現(xiàn)多臺毛邊鋸材加工子設備間的數(shù)據(jù)集成。為今后圓木加工流水線控制系統(tǒng)的銜接提供借鑒。

1 系統(tǒng)自動化控制方案

1.1 毛邊鋸材智能加工裝備結(jié)構(gòu)及工作原理

整套毛邊鋸材流水線裝備的總體機械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括三個模塊：鋸材上料模塊、移動多片鋸鋸切模塊和成品分揀模塊。能夠完成對毛邊鋸材的圖像拍攝及圖像處理，使其自動完成對毛邊鋸材的位姿調(diào)整、不同尺寸鋸材的鋸切和成品分揀的功能。

毛邊鋸材通過間歇進給輸送到上料模塊，當傳感器檢測鋸材運動到氣缸擋板位置時，2個起升氣缸將鋸材提升離開傳送帶并通過相機傳感器觸發(fā)相機拍照進行圖像采集，圖像裝置將毛邊鋸材照片傳送至PC機上進行圖像處理，獲取毛邊的有效寬度、位姿狀態(tài)，再通過絲杠滑塊機構(gòu)將毛邊鋸材調(diào)整到指定位置，氣缸回收重新將鋸材送到傳送帶上使鋸材輸送到移動多片鋸鋸切模塊上加工。移動多片鋸鋸切模塊根據(jù)毛邊鋸材圖像處理的結(jié)果將自動調(diào)整圓鋸片的間距等待毛邊鋸材的鋸切；當傳感器檢測到當前有毛邊鋸材在鋸切并且上料區(qū)有圖像處理完成的鋸材，則系統(tǒng)會等當前毛邊鋸材鋸切完畢之后再對圓鋸片進行調(diào)整。成品分揀模塊將加工完成的毛邊鋸材和方形鋸材分離，其中毛邊鋸材由于無支撐落入毛邊鋸材回收框；當傳感器檢測到當前分揀托架上有木板且前面設備已有加工完成的鋸材時，則系統(tǒng)會等待當前鋸材分揀完畢后再將托架運動到指定位置。

圖1 毛邊鋸材鋸切裝備整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Assembly diagram of intelligent processing equipment for burr sawn timber

1.2 控制系統(tǒng)方案

控制系統(tǒng)采用分布式控制原理。將毛邊鋸材智能加工裝備分為毛邊鋸材上料控制系統(tǒng)、毛邊鋸切控制系統(tǒng)及成品分揀系統(tǒng)三個現(xiàn)場控制子系統(tǒng)設計。并以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，以PC機作為集中控制平臺設計毛邊鋸材智能加工裝備控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對毛邊鋸材裝備的離散控制、集中管理、穩(wěn)定傳輸和智能處理，達到毛邊鋸材智能加工裝備的自動化、網(wǎng)絡化、科學化和智能化的生產(chǎn)目標[8]。該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，總體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)場控制層、網(wǎng)絡傳輸層和集中管理層三個層次框架設計，如圖2所示。系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上主要由執(zhí)行機構(gòu)、傳感器、工業(yè)相機、現(xiàn)場控制器、現(xiàn)場通訊器、網(wǎng)絡交換器、集控計算機組成。毛邊鋸材的三個子裝備各采用一套現(xiàn)場控制系統(tǒng)，各個現(xiàn)場控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)連接到局域網(wǎng)和集中管理系統(tǒng)組成分布式控制結(jié)構(gòu)。

圖2 網(wǎng)絡通信控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架Fig.2 Overall structure diagram of network communication control system

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 控制系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件采用三臺西門子S7-200 系列的224XP的PLC 作為控制器，控制相對應的電機、氣缸、接觸器、變頻器等。PLC 系統(tǒng)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 控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)的控制程序采用模塊化設計方案，根據(jù)不同的功能模塊設計相應的程序[11]，功能如下：

