程控行車移動功能的控制設計與應用

摘要：通過對涂裝車間程控行車組成特點的分析，提供不同的行車移動位置的檢測方式，配合PLC和變頻器組成的驅(qū)動控制系統(tǒng)對行車兩側(cè)行走移動電機進行控制，以達到行車兩側(cè)同步運行的控制效果。通過程序計算、主從同步控制的方式，為程控行車的移動定位提供快速、精準的控制，并根據(jù)需求提供經(jīng)濟性和控制精度相對較高的方案。

關(guān)鍵詞：程控行車；位置檢測；同步運行；主從控制

中圖分類號：TP273" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）21-0047-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.21.011

0" " 引言

程控行車是客車/卡車車架、工程機械涂裝車間輸送系統(tǒng)的重要設備之一，主要作用是搬運和定位工件，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至多個工藝工位進行工件產(chǎn)品處理，根據(jù)應用場景的不同，須采用合理的檢測和控制方案，保證程控行車在移動過程中的穩(wěn)定性和最終定位的準確性。

1" " 程控行車的組成和特點

1.1" " 程控行車的組成

程控行車通常由龍門架、移動機構(gòu)、升降機構(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，它負責提供整個行車結(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，具有足夠的強度和穩(wěn)定性，用于支撐和固定行車的各個部件。移動機構(gòu)則安裝在龍門架上，為行車提供平移的動力。移動機構(gòu)通常由電機、減速機、驅(qū)動輪等組成，位于行車兩端，由兩臺電機進行驅(qū)動。升降機構(gòu)負責控制和操作貨物的提升和降落，通常由電機、減速機、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)是整個行車的控制中樞，它控制和協(xié)調(diào)各個部件的運行，由PLC、檢測傳感器、變頻器、控制電路等組成。

1.2" " 程控行車的特點

程控行車承載大，適合重型工件的搬運；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，可縮短設備長度；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，進而減少化學品用量；程控行車可通過調(diào)整吊具來實現(xiàn)不同產(chǎn)品的共線生產(chǎn)，具有較高的柔性。

2" " 程控行車移動位置的檢測方式

程控行車的兩端配置2臺平移電機，行車的移動由2臺電機驅(qū)動完成。行車的控制系統(tǒng)由PLC進行程序運行控制，行車的移動位置需要通過檢測傳感器進行檢測反饋。

2.1" " 認址條檢測方式

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

位置碼和8421碼對應值如表1所示。

在程控行車行走機構(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。一個開關(guān)作為行車正向運行減速觸發(fā)開關(guān)，一個開關(guān)作為行車反向運行減速觸發(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)被感應到信號為1，否則為0。

認址條的檢測方式適合低成本應用場景，通過幾個接近開關(guān)即可完成對行車運行位置的定位。但認址條的檢測方式只能確定程控行車在每個工位的最終停止位置，不能對移動過程中的具體位置做出檢測，無法進行位置實時跟蹤，也無法在程控行車移動過程中進行兩端位置的同步校準。如果在運行過程中出現(xiàn)行車兩側(cè)偏差距離過大的情況，控制系統(tǒng)無實時位置信息，無法報警停機，可能會損壞行車機械設備，存在一定的風險。

2.2" " 編碼尺檢測方式

編碼尺檢測系統(tǒng)主要由3個部分組成：讀碼器、編碼尺、接口模塊。編碼尺檢測的工作原理是讀碼器根據(jù)光電原理在編碼尺上讀碼，以確定被測物位置。當讀碼器在編碼尺上移動時，每0.8 mm會給出一個定位編碼，讀碼器內(nèi)部的微處理器負責把48對發(fā)射/接收LED的測量結(jié)果轉(zhuǎn)化成一個19位編碼。通過接口模塊，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標準的網(wǎng)絡總線協(xié)議，如Profinet、Ethernet/IP等，將位置數(shù)據(jù)傳給PLC進行處理。編碼尺選用不銹鋼材料的，對機械強度和抗腐蝕要求高的場合有較高適應性，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)常會出現(xiàn)一段行車軌道上有數(shù)臺共軌行車運行。在行車的兩條軌道側(cè)邊各安裝一條編碼尺，用作位置標識。編碼尺盡量選用相同位置的編碼段，對于同一水平位置，若讀取的編碼位置有差別，可通過PLC程序進行偏移量修正，使得程控行車在同一水平位置兩側(cè)的實際位置數(shù)據(jù)是相同的。每臺行車的兩端各安裝一個讀碼器，每臺行車共2個讀碼器。數(shù)臺共軌行車，每臺行車兩側(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方式所需的基本傳感器配置方式如圖2所示。

2.3" " 激光測距檢測方式

激光測距檢測系統(tǒng)主要由2個部分組成：激光測距傳感器、反射鏡。由激光測距傳感器對準發(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)歷的時間，即可測定目標距離[2]。激光測距傳感器再將測得的距離數(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。將激光測距傳感器安裝在程控行車行走機構(gòu)的兩端，在同一水平位置，將傳感器發(fā)射口正對反光鏡，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程序進行偏移量修正。

