自動化生產(chǎn)線中速度的同步控制原理及應(yīng)用

劉明黎

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南陽 473009）

1 概述

現(xiàn)代工業(yè)，諸如機械制造、電器生產(chǎn)和汽車生產(chǎn)等，都廣泛地使用自動化生產(chǎn)線(Automatic Production Line, APL,以下簡稱生產(chǎn)線)，一方面，它能夠節(jié)約人力等方面的成本，另一方面，它能夠提高生產(chǎn)效率，快速擴大生產(chǎn)規(guī)模。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，離開了自動化生產(chǎn)線的企業(yè)是無法生存的[1]。

在現(xiàn)代化的自動化生產(chǎn)線中，產(chǎn)品和原料的運輸和存儲設(shè)備都廣泛地采用鏈?zhǔn)捷斔蜋C，例如汽車、家電業(yè)、建材和化工等行業(yè)。這類輸送設(shè)備能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)制造業(yè)在生產(chǎn)率和柔性生產(chǎn)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(fù)雜的工藝操作，具有高度的完備性。一般來說，這些鏈?zhǔn)捷斔蜋C可以分為通用型輸送機和積放式輸送機。

雖然鏈?zhǔn)捷斔蜋C給現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)帶來極大的幫助，但同時也帶來了一些問題。在生產(chǎn)線中利用鏈?zhǔn)捷斔蜋C來進行產(chǎn)品輸送的工序時，對生產(chǎn)線的速度同步控制往往是無法避免的，而對速度同步的調(diào)節(jié)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(jù)實際的生產(chǎn)情況，添加相應(yīng)的硬件設(shè)施以及必要的軟件支持，通過這樣的手段來實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線速度的同步控制。

2 同步控制基本理論

2.1 同步調(diào)控方法概述

在實際的生產(chǎn)過程中，各條鏈?zhǔn)捷斔蜋C的控制操作是通過控制相應(yīng)的驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因為這些驅(qū)動裝置提供了自動化生產(chǎn)線的動力和調(diào)節(jié)輸送的速度。所以從某種意義上來說，鏈?zhǔn)捷斔蜋C的速度同步調(diào)節(jié)實際上也就是對電機的運行速度的同步調(diào)節(jié)[2]，調(diào)節(jié)電機速度的方法也就是實現(xiàn)速度同步的方法，這些控制方法如表1所示。

表1 電機調(diào)速控制方法

上表中的同步控制方法應(yīng)該根據(jù)各個企業(yè)實際的情況采取恰當(dāng)?shù)姆椒?，才能夠既滿足生產(chǎn)的需求，又不增加生產(chǎn)本。

2.2 速度同步控制模式概述

在實際的工業(yè)自動化生產(chǎn)線上，鏈?zhǔn)絺魉蜋C上的產(chǎn)品都是以一定的間距分布在生產(chǎn)線上的，電機驅(qū)動傳送機運動，按照規(guī)定的順序完成各個工藝操作，制造出符合質(zhì)量要求的產(chǎn)品[3]。

在整個運行過程中最重要的參數(shù)就是鏈條在運行過程中所承受的總張力與總負(fù)荷，其他因素如輸送線的距離及工藝的繁復(fù)程度也會造成一定影響。鏈條在運行過程中，由于負(fù)荷過大，或者輸送距離過長，導(dǎo)致內(nèi)部張力將鏈條拉斷，導(dǎo)致某些電機獨立運行，與其他電機脫節(jié)，或者出現(xiàn)整個生產(chǎn)線不能正常同步運行的情況。這是實際生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)過程中的情況是非常復(fù)雜的，上述的速度同步調(diào)節(jié)基本方法及速度同步調(diào)節(jié)基本模式只是一個最簡單和最基礎(chǔ)的劃分，企業(yè)還應(yīng)根據(jù)實際的情況采取相應(yīng)方法或者將這些方法混合使用。下面一節(jié)將具體介紹最常用的同步控制實現(xiàn)方法。

3 PLC 指令結(jié)合變頻器方法

3.1 單鏈多機速度同步實現(xiàn)