1）毛邊鋸材上料模塊程序。毛邊鋸材上料模塊是整套毛邊鋸材加工設備的起始模塊，主要用于毛邊鋸材的上料、毛邊拍照處理以及毛邊鋸材的位姿調(diào)整。在該模塊中，毛邊鋸材調(diào)整的托架1、2是由2個步進電機帶動絲杠滑塊控制的，對于步進電機的控制采用絕對運動控制，以此在設備運行之前需要對托架1、2步進電機進行位置初始化。該模塊中用于位姿調(diào)整的數(shù)據(jù)通過圖像處理經(jīng)上位機控制平臺傳送到上料PLC 中。當PLC中的VD15與VD35 中的數(shù)值發(fā)生變化時，托架1、2步進電機分別帶動滑塊運動到相應的位置。程序流程如圖3a所示。

2）移動多片鋸鋸切模塊程序。動態(tài)多片鋸模塊直接與毛邊鋸材上料模塊對接，其主要實現(xiàn)毛邊鋸材的鋸切加工。經(jīng)過上料模塊的圖像拍照，上位機系統(tǒng)通過毛邊圖像檢測處理，得出移動多片鋸鋸切模塊中移動鋸片1、2 需要移動的位置數(shù)據(jù)，并存儲在FIFO 隊列中，通過判斷I0.3=0？，當I0.3=0時，表明當前無毛邊鋸切，則上位機系統(tǒng)會將圖像檢測鋸片移動數(shù)據(jù)寫入到鋸切模塊的PLC 中的VD206、VD236 中，當I0.3=1時，表明當前設備上有毛邊鋸切，則上位機系統(tǒng)會等待I0.3=0，即設備鋸材鋸切完后，再將檢測的鋸片移動數(shù)據(jù)寫入鋸片模塊中的VD206、VD236 中。在毛邊鋸切系統(tǒng)中，程序中VD12與VD206 數(shù)值相等則表明鋸片1 運動到位，VD20與VD236 數(shù)值相等則表明鋸片2 運動到位。移動多片鋸鋸切模塊的程序流程如圖3b所示。

3）成品分揀模塊程序。分揀模塊在毛邊鋸切模塊之后，將毛邊鋸切后的方形木條與毛邊鋸材分開。主要是控制兩個分揀叉架上的絲杠滑塊步進電機的位置移動，使在傳送帶的帶動下實現(xiàn)將方形木條輸送到筒式傳送帶上，毛邊鋸材落入木條回收框。兩個分揀叉架步進電機的位置移動的運動控制原理跟鋸片移動的原理相似，不同的是圖像檢測出的叉架位置移動數(shù)據(jù)跟鋸片移動數(shù)據(jù)不一樣。成品分揀模塊的程序流程圖如圖3c所示。

圖3 系統(tǒng)程序流程Fig.3 Flowchart of master program

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計

利用Microsoft Access 軟件建立一個名為“毛邊數(shù)據(jù)庫”的數(shù)據(jù)庫，并在數(shù)據(jù)庫中建立4個數(shù)據(jù)庫表，分別為登入用戶密碼數(shù)據(jù)庫、圖像處理數(shù)據(jù)庫、設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫和參數(shù)設置數(shù)據(jù)庫[12],實現(xiàn)用戶對于設備的高效管理。1）用戶密碼數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫存儲毛邊鋸材上位控制平臺系統(tǒng)登入用戶的賬號名稱、密碼、權(quán)限、最后登入的時間和登入次數(shù)。方便對毛邊鋸材智能加工裝備控制系統(tǒng)的操作人員進行管理以及記錄操作人員對系統(tǒng)操作情況。2）圖像處理數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫存儲毛邊圖像處理的結(jié)果數(shù)據(jù)，主要包括毛邊的有效寬度、角度、邊界點坐標、下鋸方案、超標否、毛邊設備托架、鋸片、叉架電機的位移情況和每塊毛邊的處理情況。3）設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。通過該數(shù)據(jù)庫表用戶可以方便查看設備運行的歷史情況，對于出現(xiàn)故障情況下，用戶可以知道故障發(fā)生時刻和故障位置。4）設備參數(shù)設置數(shù)據(jù)庫。用于記錄系統(tǒng)的參數(shù)設置，其主要為毛邊鋸材裝備各個步進電機、傳送帶電機的速度設置。該數(shù)據(jù)庫的主要功能是將系統(tǒng)的每次運行做一次參數(shù)記錄，方便管理者查看用戶操作是否得當。利用LabSQL 工具包對數(shù)據(jù)庫進行連接、添加數(shù)據(jù)存儲記錄和查詢數(shù)據(jù)記錄等操作。

