自動化生產線中速度的同步控制原理及應用

劉明黎

（河南工業職業技術學院，南陽 473009）

1 概述

現代工業，諸如機械制造、電器生產和汽車生產等，都廣泛地使用自動化生產線(Automatic Production Line, APL,以下簡稱生產線)，一方面，它能夠節約人力等方面的成本，另一方面，它能夠提高生產效率，快速擴大生產規模。在現代工業生產中，離開了自動化生產線的企業是無法生存的[1]。

在現代化的自動化生產線中，產品和原料的運輸和存儲設備都廣泛地采用鏈式輸送機，例如汽車、家電業、建材和化工等行業。這類輸送設備能夠滿足現代工業制造業在生產率和柔性生產方面的諸多要求。它采用比較先進的電器控制（如PLC），除了可以完成運輸、傳遞、升降等功能外，它還能夠完成一些較為復雜的工藝操作，具有高度的完備性。一般來說，這些鏈式輸送機可以分為通用型輸送機和積放式輸送機。

雖然鏈式輸送機給現代工業生產帶來極大的幫助，但同時也帶來了一些問題。在生產線中利用鏈式輸送機來進行產品輸送的工序時，對生產線的速度同步控制往往是無法避免的，而對速度同步的調節實際上也就是一個電氣控制過程。要完成這個控制過程，可以根據實際的生產情況，添加相應的硬件設施以及必要的軟件支持，通過這樣的手段來實現自動化生產線速度的同步控制。

2 同步控制基本理論

2.1 同步調控方法概述

在實際的生產過程中，各條鏈式輸送機的控制操作是通過控制相應的驅動裝置的轉速來實現的，因為這些驅動裝置提供了自動化生產線的動力和調節輸送的速度。所以從某種意義上來說，鏈式輸送機的速度同步調節實際上也就是對電機的運行速度的同步調節[2]，調節電機速度的方法也就是實現速度同步的方法，這些控制方法如表1所示。

表1 電機調速控制方法

上表中的同步控制方法應該根據各個企業實際的情況采取恰當的方法，才能夠既滿足生產的需求，又不增加生產本。

2.2 速度同步控制模式概述

在實際的工業自動化生產線上，鏈式傳送機上的產品都是以一定的間距分布在生產線上的，電機驅動傳送機運動，按照規定的順序完成各個工藝操作，制造出符合質量要求的產品[3]。

在整個運行過程中最重要的參數就是鏈條在運行過程中所承受的總張力與總負荷，其他因素如輸送線的距離及工藝的繁復程度也會造成一定影響。鏈條在運行過程中，由于負荷過大，或者輸送距離過長，導致內部張力將鏈條拉斷，導致某些電機獨立運行，與其他電機脫節，或者出現整個生產線不能正常同步運行的情況。這是實際生產過程中經常遇到的生產線不能同步運行的情況。

從上述情況可以歸納出自動化生產線中速度同步控制的兩種基本模式，如表2所示。

表2 速度同步控制模式

總之，自動化生產過程中的情況是非常復雜的，上述的速度同步調節基本方法及速度同步調節基本模式只是一個最簡單和最基礎的劃分，企業還應根據實際的情況采取相應方法或者將這些方法混合使用。下面一節將具體介紹最常用的同步控制實現方法。

3 PLC 指令結合變頻器方法

3.1 單鏈多機速度同步實現

3.1.1 原理概述

最簡單的單鏈多機輸送系統，可以是一條由三臺電機共同拖動的輸送鏈。在這條輸送鏈中，鏈條的初張力是由每臺驅動裝置下游的鏈條張緊裝置提供的。這個裝置的另一個功能是實現摩擦磨損的補償以及鏈條熱脹冷縮的長度調節。這個裝置的動力是由氣缸提供的，通過氣缸的來回推動達到與鏈條張力的平衡，氣缸會根據鏈條張力的變化來調整自己向內或者向外移動。但是在實際生產過程中，生產鏈上個驅動裝置驅動的鏈條張力往往無法保持平衡，各臺電機的運行速度也往往不一致。這種情況下，可以采取的方法是根據各個張緊裝置的位置變化來檢測整條自動化生產線的同步情況。

這個方法的具體做法是在張緊裝置上安裝位置檢測推桿，然后在推桿一側按順序安裝三個限位開關以及一個擋塊。這些附加裝置工作時，推桿的移動范圍被分為三段，分別代表各段鏈條工作時處于正常、過松或者過緊的狀態。這三個狀態時推桿的具體位置是是根據實際情況來劃分的，具體情況改變了，推桿位置劃分代表的情況也要相應改變。例如，在實際生產過程中有一段輸送鏈上端的驅動速度比下游的驅動速度要高，則這個裝置會采取變化使鏈條松弛，使得張力變小，張緊裝置推動推桿進入過松段；反之，如果輸送鏈上端的驅動速度比下游的驅動速度要低，那么裝置會使鏈條拉緊，使張力上升，張緊裝置推動推桿進入過緊段；當輸送鏈上下游的驅動速度基本平衡時，裝置保持推桿處于正常位置。

