基于PLC 與編碼器對發(fā)動機流轉(zhuǎn)自行小車前后葫蘆失衡傾斜的改造

安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司重型車分公司 陳良銀

引言

發(fā)動機流轉(zhuǎn)自行小車以其結(jié)構(gòu)緊湊、速度可調(diào)、經(jīng)濟方便等特點，被廣泛應(yīng)用在汽車主機廠總裝車間。特別是商用車制造公司總裝車間發(fā)動機輸送線，基本都采用流轉(zhuǎn)自行小車輸送系統(tǒng)。毫無例外，我公司總裝車間發(fā)動機輸送線也是自行小車輸送系統(tǒng)，承擔(dān)著多種車型發(fā)動機的輸送流轉(zhuǎn)工作。由于其電氣控制系統(tǒng)設(shè)計上的缺陷，該輸送線流轉(zhuǎn)自行小車前/后葫蘆在上升/下降過程中，由于各種原因，出現(xiàn)前/后葫蘆不同步導(dǎo)致失衡傾斜的問題，而且，既沒有失衡檢測與保護(hù)系統(tǒng)，PLC 也沒有輸出報警信號，給現(xiàn)場作業(yè)人員與設(shè)備設(shè)施形成極大的安全威脅。針對這一問題，經(jīng)過細(xì)致的分析、研討，確定并實施了技術(shù)改造方案，最終解決了電控系統(tǒng)設(shè)計上的缺陷，有效保證了現(xiàn)場作業(yè)人員與設(shè)備設(shè)施的安全。

發(fā)動機流轉(zhuǎn)自行小車電控系統(tǒng)介紹

1. 電氣控制系統(tǒng)組成

主要由主控系統(tǒng)（西門子PLC200）、驅(qū)動系統(tǒng)（三菱變頻器E740）、電控執(zhí)行系統(tǒng)（各類接觸器）、電源及轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（包括電源變壓器與斷路器以及轉(zhuǎn)換繼電器）等組成,如圖1 所示。

2. 電控系統(tǒng)的功能與原理

流轉(zhuǎn)自行小車電控系統(tǒng)類似于一個移動的從站系統(tǒng)，被動地接收來自輸送線地面主控柜（主站SIEMENS PLC S7-300 CPU315-2DP）發(fā)出的信號，由隨車PLC（SIEMENS PLC S7-200 CPU226CN）根據(jù)各檢測元件的狀態(tài)執(zhí)行小車運行狀態(tài)和前/后葫蘆的動作。同時，也可以通過地面各工位的手電門，來控制小車和葫蘆的運行。整條輸送線，只有在上料區(qū)域、下料區(qū)域、維修區(qū)域，小車葫蘆才可以上升/下降，其余區(qū)域小車只能作前/后運行。

圖1 電氣控制系統(tǒng)組成

2.1 上料區(qū)域

在自動狀態(tài)下，如果本工位無車時，按一下“要車”按鈕，上一工位的小車會自動進(jìn)入本工位，小車到位后會自動下降。待發(fā)動機懸掛完畢，手動上升一定高度后，按一下“放車”按鈕，小車自動上升到上限位，而后快進(jìn)到下一個工位。如果選擇為手動狀態(tài)，小車到位后不會自動下降，靠手動下降；手動上升到上限位后，按一下“放車”按鈕，小車自動快進(jìn)到下一個工位。升降按鈕具有快慢雙速功能，上料區(qū)域小車升降可以實現(xiàn)快慢速切換。

2.2 下料區(qū)域

在自動狀態(tài)下，下料1 工位無車時，按一下“要車”按鈕，上一個工位小車會自動進(jìn)入本工位。如果下料2 工位有車時，下料1 工位小車到下1 前限位時會自動停止。若下料2 工位無車時，則按一下“放車”按鈕，小車自動快進(jìn)到下料2工位，然后快速上升至上限位，并快速進(jìn)入返回道積放區(qū)域。選擇為手動狀態(tài)時，其小車運行過程同上料區(qū)域的運行過程一樣，所不同的是，下料區(qū)域有兩個下料工位，兩個工位可同時進(jìn)行裝配。下料區(qū)域小車升降也可以實現(xiàn)快慢速切換。

2.3 維修區(qū)域

過渡位無小車時，維修/自動旋鈕轉(zhuǎn)換到“維修”位，操作“合直”/“合彎”按鈕，將小車流轉(zhuǎn)進(jìn)入維修站，對故障小車進(jìn)行檢修。在維修區(qū)域內(nèi)，可以實現(xiàn)小車前進(jìn)/后退、上升/下降、快速/慢速等多種功能檢測與調(diào)整。在積放5 工位無車時，檢修之后的小車可以自動放出維修站，行進(jìn)到下一個工位隨線運行。

