江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張建蓉 無錫市英達(dá)自動化設(shè)備有限公司 錢雄偉
摘要:本文介紹了三臺電機(jī)同步控制的幾種方案,重點(diǎn)分析了 PLC及變頻器在懸掛輸送鏈電機(jī)同步控制中的應(yīng)用。由于使用了位置與速度雙閉環(huán)控制及觸摸屏顯示,系統(tǒng)具有安全可靠、功能完善、操作簡便等優(yōu)點(diǎn),取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞: “同步控制” 、“ 懸掛輸送鏈”、“可編程控制器PLC”、“變頻器”、“觸摸屏POD”。
一、前言:
懸掛鏈輸送線是根據(jù)用戶合理的工藝線路,以理想的速度實(shí)現(xiàn)車間內(nèi)部、車間與車間之間連續(xù)輸送物品達(dá)到自動化、半自動化流水線作業(yè)的理想設(shè)備。可在三維空間作任意布置,能起到空中儲存作用,節(jié)省地面使用場地,懸掛輸送鏈以其輸送距離遠(yuǎn),運(yùn)行速度范圍大和轉(zhuǎn)彎、爬越、布置靈活等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于噴涂、烘干、表面清洗、電鍍、裝配和產(chǎn)品傳輸轉(zhuǎn)運(yùn)等領(lǐng)域.
鏈條是輸送機(jī)鏈的牽引部件,普通懸掛輸送鏈有兩種型式的鏈條,即模鍛可拆鏈和沖壓可拆鏈,以上兩種形式鏈條除了作直線運(yùn)動外,均能在水平方向、垂直方向任意回轉(zhuǎn), 相比之下, 模鍛可拆鏈的吊掛能力較大。在輸送鏈較長,并且重載和爬越高度大、轉(zhuǎn)彎多等情況下,一般都分成幾個部分,由二臺或三臺或者更多電機(jī)分別驅(qū)動。
在輸送鏈分成幾個部分時,在每一部分都有1對張緊伸縮節(jié)(正常時約7至10厘米長),如這一部分的鏈條的速度小于其它部分的速度,張緊伸縮節(jié)的距離會被壓縮,如距離被壓縮完后鏈條會在某一點(diǎn)發(fā)生堆積產(chǎn)生冗余進(jìn)而造成輸送鏈停車,反之,如這一部分的鏈條的速度大于其它部分的速度,它的距離會增大,如超過一定程度甚至鏈條會被拉斷。因此,要保證輸送鏈能正常工作,每一部分輸送鏈的移動速度必須相同,也就是同步,否則各個電機(jī)在所承擔(dān)的負(fù)荷畸輕畸重情況下速度差異很大,設(shè)備無法正常運(yùn)行。
前不久,我們承接了這樣一條輸送鏈(模鍛可拆鏈)驅(qū)動的設(shè)計(jì)制作,在這里談一下PLC、變頻器及POD觸摸屏在懸掛輸送鏈電機(jī)同步控制中的應(yīng)用。
二、 任務(wù)要求:
1.輸送鏈長度560米,最高運(yùn)行速度6米/分.工作時間一星期七天,每天16小時, 工作環(huán)境溫度0-40度。最大吊掛重量100千克/80厘米, 整線最大吊掛重量70噸。
2.輸送鏈整線分成3個部分,由三臺功率為3KW的電機(jī)分別驅(qū)動,要求3個部分的輸送鏈要同步運(yùn)行。
三、同步控制方案與論證
(一)方案
1.簡單的把要控制的三個電機(jī)的功率加起來乘一個1.2到1.5之間的系數(shù),以此數(shù)值選一變頻器,用這一臺變頻器直接驅(qū)動三臺電機(jī)。
2.用市面有售的同步控制器,用同步控制器發(fā)速度指令給三臺變頻器,每臺變頻器驅(qū)動一臺電機(jī)。
3.用三臺變頻器,在一號電機(jī)上加PG卡及編碼器(增量式A、B相,PC、12/15v 1024p/r),
以1#電機(jī)為主電機(jī),2#、3#電機(jī)以1#電機(jī)速度為基準(zhǔn);方向指令同時加到三臺變頻器。1#電機(jī)矢量控制方式閉環(huán)運(yùn)行,2#電機(jī)、3#電機(jī)開環(huán)v/f控制加轉(zhuǎn)差補(bǔ)償。
4. 用三臺變頻器,在每個電機(jī)上加PG卡及編碼器(規(guī)格同上),1#電機(jī)為主電機(jī),2#、3#電機(jī)以1#電機(jī)速度、轉(zhuǎn)矩為基準(zhǔn);方向指令同時加到三臺變頻器。1#電機(jī)以速度控制方式閉環(huán)運(yùn)行,2#電機(jī)、3#電機(jī)以轉(zhuǎn)矩控制方式閉環(huán)運(yùn)行。
5.用PLC控制,控制轉(zhuǎn)速的指令由PLC的DA轉(zhuǎn)換模塊以直流0-10V形式向驅(qū)動電機(jī)的變頻器發(fā)出,在每一個電機(jī)用編碼器或測速齒輪加接近開關(guān)測量其實(shí)際轉(zhuǎn)速并反饋給PLC,以第一電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn), PLC根據(jù)測量到的2#電機(jī)、3#電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速經(jīng)運(yùn)算處理后向控制2#電機(jī)和3#電機(jī)的變頻器發(fā)出修正指令,保證3臺電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速趨于一致。
