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程控行车移动功能的控制设计与应用

2024-11-12 68 上传者：管理员

摘要：通过对涂装车间程控行车组成特点的分析，提供不同的行车移动位置的检测方式，配合PLC和变频器组成的驱动控制系统对行车两侧行走移动电机进行控制，以达到行车两侧同步运行的控制效果。通过程序计算、主从同步控制的方式，为程控行车的移动定位提供快速、精准的控制，并根据需求提供经济性和控制精度相对较高的方案。

关键词：
主从控制
位置检测
同步运行
程控行车
龙门架
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程控行车是客车/卡车车架、工程机械涂装车间输送系统的重要设备之一，主要作用是搬运和定位工件，特别是在涂装前处理电泳工艺段用于输送传递大工件产品。程控行车在输送传递的过程中需要移动至多个工艺工位进行工件产品处理，根据应用场景的不同，须采用合理的检测和控制方案，保证程控行车在移动过程中的稳定性和最终定位的准确性。

1、程控行车的组成和特点

1.1程控行车的组成

程控行车通常由龙门架、移动机构、升降机构、供电装置、安全装置及电控系统等组成，如图1所示。

具体来说，程控行车的基础是龙门架，它负责提供整个行车结构的支撑，作为程控行车的主体结构，龙门架通常由钢材焊接而成，具有足够的强度和稳定性，用于支撑和固定行车的各个部件。移动机构则安装在龙门架上，为行车提供平移的动力。移动机构通常由电机、减速机、驱动轮等组成，位于行车两端，由两台电机进行驱动。升降机构负责控制和操作货物的提升和降落，通常由电机、减速机、卷筒等组成。供电装置为行车提供电力支持，通常包括柔性电缆、滑触线等[1]。安全装置则用于在操作过程中保证人员的安全，如遇紧急情况，可以立即采取相应措施，安全装置通常包括急停按钮、限位开关、安全光幕等。电控系统是整个行车的控制中枢，它控制和协调各个部件的运行，由PLC、检测传感器、变频器、控制电路等组成。

1.2程控行车的特点

程控行车承载大，适合重型工件的搬运；生产节拍和工件尺寸都相同的情况下，程控行车相比于链条输送方式，可缩短设备长度；在涂装前处理电泳工艺段，程控行车的输送方式可减少工艺槽容积，进而减少化学品用量；程控行车可通过调整吊具来实现不同产品的共线生产，具有较高的柔性。

图1 程控行车组成示意图

2、程控行车移动位置的检测方式

程控行车的两端配置2台平移电机，行车的移动由2台电机驱动完成。行车的控制系统由PLC进行程序运行控制，行车的移动位置需要通过检测传感器进行检测反馈。

2.1认址条检测方式

确定行车需要定位停止的每个位置，在该位置的行车轨道外侧安装金属认址条，用来感应行车两端的开关。每个位置的认址条包含正转减速条、反转减速条、位置码条。位置码条由多个金属条通过8421码的组合方式进行配置。

位置码和8421码对应值如表1所示。

表1 位置码和8421码对应值

在程控行车行走机构的两端分别安装接近开关，开关功能包括正/反向减速、行车位置码的编码。一个开关作为行车正向运行减速触发开关，一个开关作为行车反向运行减速触发开关；根据行车需要定位的位置编码，通过8421码排列方式推算定位开关数量，开关被感应到信号为1，否则为0。

认址条的检测方式适合低成本应用场景，通过几个接近开关即可完成对行车运行位置的定位。但认址条的检测方式只能确定程控行车在每个工位的最终停止位置，不能对移动过程中的具体位置做出检测，无法进行位置实时跟踪，也无法在程控行车移动过程中进行两端位置的同步校准。如果在运行过程中出现行车两侧偏差距离过大的情况，控制系统无实时位置信息，无法报警停机，可能会损坏行车机械设备，存在一定的风险。

2.2编码尺检测方式

编码尺检测系统主要由3个部分组成：读码器、编码尺、接口模块。编码尺检测的工作原理是读码器根据光电原理在编码尺上读码，以确定被测物位置。当读码器在编码尺上移动时，每0.8 mm会给出一个定位编码，读码器内部的微处理器负责把48对发射/接收LED的测量结果转化成一个19位编码。通过接口模块，把数据转换成标准的网络总线协议，如Profinet、Ethernet/IP等，将位置数据传给PLC进行处理。编码尺选用不锈钢材料的，对机械强度和抗腐蚀要求高的场合有较高适应性，适合涂装车间的环境要求。

涂装车间的程控行车，根据工艺要求配置，经常会出现一段行车轨道上有数台共轨行车运行。在行车的两条轨道侧边各安装一条编码尺，用作位置标识。编码尺尽量选用相同位置的编码段，对于同一水平位置，若读取的编码位置有差别，可通过PLC程序进行偏移量修正，使得程控行车在同一水平位置两侧的实际位置数据是相同的。每台行车的两端各安装一个读码器，每台行车共2个读码器。数台共轨行车，每台行车两侧均配置读码器，每一侧的读码器读取同一条编码尺的位置信息。程控行车编码尺检测方式所需的基本传感器配置方式如图2所示。

2.3激光测距检测方式

激光测距检测系统主要由2个部分组成：激光测距传感器、反射镜。由激光测距传感器对准发射镜发出激光脉冲，经过反射镜后有部分散射光返回到传感器，通过记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离[2]。激光测距传感器再将测得的距离数据通过接口，如4～20 m A、IO-Link、Profinet等传递给PLC。