激光測距檢測方式相比于編碼尺檢測，安裝的便利性更高，而且設備安裝精度要求相比于讀碼器更低。但激光測距也有其局限性，因為每臺程控行車均需要檢測兩端位置，激光測距傳感器照射同一塊反射鏡會造成同一路徑上設備間的相互遮擋。若有多臺共軌程控行車，則需要將每組激光測距傳感器和反射鏡錯位安裝，以保證激光發(fā)射路徑不被遮擋。所以，激光測距適合只有一臺程控行車的輸送系統(tǒng)，對于數(shù)臺共軌行車的輸送系統(tǒng)，激光測距的檢測方式安裝工作量較大，且可能造成信號干擾。

3" " 程控行車移動功能的同步運行控制

程控行車移動運行中，除了保證在工藝位置停止時兩側(cè)行走機構(gòu)停止位置準確，還需要保證在移動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導致行車軌道受到擠壓，產(chǎn)生啃軌現(xiàn)象，導致機械設備變形，增大電氣元器件功率損耗，甚至導致行車脫軌。

3.1" " PLC程序計算控制實現(xiàn)同步運行

程控行車兩端的行走電機分別配置單獨的變頻器控制，1#變頻器驅(qū)動1#電機，2#變頻器驅(qū)動2#電機。PLC程序輸出頻率給兩個變頻器，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進行修改后的修正頻率。當2#電機側(cè)的測距系統(tǒng)得到的位置數(shù)據(jù)比1#電機側(cè)的慢2～5 cm時，則2#變頻器的修正頻率為行走頻率+2 Hz；當2#電機側(cè)的測距系統(tǒng)得到的位置數(shù)據(jù)比1#電機側(cè)的慢5～10 cm，則2#變頻器的修正頻率為行走頻率+4 Hz；當2#電機側(cè)的測距系統(tǒng)得到的位置數(shù)據(jù)比1#電機側(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)行車兩端絕對位置數(shù)據(jù)的實時對比，設置一定位置差區(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行實時修改，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現(xiàn)行車同步運行。PLC程序中設定的位置差區(qū)間和頻率的增減量，不同的行車需要進行多次現(xiàn)場試驗調(diào)試得到。

3.2" " 變頻器主從控制實現(xiàn)同步運行

兩臺行走電機各自配置變頻器，兩臺變頻器通過光纖連接，在主、從電機末端安裝絕對值編碼器，組成主從控制系統(tǒng)。PLC與變頻器之間通過現(xiàn)場總線連接。PLC通過控制網(wǎng)實現(xiàn)2臺電機同時啟動/停止、主變頻器的速度給定，完成相關(guān)設備邏輯、報警等處理程序。主變頻器接收PLC發(fā)出的命令字、速度等信號，同時把自身運行速度值、位置值等數(shù)據(jù)通過光纖發(fā)送給從變頻器。

主變頻器設置為速度控制方式，從變頻器設置為速度位置跟隨控制方式，在速度控制的同時使能位置環(huán)進行位置補償。從變頻器的給定速度來自主電動機的實時運行速度，速度反饋來自所控制電機的編碼器反饋速度，從變頻器的位置環(huán)的位置給定來自主電動機的當前位置值，位置環(huán)的反饋來自所控制電機的軸的旋轉(zhuǎn)實際位置。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比后進行PID調(diào)節(jié)，運算結(jié)果疊加到從變頻器的速度上，以實現(xiàn)主從變頻器的力矩平衡[3]。從變頻器跟隨主變頻器運行，實現(xiàn)同步控制。主從控制的方式能實現(xiàn)從電機快速、精確地跟隨主電機，減少因行車不同步造成的設備故障。

3.3" " 兩種同步運行控制方式的測試對比

在工程現(xiàn)場對兩種控制方式進行了測試，通過PLC讀取了變頻器和讀碼器的實測數(shù)據(jù)，并進行歸檔分析。

采用PLC程序計算控制的程控行車運行位置情況如圖3所示。以程控行車左側(cè)電機為主，設定固定頻率運行，右側(cè)電機作為跟隨電機。當主電機側(cè)行走位置產(chǎn)生變化，跟隨電機位置跟隨，但有明顯的跟隨位置差和跟隨時間間隔。

程控行車兩側(cè)電機變頻器輸出頻率如圖4所示。采用PLC程序計算的控制方式，固定左側(cè)電機頻率，右側(cè)電機因跟隨位置需實時調(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程序計算的控制方式，當主電機側(cè)位置有變化時，跟隨電機側(cè)的位置反應更快，位置差更小。

PLC程序計算的控制方式成本較低，但響應速度相對較慢；變頻器主從控制的控制方式成本稍高，但跟隨過程中響應速度更快、實時性更好。

4" " 結(jié)束語

本文探討的幾種位置檢測和運行控制方式，可以在程控行車移動功能的控制系統(tǒng)中使用。實際設計應用時，可根據(jù)設備和生產(chǎn)工藝的實際情況，選取兼顧經(jīng)濟性和穩(wěn)定性的設計方案。

[參考文獻]

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

[2] 李戰(zhàn)勝，李智，秦嶺.激光測距在帶鋼爐內(nèi)微張力的PLC控制系統(tǒng)的應用[J].武漢工業(yè)學院學報，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)新與應用，2014（30）：99.

收稿日期：2024-06-21

作者簡介：曹全超（1991—），男，河南信陽人，工程師，研究方向：電氣設計與自動化控制。