存在的問題及原因分析

1. 存在的問題

常規(guī)重卡發(fā)動機總成的凈質(zhì)量一般為1.5T左右，前/后葫蘆分別勾住發(fā)動機的兩個吊耳，分?jǐn)偘l(fā)動機的重量，發(fā)動機兩個吊耳均勻受力。該流轉(zhuǎn)自行小車在上料區(qū)域與下料區(qū)域，在自動上升/下降過程中，由于葫蘆自身損壞、電氣輸出故障或其他原因，導(dǎo)致前/后葫蘆出現(xiàn)不同步、失衡傾斜的現(xiàn)象。當(dāng)前/后葫蘆失衡傾斜后，只有一只吊耳受力，此時受力的吊耳隨時都有斷裂的風(fēng)險；同時，受力那臺葫蘆也有超負(fù)載的風(fēng)險；此外，現(xiàn)場作業(yè)人員的安全也受到致命威脅。小車傾斜故障圖如圖2 所示。

2.失衡傾斜的原因分析

由于設(shè)計上的缺陷，該流轉(zhuǎn)自行小車既沒有前/后葫蘆失衡檢測裝置，也沒有失衡傾斜保護(hù)功能。當(dāng)葫蘆在上升或下降過程中，由于種種原因引起其中一臺葫蘆停轉(zhuǎn)，而另一臺葫蘆則會繼續(xù)升降，很容易導(dǎo)致前/后葫蘆失衡傾斜。從電氣控制功能與目標(biāo)來分析，很顯然不符合電氣控制功能與設(shè)備安全運行要求。

圖2 小車傾斜故障圖

技術(shù)改造方案的提出與實施

1.技術(shù)改造方案的提出與功能要求

1.1 技術(shù)改造方案

針對存在的問題，根據(jù)流轉(zhuǎn)自行小車現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)，我們提出的技術(shù)改造方案是通過增加編碼器檢測裝置、完善失衡傾斜保護(hù)功能，杜絕前/后葫蘆傾斜現(xiàn)象的發(fā)生。

硬件方面，在每一臺葫蘆電機驅(qū)動軸上各安裝一個旋轉(zhuǎn)編碼器。旋轉(zhuǎn)編碼器通過專用的聯(lián)軸器與葫蘆電機驅(qū)動軸相連接，并且，旋轉(zhuǎn)編碼器采用專用的三腳固定支架予以固定，葫蘆在作上升/下降運行時，旋轉(zhuǎn)編碼器隨著電機驅(qū)動軸同步轉(zhuǎn)動，實時檢測葫蘆電機旋轉(zhuǎn)的電脈沖數(shù)值，并將這一模擬量數(shù)值同步反饋給PLC200 系統(tǒng)。

軟件方面，由于現(xiàn)有的PLC200 CPU226CN 具有模擬量運算功能，可以利用現(xiàn)有的PLC 控制系統(tǒng)，在PLC 執(zhí)行程序中編寫前/后葫蘆電機驅(qū)動軸轉(zhuǎn)角檢測功能與失衡傾斜保護(hù)功能程序，PLC 根據(jù)實時檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運算，并且依據(jù)計算的結(jié)果，給出相應(yīng)的輸出指令，從而達(dá)到失衡傾斜保護(hù)的功能。

1.2 技術(shù)改造方案的功能要求

要想達(dá)到技術(shù)改造方案實現(xiàn)的目標(biāo)，必須在軟硬件方面都要滿足功能要求。軟件方面，考慮到PLC200 CPU226CN 具有模擬量運算處理功能，只需要編寫相應(yīng)的檢測與運算以及保護(hù)執(zhí)行程序即可。硬件方面，旋轉(zhuǎn)編碼器既要與葫蘆電機連接固定良好、還要滿足精度要求，同時，還要與控制系統(tǒng)PLC 輸入輸出匹配。為此，我們選定型號為BES50-08S6H-100 旋轉(zhuǎn)編碼器。該增量式旋轉(zhuǎn)編碼器具有高分辨率、強負(fù)載性能、動態(tài)響應(yīng)速度快、寬電壓、性價比高等特點，完全能滿足工作要求，同時還能滿足PLC 輸入輸出電壓和現(xiàn)場多塵與環(huán)境溫度對安全的要求。編碼器相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 編碼器相關(guān)參數(shù)