在程控行车两条轨道的同一侧端头，在相同水平位置固定安装反射镜，以反射镜位置为起始位。将激光测距传感器安装在程控行车行走机构的两端，在同一水平位置，将传感器发射口正对反光镜，以保证行车两侧在轨道的位置数据是相同的。如果传感器读取的两侧位置数据有偏差，可通过PLC程序进行偏移量修正。

激光测距检测方式相比于编码尺检测，安装的便利性更高，而且设备安装精度要求相比于读码器更低。但激光测距也有其局限性，因为每台程控行车均需要检测两端位置，激光测距传感器照射同一块反射镜会造成同一路径上设备间的相互遮挡。若有多台共轨程控行车，则需要将每组激光测距传感器和反射镜错位安装，以保证激光发射路径不被遮挡。所以，激光测距适合只有一台程控行车的输送系统，对于数台共轨行车的输送系统，激光测距的检测方式安装工作量较大，且可能造成信号干扰。

图2 程控行车编码尺检测配置示意图

3、程控行车移动功能的同步运行控制

程控行车移动运行中，除了保证在工艺位置停止时两侧行走机构停止位置准确，还需要保证在移动行走过程中行车两侧的位置同步。程控行车行走不同步会导致行车轨道受到挤压，产生啃轨现象，导致机械设备变形，增大电气元器件功率损耗，甚至导致行车脱轨。

3.1 PLC程序计算控制实现同步运行

程控行车两端的行走电机分别配置单独的变频器控制，1#变频器驱动1#电机，2#变频器驱动2#电机。PLC程序输出频率给两个变频器，1#变频器输入频率为行走频率，2#变频器输入频率为以行走频率为基准进行修改后的修正频率。当2#电机侧的测距系统得到的位置数据比1#电机侧的慢2～5 cm时，则2#变频器的修正频率为行走频率+2 Hz；当2#电机侧的测距系统得到的位置数据比1#电机侧的慢5～10 cm，则2#变频器的修正频率为行走频率+4 Hz；当2#电机侧的测距系统得到的位置数据比1#电机侧的快2～5 cm，则2#变频器的修正频率为行走频率-2 Hz。

根据行车两端绝对位置数据的实时对比，设置一定位置差区间的修正频率增减数值，通过PLC程序对2#变频器的输入频率进行实时修改，以保证行车两端在一定范围内的同步。该控制方式的优点是不需要增加额外的配置，通过PLC程序算法控制变频器频率变化来实现行车同步运行。PLC程序中设定的位置差区间和频率的增减量，不同的行车需要进行多次现场试验调试得到。

3.2变频器主从控制实现同步运行

两台行走电机各自配置变频器，两台变频器通过光纤连接，在主、从电机末端安装绝对值编码器，组成主从控制系统。PLC与变频器之间通过现场总线连接。PLC通过控制网实现2台电机同时启动/停止、主变频器的速度给定，完成相关设备逻辑、报警等处理程序。主变频器接收PLC发出的命令字、速度等信号，同时把自身运行速度值、位置值等数据通过光纤发送给从变频器。

主变频器设置为速度控制方式，从变频器设置为速度位置跟随控制方式，在速度控制的同时使能位置环进行位置补偿。从变频器的给定速度来自主电动机的实时运行速度，速度反馈来自所控制电机的编码器反馈速度，从变频器的位置环的位置给定来自主电动机的当前位置值，位置环的反馈来自所控制电机的轴的旋转实际位置。主变频器把相关数据通过光纤传给从变频器，这样从变频器可以将主变频器的输出电流和自身输出电流对比后进行PID调节，运算结果叠加到从变频器的速度上，以实现主从变频器的力矩平衡[3]。从变频器跟随主变频器运行，实现同步控制。主从控制的方式能实现从电机快速、精确地跟随主电机，减少因行车不同步造成的设备故障。

3.3两种同步运行控制方式的测试对比

在工程现场对两种控制方式进行了测试，通过PLC读取了变频器和读码器的实测数据，并进行归档分析。

采用PLC程序计算控制的程控行车运行位置情况如图3所示。以程控行车左侧电机为主，设定固定频率运行，右侧电机作为跟随电机。当主电机侧行走位置产生变化，跟随电机位置跟随，但有明显的跟随位置差和跟随时间间隔。

图3 PLC程序计算控制的行车两侧读码器位置曲线

程控行车两侧电机变频器输出频率如图4所示。采用PLC程序计算的控制方式，固定左侧电机频率，右侧电机因跟随位置需实时调整的缘故，变频器输出频率变化比较频繁。

图4 PLC程序计算控制的行车两侧电机变频器频率曲线

采用变频器主从控制的行车两侧读码器位置曲线如图5所示。程控行车两侧读码器的位置曲线重合性较好，相比于PLC程序计算的控制方式，当主电机侧位置有变化时，跟随电机侧的位置反应更快，位置差更小。

图5 变频器主从控制的行车两侧读码器位置曲线

PLC程序计算的控制方式成本较低，但响应速度相对较慢；变频器主从控制的控制方式成本稍高，但跟随过程中响应速度更快、实时性更好。

4、结束语

本文探讨的几种位置检测和运行控制方式，可以在程控行车移动功能的控制系统中使用。实际设计应用时，可根据设备和生产工艺的实际情况，选取兼顾经济性和稳定性的设计方案。

参考文献: