基于PLC的汽車輸送主副線速同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：本文基于PLC、變頻器、編碼器組成汽車輸送主、副線主從控制的雙閉環(huán)隨動控制系統(tǒng)，采用主輸送線的實(shí)際運(yùn)行速度作為副輸送線的設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)汽車輸送主副線的傳動速度同步、高精度穩(wěn)速控制；該系統(tǒng)可有效抑制外部干擾，消除速度偏差，穩(wěn)定程度高；實(shí)際應(yīng)用效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)控制；隨動控制；汽車輸送生產(chǎn)線；主、副線同步

中圖分類號：TP275 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言

汽車流水線作業(yè)中常采用懸掛鏈輸送在各工序間連續(xù)輸送工件，完成各種工藝過程。汽車輸送線生產(chǎn)規(guī)模大，生產(chǎn)線距離長，加工工序和線上負(fù)載變化多，一般采用主、副線組合的輸送加工形式。如對主、副線的運(yùn)行速度進(jìn)行同步控制，可以把節(jié)奏不同的生產(chǎn)過程組合成一個(gè)有節(jié)奏的生產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)流水生產(chǎn)和輸送的自動化，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。

2 系統(tǒng)控制方案的確定

鏈?zhǔn)娇刂剖菍?shí)現(xiàn)汽車輸送主、副線同步控制經(jīng)常采用的方法，但由于輸送線各個(gè)坡段牽引力的不均衡以及負(fù)載的不斷變化，輸送線上負(fù)載變化、傳送鏈輪摩擦的變化和鏈條磨損拉伸，會出現(xiàn)主、副線行進(jìn)速度的變化，從而產(chǎn)生位置累計(jì)誤差，系統(tǒng)理想的同步狀態(tài)消失，導(dǎo)致控制精度較低，動態(tài)性能較差。嚴(yán)重時(shí)會造成鏈條堆積損壞張緊裝置或使鏈條受力過大以至被拉斷，使輸送線全線癱瘓，不能正常工作。[1]

為克服以上不足，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制精度，本系統(tǒng)采取閉環(huán)控制方式，而要實(shí)現(xiàn)主、副線的同步，則需采用主從控制的隨動系統(tǒng)。系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

某汽車廠焊裝項(xiàng)目輸送由主、副兩條鏈?zhǔn)捷斔途€組成，汽車焊裝工件承載掛車由A點(diǎn)離開主線，進(jìn)入到副線B點(diǎn)時(shí)要求與副線推頭同步，如此可避免在A點(diǎn)的工件積存和工件在B點(diǎn)的等待時(shí)間，不打亂生產(chǎn)線節(jié)奏，提高生產(chǎn)效率。

該系統(tǒng)主、副兩條輸送線分別由兩臺三相異步電動機(jī)驅(qū)動，PLC通過兩臺變頻器分別來控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速以達(dá)到主、副線運(yùn)行同步。主、副線各使用兩個(gè)編碼器，分別測定驅(qū)動電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和對應(yīng)輸送線的實(shí)際傳送線速度，位置傳感器則用于工件掛車的初始定位。

編碼器是將信號或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備，按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個(gè)電信號轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。

主輸送線中，主編碼器、主線速編碼器作為內(nèi)外環(huán)反饋元件與PLC組成了一個(gè)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 主輸送線控制原理框圖

外環(huán)由主線速編碼器測定主輸送線的實(shí)際運(yùn)行速度，與設(shè)定值比較后由PLC的主調(diào)節(jié)器驅(qū)動內(nèi)環(huán)，內(nèi)環(huán)中主編碼器測定主電動機(jī)轉(zhuǎn)速，與主調(diào)節(jié)器輸出比較后驅(qū)動主變頻器控制主電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證主電動機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，并克服主輸送線由于摩擦和磨損等引發(fā)的擾動，消除主線的運(yùn)行速度偏差。

副輸送線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與主輸送線相類似，系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 副輸送線控制原理框圖

副輸送線中同樣以副編碼器、副線速編碼器作為內(nèi)外環(huán)反饋元件與PLC組成了一個(gè)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，由PLC控制，抑制擾動、提高副輸送線運(yùn)行的穩(wěn)定度。與主輸送線不同的是，副輸送線外環(huán)是以主輸送線的實(shí)際運(yùn)行速度即主線速編碼器的輸出為設(shè)定值，也即是說副輸送線的運(yùn)行速度是跟隨主輸送線的實(shí)際運(yùn)行速度而變化的，副輸送線的控制實(shí)際上就是一個(gè)以主輸送線的實(shí)際運(yùn)行速度為輸入值的隨動系統(tǒng)[2]。而因?yàn)橹鬏斔途€的雙閉環(huán)控制保證了主線速度的穩(wěn)定性，作為隨動系統(tǒng)的副輸送線也可避免因跟隨幅度太大而引發(fā)超調(diào)量太大加劇系統(tǒng)振蕩、導(dǎo)致穩(wěn)定性變差的后果[3]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)置