3.1.1 原理概述

最簡單的單鏈多機輸送系統(tǒng)，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(qū)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(xiàn)摩擦磨損的補償以及鏈條熱脹冷縮的長度調(diào)節(jié)。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(jù)鏈條張力的變化來調(diào)整自己向內(nèi)或者向外移動。但是在實際生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)鏈上個驅(qū)動裝置驅(qū)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(jù)各個張緊裝置的位置變化來檢測整條自動化生產(chǎn)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(cè)按順序安裝三個限位開關(guān)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(tài)。這三個狀態(tài)時推桿的具體位置是是根據(jù)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(yīng)改變。例如，在實際生產(chǎn)過程中有一段輸送鏈上端的驅(qū)動速度比下游的驅(qū)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(qū)動速度比下游的驅(qū)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(dāng)輸送鏈上下游的驅(qū)動速度基本平衡時，裝置保持推桿處于正常位置。

這個系統(tǒng)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(fā)出指令控制變頻器改變工作狀態(tài)，實現(xiàn)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(chǎn)線中，驅(qū)動電機上都只裝有變頻器，把其中一臺驅(qū)動電機作為參考的基準(zhǔn)，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(qū)動電機是需要變速調(diào)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(qū)動電機的接觸器、變頻器的控制器以及各個檢測開關(guān)連接，這樣PLC就可以發(fā)出指令控制各個裝置的工作狀態(tài)。這種方法在一定程度上還可以實現(xiàn)節(jié)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(diào)整，屬于無級變速，盡管各個驅(qū)動電機在工作時是有級變速的。在實際工作前，將各個驅(qū)動電機的檔速調(diào)整為生產(chǎn)所需要的，尤其是作為基準(zhǔn)的電機，這樣才能夠保證生產(chǎn)的順利進行。

3.1.3 控制程序

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

3.2 多鏈同步實現(xiàn)

在一些大型的工業(yè)生產(chǎn)中，往往采取多條輸送鏈的自動化生產(chǎn)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(chǎn)線都將亂套。

多鏈生產(chǎn)的速度同步實現(xiàn)按照速度匹配關(guān)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(chǎn)過程中多鏈速度同步問題多產(chǎn)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(yīng)開關(guān)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(zhǔn)，那么這臺電機的檢測推頭的感應(yīng)開關(guān)只需要一個作為基準(zhǔn)開關(guān)。另一條需要做速度同步調(diào)整的電機可以布置N個感應(yīng)開關(guān)，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(zhǔn)電機的相對位置。當(dāng)生產(chǎn)線運行時，基準(zhǔn)電機會向PLC發(fā)送信號，PLC這時候檢測需同步段感應(yīng)推頭所處的位置，對速度過慢區(qū)域，則發(fā)出加速指令；對速度過快區(qū)域，則發(fā)出減速指令；對速度太快或太慢區(qū)域則發(fā)出讓基準(zhǔn)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(qū)域，則發(fā)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(zhuǎn)化為相應(yīng)的檢測推頭的位置同一性問題。由于將基準(zhǔn)推桿均勻安置在了需同步調(diào)整輸送鏈上，因而相對于基準(zhǔn)電機的同步調(diào)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(xiàn)相應(yīng)的速度同步調(diào)整功能。這里的雙鏈速度同步調(diào)整時間上也是采用上述的PLC指令以及變頻調(diào)速方法。

4 結(jié)論

這篇文章對自動化生產(chǎn)線的速度同步實現(xiàn)的簡介具有普遍的意義，其中介紹的在實際生產(chǎn)過程中需要的兩種速度同步調(diào)整，輸送鏈單鏈多機同步和多鏈同步具有重要的現(xiàn)實意義，它采用PLC以及變頻調(diào)速相結(jié)合，簡單、準(zhǔn)確、可靠、實用性強。盡管目前有很多關(guān)于自動化生產(chǎn)線速度同步控制實現(xiàn)理論的技術(shù)和文章，但筆者仍希望這篇文章對從事這方面技術(shù)的工程技術(shù)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(zhuǎn)鏈方式[J].起重運輸機械, 1998.(4).

[2]黃筱調(diào), 趙松年.機電一體化技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].成都:機械工業(yè)出版社, 2000.5.

[3]張之儀, 吳葵.機械化運輸設(shè)計手冊[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 1997.4.