程控行車移動(dòng)功能的控制設(shè)計(jì)與應(yīng)用

0引言

程控行車是客車/卡車車架、工程機(jī)械涂裝車間輸送系統(tǒng)的重要設(shè)備之一,主要作用是搬運(yùn)和定位工件,特別是在涂裝前處理電泳工藝段用于輸送傳遞大工件產(chǎn)品。程控行車在輸送傳遞的過程中需要移動(dòng)至多個(gè)工藝工位進(jìn)行工件產(chǎn)品處理,根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同,須采用合理的檢測(cè)和控制方案,保證程控行車在移動(dòng)過程中的穩(wěn)定性和最終定位的準(zhǔn)確性。

1程控行車的組成和特點(diǎn)

1.1 程控行車的組成

程控行車通常由龍門架、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、供電裝置、安全裝置及電控系統(tǒng)等組成,如圖1所示。

具體來說,程控行車的基礎(chǔ)是龍門架,它負(fù)責(zé)提供整個(gè)行車結(jié)構(gòu)的支撐,作為程控行車的主體結(jié)構(gòu),龍門架通常由鋼材焊接而成,具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,用于支撐和固定行車的各個(gè)部件。移動(dòng)機(jī)構(gòu)則安裝在龍門架上,為行車提供平移的動(dòng)力。移動(dòng)機(jī)構(gòu)通常由電機(jī)、減速機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪等組成,位于行車兩端,由兩臺(tái)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。升降機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)控制和操作貨物的提升和降落,通常由電機(jī)、減速機(jī)、卷筒等組成。供電裝置為行車提供電力支持,通常包括柔性電纜、滑觸線等^[1]。安全裝置則用于在操作過程中保證人員的安全,如遇緊急情況,可以立即采取相應(yīng)措施,安全裝置通常包括急停按鈕、限位開關(guān)、安全光幕等。電控系統(tǒng)是整個(gè)行車的控制中樞,它控制和協(xié)調(diào)各個(gè)部件的運(yùn)行,由PLC、檢測(cè)傳感器、變頻器、控制電路等組成。

1.2 程控行車的特點(diǎn)

程控行車承載大,適合重型工件的搬運(yùn);生產(chǎn)節(jié)拍和工件尺寸都相同的情況下,程控行車相比于鏈條輸送方式,可縮短設(shè)備長(zhǎng)度;在涂裝前處理電泳工藝段,程控行車的輸送方式可減少工藝槽容積,進(jìn)而減少化學(xué)品用量;程控行車可通過調(diào)整吊具來實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品的共線生產(chǎn),具有較高的柔性。

2程控行車移動(dòng)位置的檢測(cè)方式

程控行車的兩端配置2臺(tái)平移電機(jī),行車的移動(dòng)由2臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成。行車的控制系統(tǒng)由PLC進(jìn)行程序運(yùn)行控制,行車的移動(dòng)位置需要通過檢測(cè)傳感器進(jìn)行檢測(cè)反饋。

2.1 認(rèn)址條檢測(cè)方式

確定行車需要定位停止的每個(gè)位置,在該位置的行車軌道外側(cè)安裝金屬認(rèn)址條,用來感應(yīng)行車兩端的開關(guān)o每個(gè)位置的認(rèn)址條包含正轉(zhuǎn)減速條、反轉(zhuǎn)減速條、位置碼條。位置碼條由多個(gè)金屬條通過8421碼的組合方式進(jìn)行配置。

位置碼和8421碼對(duì)應(yīng)值如表1所示。

在程控行車行走機(jī)構(gòu)的兩端分別安裝接近開關(guān),開關(guān)功能包括正/反向減速、行車位置碼的編碼。一個(gè)開關(guān)作為行車正向運(yùn)行減速觸發(fā)開關(guān),一個(gè)開關(guān)作為行車反向運(yùn)行減速觸發(fā)開關(guān);根據(jù)行車需要定位的位置編碼,通過8421碼排列方式推算定位開關(guān)數(shù)量,開關(guān)被感應(yīng)到信號(hào)為1,否則為0。