2.4 LabVIEW 上位機控制系統(tǒng)

利用LabVIEW的多線程功能，在主程序中采用三個主While 循環(huán)分別執(zhí)行界面操作、圖像采集處理和PLC控制。界面的操作功能放在事件結(jié)構(gòu)中，通過用戶操作去響應事件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)程序界面操作。系統(tǒng)界面設計主要包括：參數(shù)設置界面、設備監(jiān)控界面、手動操作界面和數(shù)據(jù)管理界面等。1）參數(shù)設置界面實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的參數(shù)設置，主要是對PLC的自動運行和手動運行模式下毛邊鋸材位姿調(diào)整托架電機、鋸片移動電機、分揀叉架電機以及傳送帶電機的速度設置等運動控制與管理上。2）實時監(jiān)控界面主要是用來顯示設毛邊鋸材運行時各設備的運行參數(shù)，圖像處理等,如圖4所示。用戶通過圖像顯示窗口可以看到拍照區(qū)毛邊鋸材的實時圖像，在運行提示窗口可以顯示用戶的一個操作信息。3）系統(tǒng)的手動操作界面實現(xiàn)設備中毛邊鋸材調(diào)整托架、移動鋸片、分揀叉架、傳送帶、氣缸等執(zhí)行機構(gòu)的手動操作。用戶通過此功能能夠?qū)崿F(xiàn)對設備的檢修。4）在數(shù)據(jù)管理界面中用戶通過查詢毛邊鋸材處理的ID 序號，查看圖像處理結(jié)果數(shù)據(jù)，對于毛邊鋸材的有效寬度以及角度會通過界面中的波形圖生成曲線關系圖。主要實現(xiàn)對毛邊鋸材圖像檢測數(shù)據(jù)及設備運行狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)的查詢與管理。

圖4 系統(tǒng)實時監(jiān)控主界面Fig.4 In terface of system real-time monitoring

3 試驗與分析

為驗證采用以太網(wǎng)通訊的分布式毛邊鋸材智能加工裝備控制系統(tǒng)的性能，需要驗證PLC與PC能否進行正常的以太網(wǎng)網(wǎng)絡通信、現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)是否可以完成毛邊鋸材加工的工藝要求、LabVIEW 上位機平臺能否集中控制三臺PLC 以及LabVIEW 對整套系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理、記錄情況。

首先，對于系統(tǒng)的通訊測試在外圍硬件正確連接下，在PC機搭建的OPC服務器中利用NI OPCServer 軟件，通過點擊Quick Client 便可以查看PC與PLC 通訊狀態(tài)。如果PLC與PC 通訊正常，在OPC服務器中綁定的PLC 變量會顯示“good”，如果PC與PLC通訊錯誤則PLC變量會顯示“bad”。

接下來，打開LabVIEW 控制系統(tǒng)程序進入密碼登入系統(tǒng)。在系統(tǒng)中輸入密碼后進入控制主程序的參數(shù)設置界面中，當系統(tǒng)進入?yún)?shù)界面，如果界面中的通訊指示燈在閃爍則表明LabVIEW與PLC 通訊成功，選擇參數(shù)設置模式完成系統(tǒng)參數(shù)設置。此時點擊“監(jiān)控模式”進入自動運行控制模式，先點擊“相機打開”啟動圖像檢測系統(tǒng)，再點擊“自動運行”LabVIEW 發(fā)送數(shù)據(jù)到PLC 中系統(tǒng)開始運行，各步進電機開始進行初始化設置。初始完成后，在界面顯示托架與鋸片電機的初始位置信息，當上料PLC 中的I0.3 產(chǎn)生上升沿相機拍照，LabVIEW 程序中模擬圖像檢測結(jié)果，并控制步進電機運動。