2.技術(shù)改造方案的實施

2.1 旋轉(zhuǎn)編碼器支架的設(shè)計安裝

由于葫蘆電機驅(qū)動軸外端有3 個φ8mm 預(yù)留孔，該預(yù)留孔的3 個孔距呈等腰三角形，所以，設(shè)計制作的旋轉(zhuǎn)編碼器支架外圓的孔距必須與3 個預(yù)留孔所形成的等腰三角形的孔距相等。旋轉(zhuǎn)編碼器支架內(nèi)圓的孔距與旋轉(zhuǎn)編碼器本體上3 個φ3mm 孔距相等即可?？紤]到扭力的要求，選擇的旋轉(zhuǎn)編碼器支架采用5mm 厚度的普通鋼板。聯(lián)軸器也采用非標(biāo)設(shè)計，為了便于調(diào)節(jié)兩軸（電機驅(qū)動軸與旋轉(zhuǎn)編碼器軸）之間的距離，選擇長度為80mm，且2/3 為螺牙的螺桿設(shè)計。其整體外形如圖3 所示。

圖3 編碼器及其支架

2.2 電氣接線與程序設(shè)計

2.2.1 電氣接線

由于該編碼器屬于增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，故Z相信號線（黃色）無需接入。而葫蘆電機在上升/下降過程中作正/反轉(zhuǎn)動，因此，需將編碼器A/B 相輸出端接入相應(yīng)的點。具體接線方式為編碼器的電源正端信號線（褐色）接24VDC供電正端，編碼器電源負(fù)端信號線（藍(lán)色）接24VDC 供電負(fù)端。前葫蘆編碼器A 相輸出信號線（黑色）接入PLC 輸入端I0.0 點，編碼器B相輸出信號線接入PLC 輸入端I0.1 點；后葫蘆編碼器A 相輸出信號線（黑色）接入PLC 輸入端I0.3 點，編碼器B 相輸出信號線接入PLC 輸入端I0.4點。編碼器的屏蔽線與公共接地端相連。至此，旋轉(zhuǎn)編碼器實現(xiàn)了與PLC 的電氣通信連接。接線圖（部分）如圖4 所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)編碼器接線圖（部分）

2.2.2 程序設(shè)計

在PLC 執(zhí)行程序中增加前/后葫蘆升降脈沖檢測程序、脈沖數(shù)值比較程序、報警輸出程序。以前/后葫蘆上升到位為初始值，前葫蘆的初始值裝入VD0，后葫蘆的初始值裝入VD20。當(dāng)前/后葫蘆開始下降時，脈沖檢測程序隨即進(jìn)入檢測狀態(tài)，實時檢測前/后葫蘆運行時當(dāng)前的脈沖數(shù)值，前葫蘆的當(dāng)前值裝入VD4，后葫蘆的當(dāng)前值裝入VD24；下降的脈沖數(shù)值為正（增量），上升的脈沖數(shù)值為負(fù)（減量），并且，這一數(shù)值在沒有歸零（初始值）前將一直累積。同時，將前/后葫蘆運行的脈沖數(shù)值進(jìn)行比較，前葫蘆的當(dāng)前值與后葫蘆的當(dāng)前值之間的差值裝入VD10；后葫蘆的當(dāng)前值與前葫蘆的當(dāng)前值之間的差值裝入VD30；然后將VD10、VD30 分別與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)VD10、VD30 的脈沖數(shù)≥1000，也就是前/后葫蘆落差≥6cm 時，PLC 終止前/后葫蘆升降動作，同時M10.4 將輸出故障報警信號。此時，只能手動調(diào)整前/后葫蘆狀態(tài)，且必須回到初始值（歸零）才能繼續(xù)自動運行。這樣就能有效避免前/后葫蘆落差過大，杜絕出現(xiàn)單邊受力的不安全狀況。部分程序圖如圖5 所示。

圖5 部分程序圖

結(jié)束語

通過對發(fā)動機流轉(zhuǎn)自行小車前/后葫蘆電機增加旋轉(zhuǎn)編碼器檢測裝置，檢測前/后葫蘆升降的實時狀態(tài)，有效解決了前/后葫蘆因不同步導(dǎo)致失衡傾斜所帶來的安全隱患。并且，該項目進(jìn)行了長時間的跟蹤驗證，有效保護(hù)了現(xiàn)場作業(yè)人員與設(shè)備設(shè)施的安全，取得了良好的社會效益，而且對類似的設(shè)備改造也提供了借鑒作用。