認(rèn)址條的檢測(cè)方式適合低成本應(yīng)用場(chǎng)景,通過幾個(gè)接近開關(guān)即可完成對(duì)行車運(yùn)行位置的定位。 但認(rèn)址條的檢測(cè)方式只能確定程控行車在每個(gè)工位的最終停止位置,不能對(duì)移動(dòng)過程中的具體位置做出檢測(cè),無法進(jìn)行位置實(shí)時(shí)跟蹤,也無法在程控行車移動(dòng)過程中進(jìn)行兩端位置的同步校準(zhǔn)。 如果在運(yùn)行過程中出現(xiàn)行車兩側(cè)偏差距離過大的情況,控制系統(tǒng)無實(shí)時(shí)位置信息,無法報(bào)警停機(jī),可能會(huì)損壞行車機(jī)械設(shè)備,存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2編碼尺檢測(cè)方式

編碼尺檢測(cè)系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成:讀碼器、編碼尺、接口模塊。編碼尺檢測(cè)的工作原理是讀碼器根據(jù)光電原理在編碼尺上讀碼,以確定被測(cè)物位置。當(dāng)讀碼器在編碼尺上移動(dòng)時(shí),每0.8 mm會(huì)給出一個(gè)定位編碼,讀碼器內(nèi)部的微處理器負(fù)責(zé)把48對(duì)發(fā)射/接收LED的測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)化成一個(gè)19位編碼。通過接口模塊,把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)總線協(xié)議,如Profinet、 Ethernet/IP等,將位置數(shù)據(jù)傳給PLC進(jìn)行處理。 編碼尺選用不銹鋼材料的,對(duì)機(jī)械強(qiáng)度和抗腐蝕要求高的場(chǎng)合有較高適應(yīng)性,適合涂裝車間的環(huán)境要求。

涂裝車間的程控行車,根據(jù)工藝要求配置,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一段行車軌道上有數(shù)臺(tái)共軌行車運(yùn)行。在行車的兩條軌道側(cè)邊各安裝一條編碼尺,用作位置標(biāo)識(shí)。編碼尺盡量選用相同位置的編碼段,對(duì)于同一水平位置,若讀取的編碼位置有差別,可通過PLC程序進(jìn)行偏移量修正,使得程控行車在同一水平位置兩側(cè)的實(shí)際位置數(shù)據(jù)是相同的。 每臺(tái)行車的兩端各安裝一個(gè)讀碼器,每臺(tái)行車共2個(gè)讀碼器。數(shù)臺(tái)共軌行車,每臺(tái)行車兩側(cè)均配置讀碼器,每一側(cè)的讀碼器讀取同一條編碼尺的位置信息。程控行車編碼尺檢測(cè)方 式所需的基本傳感器配置方式如圖2所示。

2.3 激光測(cè)距檢測(cè)方式

激光測(cè)距檢測(cè)系統(tǒng)主要由2個(gè)部分組成:激光測(cè) 距傳感器、反射鏡。 由激光測(cè)距傳感器對(duì)準(zhǔn)發(fā)射鏡發(fā)出激光脈沖,經(jīng)過反射鏡后有部分散射光返回到傳感器,通過記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間,即可測(cè)定目標(biāo)距離^[2]。激光測(cè)距傳感器再將測(cè)得的距離數(shù)據(jù)通過接口,如4~20 mA、IO—Link、Profinet等傳遞給PLC。

在程控行車兩條軌道的同一側(cè)端頭,在相同水平位置固定安裝反射鏡,以反射鏡位置為起始位。將激光測(cè)距傳感器安裝在程控行車行走機(jī)構(gòu)的兩端,在同一水平位置,將傳感器發(fā)射口正對(duì)反光鏡,以保證行車兩側(cè)在軌道的位置數(shù)據(jù)是相同的。如果傳感器讀取的兩側(cè)位置數(shù)據(jù)有偏差,可通過PLC程序進(jìn)行偏移量修正。

激光測(cè)距檢測(cè)方式相比于編碼尺檢測(cè),安裝的便利性更高,而且設(shè)備安裝精度要求相比于讀碼器更低。但激光測(cè)距也有其局限性,因?yàn)槊颗_(tái)程控行車均需要檢測(cè)兩端位置,激光測(cè)距傳感器照射同一塊反射鏡會(huì)造成同一路徑上設(shè)備間的相互遮擋。若有多臺(tái)共軌程控行車,則需要將每組激光測(cè)距傳感器和反射鏡錯(cuò)位安裝,以保證激光發(fā)射路徑不被遮擋。所以,激光測(cè)距適合只有一臺(tái)程控行車的輸送系統(tǒng),對(duì)于數(shù)臺(tái)共軌行車的輸送系統(tǒng),激光測(cè)距的檢測(cè)方式安裝工作量較大,且可能造成信號(hào)干擾。

3程控行車移動(dòng)功能的同步運(yùn)行控制

程控行車移動(dòng)運(yùn)行中,除了保證在工藝位置停止時(shí)兩側(cè)行走機(jī)構(gòu)停止位置準(zhǔn)確,還需要保證在移動(dòng)行走過程中行車兩側(cè)的位置同步。程控行車行走不同步會(huì)導(dǎo)致行車軌道受到擠壓,產(chǎn)生啃軌現(xiàn)象,導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備變形,增大電氣元器件功率損耗,甚至導(dǎo)致行車脫軌。

3.1 PLC程序計(jì)算控制實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行

程控行車兩端的行走電機(jī)分別配置單獨(dú)的變頻器控制,1#變頻器驅(qū)動(dòng)1#電機(jī),2#變頻器驅(qū)動(dòng)2#電機(jī)。PLC程序輸出頻率給兩個(gè)變頻器,1#變頻器輸入頻率為行走頻率,2#變頻器輸入頻率為以行走頻率為基準(zhǔn)進(jìn)行修改后的修正頻率。當(dāng)2#電機(jī)側(cè)的測(cè)距系統(tǒng)得到的位置數(shù)據(jù)比1#電機(jī)側(cè)的慢2~5 cm時(shí),則2#變頻器的修正頻率為行走頻率+2 Hz;當(dāng)2#電機(jī)側(cè)的測(cè)距系統(tǒng)得到的位置數(shù)據(jù)比1#電機(jī)側(cè)的慢5~10 cm,則2#變頻器的修正頻率為行走頻率+4 Hz;當(dāng)2#電機(jī)側(cè)的測(cè)距系統(tǒng)得到的位置數(shù)據(jù)比1#電機(jī)側(cè)的快2~5 cm,則2#變頻器的修正頻率為行走頻率-2 Hz。

根據(jù)行車兩端絕對(duì)位置數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)對(duì)比,設(shè)置

一定位置差區(qū)間的修正頻率增減數(shù)值,通過PLC程序?qū)?#變頻器的輸入頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)修改,以保證行車兩端在一定范圍內(nèi)的同步。該控制方式的優(yōu)點(diǎn)是不需要增加額外的配置,通過PLC程序算法控制變頻器頻率變化來實(shí)現(xiàn)行車同步運(yùn)行。PLC程序中設(shè)定的位置差區(qū)間和頻率的增減量,不同的行車需要進(jìn)行多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)試得到。

3.2 變頻器主從控制實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行

兩臺(tái)行走電機(jī)各自配置變頻器,兩臺(tái)變頻器通過光纖連接,在主、從電機(jī)末端安裝絕對(duì)值編碼器,組成主從控制系統(tǒng)。PLC與變頻器之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線連接。PLC通過控制網(wǎng)實(shí)現(xiàn)2臺(tái)電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)/停止、主變頻器的速度給定,完成相關(guān)設(shè)備邏輯、報(bào)警等處理程序。主變頻器接收PLC發(fā)出的命令字、速度等信號(hào),同時(shí)把自身運(yùn)行速度值、位置值等數(shù)據(jù)通過光纖發(fā)送給從變頻器。

主變頻器設(shè)置為速度控制方式,從變頻器設(shè)置為速度位置跟隨控制方式,在速度控制的同時(shí)使能位置環(huán)進(jìn)行位置補(bǔ)償。從變頻器的給定速度來自主電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行速度,速度反饋來自所控制電機(jī)的編碼器反饋速度,從變頻器的位置環(huán)的位置給定來自主電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前位置值,位置環(huán)的反饋來自所控制電機(jī)的軸的旋轉(zhuǎn)實(shí)際位置。主變頻器把相關(guān)數(shù)據(jù)通過光纖傳給從變頻器,這樣從變頻器可以將主變頻器的輸出電流和 自身輸出電流對(duì)比后進(jìn)行PID調(diào)節(jié),運(yùn)算結(jié)果疊加到從變頻器的速度上,以實(shí)現(xiàn)主從變頻器的力矩平衡^[3]。從變頻器跟隨主變頻器運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)同步控制。主從控制的方式能實(shí)現(xiàn)從電機(jī)快速、精確地跟隨主電機(jī),減少因行車不同步造成的設(shè)備故障。

3.3 兩種同步運(yùn)行控制方式的測(cè)試對(duì)比

在工程現(xiàn)場(chǎng)對(duì)兩種控制方式進(jìn)行了測(cè)試,通過 PLC讀取了變頻器和讀碼器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),并進(jìn)行歸檔分析。

采用PLC程序計(jì)算控制的程控行車運(yùn)行位置情況如圖3所示。以程控行車左側(cè)電機(jī)為主,設(shè)定固定頻率運(yùn)行,右側(cè)電機(jī)作為跟隨電機(jī)。當(dāng)主電機(jī)側(cè)行走位置產(chǎn)生變化,跟隨電機(jī)位置跟隨,但有明顯的跟隨位置差和跟隨時(shí)間間隔。

程控行車兩側(cè)電機(jī)變頻器輸出頻率如圖4所示。采用PLC程序計(jì)算的控制方式,固定左側(cè)電機(jī)頻率,右側(cè)電機(jī)因跟隨位置需實(shí)時(shí)調(diào)整的緣故,變頻器輸出頻率變化比較頻繁。

采用變頻器主從控制的行車兩側(cè)讀碼器位置曲線如圖5所示。程控行車兩側(cè)讀碼器的位置曲線重合性較好,相比于PLC程序計(jì)算的控制方式,當(dāng)主電機(jī)側(cè)位置有變化時(shí),跟隨電機(jī)側(cè)的位置反應(yīng)更快,位置差更小。

PLC程序計(jì)算的控制方式成本較低,但響應(yīng)速度相對(duì)較慢;變頻器主從控制的控制方式成本稍高,但跟隨過程中響應(yīng)速度更快、實(shí)時(shí)性更好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文探討的幾種位置檢測(cè)和運(yùn)行控制方式,可以在程控行車移動(dòng)功能的控制系統(tǒng)中使用。實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí),可根據(jù)設(shè)備和生產(chǎn)工藝的實(shí)際情況,選取兼顧經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)方案。

[參考文獻(xiàn)]

[1]劉杰.行車程控式自動(dòng)控制處理技術(shù)研究與設(shè)計(jì)[J].新疆有色金屬,2014,37(增刊1):161-162.

[2]李戰(zhàn)勝,李智,秦嶺.激光測(cè)距在帶鋼爐內(nèi)微張力的PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用 [J].武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2012,31 (2):58-61.

[3]王曉芳.變頻器同步控制解決方案[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2014(30):99.

2024年第21期第11篇