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備層控制核心是一臺美國Rockwell Allen-Bradley公司的1769-L35E CompactLogix5335E PLC。CompactLogix平臺包含有基于Logix平臺的優(yōu)點(diǎn)-通用的編程環(huán)境，通用的網(wǎng)絡(luò)，通用的控制引擎，結(jié)構(gòu)緊湊，有極高的性能和可擴(kuò)展性。

控制電動機(jī)的變頻器選用Rockwell Allen-Bradley公司的PowerFlex 70變頻器。PowerFlex系列變頻器是包含電源、控制和操作員界面的緊湊型設(shè)備，易于集成和配置，可與Logix平臺進(jìn)行無縫集成，大大節(jié)省配置和故障診斷時(shí)間。

主、副編碼器為SEW電機(jī)自帶；主、副線線速編碼器采用德國P+F公司的脈沖數(shù)為1000 p/r增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，RVI58N-011ABR61N-01000。各編碼器的A、B相分別接入PLC高速計(jì)數(shù)通道，由PLC讀取并進(jìn)行運(yùn)算比較，同時(shí)將調(diào)節(jié)信號送入變頻器控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證主副兩條輸送線的同步穩(wěn)定運(yùn)行。

系統(tǒng)相關(guān)信號通過Devicenet現(xiàn)場總線傳輸。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試主要考慮主、副位傳感器即鏈條之間轉(zhuǎn)載傳感器位置的調(diào)試、高速計(jì)數(shù)模塊配置和編碼器數(shù)據(jù)的采集處理等問題。

兩條輸送線的同步運(yùn)行，要考慮到工件的順利轉(zhuǎn)接，不能造成頻繁的故障停線。即工件從主線進(jìn)入副線時(shí)、工件到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，能夠順利與推頭嚙合進(jìn)入副線鏈條運(yùn)行，這需要設(shè)置同步基點(diǎn)位置。主、副兩條輸送線各設(shè)定一位置傳感器作為同步檢測開關(guān)。

初次啟動時(shí)，主、副輸送線分別單獨(dú)運(yùn)行，此時(shí)主、副線編碼器不參與同步調(diào)節(jié)控制，系統(tǒng)為單閉環(huán)控制。當(dāng)主、副輸送線各自運(yùn)行感應(yīng)到相應(yīng)的主、副位傳感器（同步檢測開關(guān)）時(shí)，單一輸送線停止運(yùn)行[4]。只有當(dāng)兩輸送線同步檢測開關(guān)同時(shí)感應(yīng)時(shí)，即主、副線鏈條完成同步調(diào)整后，系統(tǒng)才滿足同步起動需求，進(jìn)入聯(lián)動模式，兩輸送線同頻率起動，主、副線編碼器參與調(diào)解控制，形成雙閉環(huán)控制，兩輸送線進(jìn)入同步運(yùn)行。

主、副兩輸送線之間的轉(zhuǎn)載通過摩擦輪來過渡。如果出現(xiàn)摩擦輪打滑，就可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)載不成功及鏈條滿量停止，此時(shí)兩條鏈條同時(shí)停止，需要通過人為干預(yù)消除故障。

高速計(jì)數(shù)模塊的配置過程中要注意可能由于個(gè)別參數(shù)設(shè)置有誤而導(dǎo)致無法采集數(shù)據(jù)。

在運(yùn)行過程中可能由于機(jī)械等原因而出現(xiàn)累計(jì)誤差過大，主、副線編碼器反饋差值過大，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。每次鏈條觸發(fā)同步檢測信號時(shí)，都給編碼器清零一次，這樣可以避免長時(shí)間運(yùn)行時(shí)誤差的累積。

在系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，超出可調(diào)控范圍時(shí)，PLC根據(jù)主、副線編碼器差值反饋信號，對系統(tǒng)進(jìn)行重新同步啟動。

5 結(jié)束語

對于鏈?zhǔn)诫p輸送線的同步控制，采用開環(huán)或者單閉環(huán)控制都很難獲得良好的控制精度，不能消除系統(tǒng)隨時(shí)間增加的累積偏差。而采用雙閉環(huán)及隨動控制系統(tǒng)，利用編碼器分別檢測主、副兩條輸送線的實(shí)際運(yùn)行速度，并由PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制，保證了響應(yīng)的穩(wěn)定性和快速性，能夠獲得令人滿意的控制效果。在某汽車廠的運(yùn)行結(jié)果表明，該同步控制系統(tǒng)運(yùn)行正常、性能良好，完全達(dá)到系統(tǒng)的控制要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 李香娜，尤文強(qiáng).汽車輸送線雙機(jī)同步自動控制系統(tǒng)的研究

[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，06（1）：52-54.

[2] 張寧，馮禹.家禽加工懸掛輸送線的同步控制[J].肉類工業(yè)，

2010，09：3-7.

[3] 潘峰.PLC、編碼器和變頻器實(shí)現(xiàn)同步控制的一種方法[J].電

氣時(shí)代，2008，01：A20-A21.

[4] 黃建春，等.基于PLC的牲豬屠宰生產(chǎn)線三線同步控制[A].測

控技術(shù)，2012，08：43-45.

作者簡介：

孫 偉（1967-），男，本科，講師/工程師.研究領(lǐng)域：過程控制技

術(shù).