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在實(shí)際運(yùn)行中輸送鏈負(fù)載的變化是很大的,首先, 因?yàn)樵谳斔玩溨写嬖谵D(zhuǎn)彎、高度升降,即使在輸送鏈在空載時三個電機(jī)的負(fù)載也不是完全相等的,在生產(chǎn)過程中變化更大,尤其是在開始生產(chǎn)也就是向空線吊掛工件時(此時1#電機(jī)負(fù)載大于2#電機(jī)、而2#電機(jī)負(fù)載大于3#電機(jī))以及生產(chǎn)結(jié)束開始也就是向輸送鏈不掛只卸工件時(此時3#電機(jī)負(fù)載大于2#電機(jī)、而2#電機(jī)負(fù)載大于1#電機(jī))及在換品種(新工件與老工件重量有差異)也會發(fā)生以上的情況。
(三)論證
第一種方法和第二種方法均是開環(huán)控制。第一種方法只適用于各電機(jī)負(fù)載相同和同步要求不太高的場合,第二種方法實(shí)際上只是把同一個速度給定信號簡單復(fù)制幾份或者按比例復(fù)制幾份加到相應(yīng)變頻器上,它只適用于各電機(jī)負(fù)載相同或各電機(jī)負(fù)載不相同但負(fù)載不變而且同步要求不太高的場合。
第三種方法是半閉環(huán)控制,控制精度好于前兩種,但也只適用于各電機(jī)負(fù)載相同或各電機(jī)負(fù)載不相同但負(fù)載不變而且同步要求不太高的場合。
第四種控制方式和第五種控制方式均是閉環(huán)控制,都能滿足控制要求。比較起來,第四種控制方式以控制轉(zhuǎn)矩為主,追求各電機(jī)轉(zhuǎn)矩及速度同步,同步精度高一些,但配置價格較高;第五種控制方式以控制各電機(jī)速度為主,同步精度稍差一些,但配置價格較經(jīng)濟(jì),因此,我們在經(jīng)反復(fù)比較和考慮后決定采用第五種控制方式。
由于560米長的懸掛輸送鏈?zhǔn)怯?000多節(jié)40厘米長的鏈條聯(lián)接而成,在吊掛工件后鏈條會有一些伸長,在懸掛輸送鏈有兩段溫度高達(dá)攝氏150度以上,還有幾段涼水噴淋或強(qiáng)迫風(fēng)冷的地方,溫度因數(shù)也會造成鏈條伸長或收縮,由于鏈條節(jié)數(shù)較多,即使每節(jié)微小長度的變化累積起來也會使三臺實(shí)際轉(zhuǎn)速同步的電機(jī)驅(qū)動的三部分鏈條的移動速度不相同。為此,必須對同步控制作一些修正,我們在每一個張緊伸縮節(jié)處安裝了四個接近(限位)開關(guān)(稍快,很快, 稍慢,很慢),PLC根據(jù)每一個張緊伸縮節(jié)處的開關(guān)接通狀況發(fā)出相應(yīng)的修正指令
嚴(yán)格地說三電機(jī)同步實(shí)際上也不是完全同步,只是三電機(jī)趨向同步,是一個差異調(diào)整再差異再調(diào)整的過程。
四、硬件配置:
1. 變頻器選擇:考慮到臺達(dá)M系列變頻器具有較好的性能價格比,對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),可靠性較高,并且也考慮變頻器長期運(yùn)行,其功率應(yīng)留有一定的余量,決定采用臺達(dá)VFD037M43B,其輸入電壓為三相380V,輸出功率為3.7千瓦。
2. PLC選擇:為了實(shí)時監(jiān)測和控制三臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速,PLC必須有三路高速計(jì)數(shù)輸入(同時占用3個輸入點(diǎn))和模擬量輸出,“自動運(yùn)行”、“停止” 占用2個輸入點(diǎn),三段輸送鏈張緊伸縮節(jié)位置指示占用15個輸入點(diǎn), 三臺變頻器報(bào)警要占用3個輸入點(diǎn),三臺變頻器使能控制及報(bào)警輸出要占用5個輸出點(diǎn),因此PLC必須具有3點(diǎn)或3點(diǎn)以上的高速計(jì)數(shù)輸入通道,具有23個以上的輸入點(diǎn)和五個輸出點(diǎn),臺達(dá)EH系列PLC具有較高的性能價格比,它采用CPU+ASIC(高速運(yùn)算處理晶片)雙處理器,分工運(yùn)算處理技術(shù),基本指令速度可達(dá)0.24微秒,有四組計(jì)數(shù)頻率可達(dá)200Khz的高速計(jì)數(shù)器,可帶8個擴(kuò)展模塊,功能強(qiáng),能滿足要求, 最后采用的是臺達(dá)EH系列PLC的DVP20EH00R+DVP08H11N+ DVP08H11N+DVP04DA-H,其輸入點(diǎn)為28點(diǎn),輸出點(diǎn)為8點(diǎn),有四路模擬量輸出。輸入和輸出點(diǎn)的地址分配見下表。
PLC輸入和輸出點(diǎn)的地址分配表 |
輸入 |
|
輸出 |
地址 |
說明 |
|
地址 |
說明 |
(主機(jī)) |
Y0 |
第一電機(jī)使能信號 |
X0 |
自動運(yùn)行 |
Y1 |
第二電機(jī)使能信號 |
X1 |
停止 |
Y2 |
第三電機(jī)使能信號 |
X2 |
第一電機(jī)實(shí)際速度反饋輸入 |
|
Y4 |
變頻報(bào)警指示燈 |
X3 |
第二電機(jī)實(shí)際速度反饋輸入 |