手動運行試驗過程，通過點擊“手動操作”進入手動運行界面，在界面中點擊手動“手動運行”此時自動模式關閉手動運行開始，在界面中通過點擊相應的布爾控制對PLC 中相應的機構(gòu)進行操作。

最后對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的管理功能進行測試，試驗過程進入數(shù)據(jù)管理界面。在圖像數(shù)據(jù)查詢界面中輸入查詢ID的上下值，點擊查詢，觀看之前圖像處理的模擬結(jié)果值。當上料設備I0.3產(chǎn)生上升沿，圖像模擬程序產(chǎn)生一組數(shù)據(jù)，系統(tǒng)便將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，如圖5所示。

該控制系統(tǒng)的試驗結(jié)果分析如下：

1）試驗顯示采用的以太網(wǎng)通信方式在控制系統(tǒng)的上下位機通訊流暢，從而表明整個系統(tǒng)實現(xiàn)多臺PLC控制的可行性。

2）對于LabVIEW 控制平臺對下位機PLC的控制，通過試驗測試表明LabVIEW 控制平臺不僅能穩(wěn)定的讀取PLC的運行數(shù)據(jù)，還能快速響應對PLC 發(fā)送指令。

3）在數(shù)據(jù)管理方面，在LabVIEW 對下位機的控制過程中不僅可以實時對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行記錄，還可以利用數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行查看。

圖5 圖像處理數(shù)據(jù)查詢試驗測試Fig.5 Experimental test of image processing data query

4 結(jié)論與討論

在系統(tǒng)的通訊方式上，本研究通過搭建工業(yè)以太網(wǎng)絡硬件平臺、設計統(tǒng)一標準的OPC接口方法，在保證系統(tǒng)通訊的穩(wěn)定性、運行的快速性等前提下還能使系統(tǒng)通信有較強的適應能力。

在PLC控制系統(tǒng)方面，本研究設計了三臺PLC的分布式控制系統(tǒng)。以此驗證利用工業(yè)以太網(wǎng)通信對多機聯(lián)動控制的性能，為后續(xù)整體圓木裝置實現(xiàn)工業(yè)化控制打下基礎。

在LabVIEW 控制平臺方面，LabVIEW 作為整套控制系統(tǒng)的集控平臺將整套裝置的子系統(tǒng)有機結(jié)合起來。利用OPC方式實現(xiàn)對下位機的數(shù)據(jù)控制，通過LabSQL 創(chuàng)建系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫以實現(xiàn)對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理[13]。

整套控制系統(tǒng)還有以下一些不足之處：

1）在網(wǎng)絡通信方面，由于硬件條件的限制，將用于通信統(tǒng)一接口的OPC服務器搭建在LabVIEW 系統(tǒng)客戶端的主機上。在后續(xù)工業(yè)化應用中可將工控機作為OPC服務器于收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，LabVIEW 控制系統(tǒng)裝中央監(jiān)控室的主機端，OPC控制機端與中央監(jiān)控的主機通過網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳送，以實現(xiàn)整套控制系統(tǒng)在企業(yè)內(nèi)部的聯(lián)網(wǎng)控制。

2）在PLC控制系統(tǒng)方面，主要研究利用以太網(wǎng)實現(xiàn)LabVIEW與PLC的聯(lián)合控制。步進電機的運動控制采用開環(huán)控制，運動精度上必然會有些不足，在后續(xù)中可以將開環(huán)運動改為閉環(huán)控制以提高控制運動的精度。

3）在LabVIEW 控制系統(tǒng)方面，還可以根據(jù)實際情況添加操作界面的控制，使整個操作界面適應實際的工業(yè)生產(chǎn)。在界面功能上可以將三維設備的運行狀態(tài)圖與現(xiàn)場設備相結(jié)合，在設備運行時利用客戶端界面三維運行動畫顯示，可以更直觀地顯示設備的運行狀況，進而更直觀地實現(xiàn)對設備的遠程控制。