這個系統是通過PLC來檢測張緊裝置推桿的位置來判斷輸送鏈條的工作情況，并發出指令控制變頻器改變工作狀態，實現速度的減小與增加。

3.1.2 電控裝置

在改造過的自動化生產線中，驅動電機上都只裝有變頻器，把其中一臺驅動電機作為參考的基準，并保持它在整個工作過程中的運行速度不變，而剩下的兩臺驅動電機是需要變速調整的，它們的運行速度被劃分為高、低、中三個檔位。主控PLC與驅動電機的接觸器、變頻器的控制器以及各個檢測開關連接，這樣PLC就可以發出指令控制各個裝置的工作狀態。這種方法在一定程度上還可以實現節約成本的目的，因為它的PLC并不需要專門的控制模塊。采用這種方法，各個變頻器的每一檔的速度以及檔速的差可以通過停機用手來調整，屬于無級變速，盡管各個驅動電機在工作時是有級變速的。在實際工作前，將各個驅動電機的檔速調整為生產所需要的，尤其是作為基準的電機，這樣才能夠保證生產的順利進行。

3.1.3 控制程序

這條生產線工作時，各臺驅動電機張緊裝置將限位開關的工作位置反饋給PLC控制平臺，根據限位開關的工作位置PLC像驅動電機發送“加速”、“減速”或者“停機”這三個命令，其中PLC對選擇作為基準的驅動電機只發送一個命令——“停機”。如果某條輸送鏈由多臺電機驅動，各個反饋信號傳輸給PLC以后，經過分析會將最終的指令傳輸給驅動電機，各臺驅動電機的反饋信號都會影響PLC最終的判斷，以使每臺驅動電機達到工作匹配平衡。

3.2 多鏈同步實現

在一些大型的工業生產中，往往采取多條輸送鏈的自動化生產的模式，在這樣的情況下，確保各條輸送鏈的同步運行變得尤為重要，否則整個生產線都將亂套。

多鏈生產的速度同步實現按照速度匹配關系可以分為兩種情況，如表3所示。

表3 多鏈同步分類

在實際生產過程中多鏈速度同步問題多產生在雙鏈的速度同步匹配上。在這種情況下，兩條輸送鏈之間都均勻分布有檢測推頭，感應開關被安裝在兩者之間的某一個固定位置。如果將其中一臺電機作為基準，那么這臺電機的檢測推頭的感應開關只需要一個作為基準開關。另一條需要做速度同步調整的電機可以布置N個感應開關，把檢測推頭安置在N+1個位置，以使PLC能夠知道每一個檢測推頭相對于基準電機的相對位置。當生產線運行時，基準電機會向PLC發送信號，PLC這時候檢測需同步段感應推頭所處的位置，對速度過慢區域，則發出加速指令；對速度過快區域，則發出減速指令；對速度太快或太慢區域則發出讓基準電機或需同步電機停運一段時間再啟動的指令；對運行速度正常的區域，則發出保持運行的指令。

從上面的同步實過程可以看出，兩條輸送鏈的速度同步是將它們的速度同步問題轉化為相應的檢測推頭的位置同一性問題。由于將基準推桿均勻安置在了需同步調整輸送鏈上，因而相對于基準電機的同步調整是周期性進行的。針對等速同步與比例同步兩種情況，檢測推頭要么等間距安置，要么按一定的比例來安置，來實現相應的速度同步調整功能。這里的雙鏈速度同步調整時間上也是采用上述的PLC指令以及變頻調速方法。

4 結論

這篇文章對自動化生產線的速度同步實現的簡介具有普遍的意義，其中介紹的在實際生產過程中需要的兩種速度同步調整，輸送鏈單鏈多機同步和多鏈同步具有重要的現實意義，它采用PLC以及變頻調速相結合，簡單、準確、可靠、實用性強。盡管目前有很多關于自動化生產線速度同步控制實現理論的技術和文章，但筆者仍希望這篇文章對從事這方面技術的工程技術人員有一定的參考價值。

[1]曹榮全.積放式懸掛輸送機承載小車轉鏈方式[J].起重運輸機械, 1998.(4).

[2]黃筱調, 趙松年.機電一體化技術基礎及應用[M].成都:機械工業出版社, 2000.5.

[3]張之儀, 吳葵.機械化運輸設計手冊[M].北京: 機械工業出版社, 1997.4.