Y5 |
第一電機(jī)出位報(bào)警指示燈 |
X4 |
第三電機(jī)實(shí)際速度反饋輸入 |
|
Y6 |
第二電機(jī)出位報(bào)警指示燈 |
X5 |
變頻一報(bào)警輸入 |
Y7 |
第三電機(jī)出位報(bào)警指示燈 |
X6 |
變頻二報(bào)警輸入 |
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X7 |
變頻三報(bào)警輸入 |
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(模擬量輸出單元) |
X10 |
第一電機(jī)稍快信號 |
1通道 |
變頻器一速度指令 |
X11 |
第一電機(jī)很快信號 |
2通道 |
變頻器二速度指令 |
X12 |
第一電機(jī)稍慢信號 |
3通道 |
變頻器三速度指令 |
X13 |
第一電機(jī)很慢信號 |
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(擴(kuò)展一) |
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X20 |
第二電機(jī)稍快信號 |
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X21 |
第二電機(jī)很快信號 |
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X22 |
第二電機(jī)稍慢信號 |
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X23 |
第二電機(jī)很慢信號 |
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X24 |
第一電機(jī)出位報(bào)警 |
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X25 |
第二電機(jī)出位報(bào)警 |
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X26 |
第二電機(jī)出位報(bào)警 |
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(擴(kuò)展二) |
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X30 |
第三電機(jī)稍快信號 |
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X31 |
第三電機(jī)很快信號 |
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X32 |
第三電機(jī)稍慢信號 |
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X33 |
第三電機(jī)很慢信號 |
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表1 地址分配表
○1 POD采用臺達(dá)的DOP-A57CSTD(屏幕為5.7吋),用于設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速,顯示三臺電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速及張緊伸縮節(jié)的狀況。
○2 由于在電機(jī)及減速機(jī)是訂購的成品,在電機(jī)軸上安裝編碼器時同軸度很難達(dá)到規(guī)定要求,不得已,選用測速齒輪加接近開關(guān)這種測速方式,經(jīng)測算測速齒輪齒數(shù)為60齒接近開關(guān)的最大應(yīng)答頻率應(yīng)大于1.5Khz,我們采用了OMRON的E2E系列的接近開關(guān),其最大應(yīng)答頻率為2Khz,可以滿足使用要求。
控制系統(tǒng)原理圖見 圖1 控制系統(tǒng)原理圖
圖1 控制系統(tǒng)原理圖
控制系統(tǒng)流程圖見 圖2 控制系統(tǒng)流程圖。
五、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能
當(dāng)把“自動運(yùn)行”按鈕按下時,三個電機(jī)同時啟動,輸送鏈開始移動,為了減少沖擊力,電機(jī)緩慢起動后,先在低速運(yùn)行3秒,然后加速至設(shè)定速度運(yùn)行。在運(yùn)行過程中,開始時,PLC的模擬量輸出單元給每個控制電機(jī)的變頻器的速度指令是相同的,之后,PLC每0.5秒對三個電機(jī)采集一次實(shí)際轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù),以第一臺為基準(zhǔn)對其他兩臺電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較,算出差額,經(jīng)CPU處理后,再向控制第二臺和第三臺電機(jī)的變頻器發(fā)出修正后的速度指令,使其的速度與第一臺的速度趨于一致。
PLC在某一部分的“稍快”開關(guān)接通時,即將相應(yīng)的電機(jī)的轉(zhuǎn)速以設(shè)定轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)增加3%,如果這個信號未消失,那么以后每0.5秒將相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速增加1%;PLC在某一部分的“很快”開關(guān)接通時,即將相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速以設(shè)定轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)增加9%,如果這個信號未消失,那么以后每0.5秒將相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速增加3%,直至信號消失。反之,PLC在某一部分的“稍慢”開關(guān)接通時,即將相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速以設(shè)定轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)減少3%,如果這個信號未消失,那么以后每0.5秒將相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速減少1%;PLC在某一部分的“很慢”開關(guān)接通時,即將相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速以設(shè)定轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)減少9%,如果這個信號未消失,那么以后每0.5秒將相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速減少3%,直至信號消失。
懸掛輸送鏈的幾個部分速度不同步或由于機(jī)械原因造成鏈條滑輪卡死會造成張緊伸縮節(jié)處拉伸或壓縮過度,從而引起機(jī)械故障,為此,我們在每一個張緊伸縮節(jié)處安裝了一個極限位開關(guān),它可在張緊伸縮節(jié)處拉伸或壓縮達(dá)到一定程度時停止整線的運(yùn)行,另外,如果三臺變頻器的一臺報(bào)警,整線的運(yùn)行也將停止,這樣可有效地避免引起機(jī)械故障。
輸送鏈在非正常情況下(指輸送鏈只有半條線掛工件時)停車,此時由于嚴(yán)重受力不均,有的部分鏈條會被拉伸,有的則被壓縮, 使張緊伸縮節(jié)處于報(bào)警狀態(tài),筆者見過的同類型的懸掛輸送鏈碰到此類情況是靠人工干預(yù)后才能重新起動。我在程序中編了一個子程序,首先
識別報(bào)警是否在運(yùn)行中發(fā)生,如是,則需在人工干預(yù)查出故障后才能重新起動,如不是,則PLC根據(jù)得到張緊伸縮節(jié)處的狀況指示,先調(diào)整各個電機(jī)的啟動次序和轉(zhuǎn)速,消除報(bào)警,再轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行,這樣一來既保證了設(shè)備的安全運(yùn)行,又避免了設(shè)備無故停產(chǎn)。
在觸摸屏上可設(shè)定第一電機(jī)的轉(zhuǎn)速(只有特定人員可進(jìn)行此操作),如不重新設(shè)定,每次開機(jī)時執(zhí)行上次已設(shè)定的轉(zhuǎn)速。在觸摸屏上可顯示每個電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速,顯示每一個張緊伸縮節(jié)處的狀況(正常,稍快,很快, 稍慢,很慢),顯示報(bào)警狀況并提示檢修部位。
六、結(jié)語:
臺達(dá)PLC及變頻器和觸摸屏在懸掛輸送鏈電機(jī)同步控制的應(yīng)用使涂裝生產(chǎn)線高效、持久、平穩(wěn)、可靠地運(yùn)轉(zhuǎn),產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益,受到了廣泛的好評。
參考文獻(xiàn)
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作者:張建蓉 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電信系 高工 從事研究方向 工業(yè)自動化控制
電話:13601516631 0510-83296193(辦公) E-mail: zhangjr1980@sohu.com
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錢雄偉 無錫市英達(dá)自動化設(shè)備有限公司 工程師 從事研究方向 工業(yè)自動化控制
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