整车装配板链线零件输送悬挂线控制方案分解Word下载.docx
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PLC复位(PLC相应存储器清
零,在控制紊乱时使用);
4控制方案
4.1原控制方案功能更改
4.1.1功能删节分析
4.1.1.1删节理由
新控制方案取消原控制柜面板上的整车装配板链线的速度微增控制按钮/速度微增指
示灯/速度微减控制按钮/速度微减指示灯、零件输送悬挂线的速度微增控制按钮/速度微增指示灯/速度微减控制按钮/速度微减指示灯。
这些按钮指示灯并不从控制柜面板上拆除,只是从控制功能上不使用这些按钮指示灯了。
取消原因如下所述:
当两条线处于单独运行工作方式时,板链线和悬挂线的运行速度改变都可以通过修
改人机界面上相应的设定值来实现,速度微增控制按钮和速度微减控制按钮没有必要。
当两条线处于同步节拍运行工作方式或同步连续运行工作方式时,板链线与悬挂线
是主从控制关系一一板链线按照设定速度运行,悬挂线跟随板链线运行。
这种情况下,
在人机界面上只能对板链线的速度进行设定,这个速度也就是同步运行速度,而不能对
悬挂线的速度进行设定(即使设定了也没有任何意义)。
所以在这两种工作方式下,速度
微增控制按钮和速度微减控制按钮也没有必要。
4.1.1.2保留理由
当线体编码器出现故障或同步出现失控时,需要线体处于手动控制模式运行,这时
就需要两条线体处于开环运行模式。
这个时候就需要速度微增和微减控制,所以笔者还
是考虑保留这个功能。
只不过在人机界面中设1个操作者可以更改的标志位,由该标志
位的状态选择线体运行在单独连续PID运行模式还是单独连续开环运行模式。
默认状态
下,在单独连续运行时系统以单独连续PID运行方式运行。
4.1.2功能更改分析
原控制柜顶上的告警设备是通过PLC外部时间继电器来驱动的,因此该告警设备只适合作为启动告警,而不适合作为故障告警(因为出现故障时告警设备应当立即告警而
不应当延迟告警)。
况且控制告警设备的时间继电器是并联在同步运行指示灯上面由PLC
驱动的,因此就没有考虑将故障告警在外部进行显示(当然变频故障还是可以在变频器
上看到的)。
时间继电器的触点也没有送入PLC输入端。
正常的启动告警过程为:
按下启动按钮后立即进行告警,告警持续设定时间以后,
告警停止,设备开始运转。
所以,原控制方案只有当时间继电器的设定值等于PLC中的延时启动时间的情况下,才能实现正常的告警过程。
一旦对时间继电器的值进行调节,就无法实现正常的告警过程了。
如果取1个时间继电器的动作信号到PLC就可以实现在PLC外部调解启动告警时间的目的。
但原控制方案中PLC输入点已经全部被用完,PLC无法再取得时间继电器的动作信号,因此,线体启动告警功能维持原方案不变。
4.2控制设备条件
变频器:
富士FRV-E9S系列变频器2台,分别用于驱动2条生产线的电机。
接近开关:
欧姆龙TL-N20ME型接近开关2个,分别安装在两条生产线的驱动附近;
用于检测板链装配线的每一个夹具和悬挂输送线的每一个吊篮(每个夹具和吊篮中心位
置都有一个铁片供接近开关检测)。
编码器:
欧姆龙E6B2-CWZ6系列增量式旋转编码器2个,分辨率为360脉冲/转;
分别与两条线体的主动大链轮同轴连接,用于检测线体的速度。
TD200文本显示器:
订货号6ES7272-0AA00-0YA0,英文文本显示器,背光LCD20字符/每行,8个功能键;
软件版本为1.0的老版本。
西门子PLC模块:
西门子CPU224AC/DC/继电器CPU单元:
订货号6ES7214-1BD23-0XB0集成14点DC24V数字量输入/10点继电器输出、AC120-240V电源、1个RS-485通讯接口;
西门子EM22324VDC输入/继电器输出数字量扩展模块:
订货号6ES7223-1HF22-0XAQ4点DC24V俞入/4点继电器输出;
西门子EM2322输出X12位模拟量输出模块:
订货号6ES7232-OHB22-OXA02点12位模拟量输出
其它:
板链装配线夹具的间距二悬挂输送线吊篮的间距
4.3方案分析
经过实践,原控制方案在更该线体长度、更换驱动减速机以后同步控制实效。
由于
不了解原控制方案(浙大方面并不提供控制方案<可能是当时控制方案没形成书
面文件或者居于技术秘密而言不提供给用户>,而且PLC也加了密码,无法对程序进行分析),所以无法在原程序的基础上进行修改,只能设计一套新的控制方案。
4.3.1板链线开环控制
板链线开环控制:
PLC输出给板链线变频器的DC0-10V信号与设定速度成线性对应关系。
控制算法所用到的公式如下:
变频器DC0-10V输入与输出频率的关系:
变频器给定值(V)-10(V)二变频器输出频率(Hz)十变频器上限频率(Hz)
变频器上限频率:
最大给定值时的变频器输出频率。
三相异步电动机的转速公式:
n=n0X(1—s)=【60Xf*P】x(1-s)
n—电机实际转速;
单位:
转/分钟;
n0—电机同步转速;
s—电机转差率;
f—电机实际频率;
Hz;
P—电机磁极对数。
板链线运行速度与电机速度的关系:
V=nXi
V-板链线运行速度,在人机界面上的设定速度;
i—传动比。
传动比是指板链线运行速度(米/分钟)与电机转速(转/分钟)的比值,包括连体减速电机的减速比、减速电机输出速度与板链线运行速度的比值。
只要机
械设计成型,这个比值就是已知的。
最简单的计算方法:
把变频器频率调到50Hz,实测
线体速度和电机转速(可以通过编码器来测量,如果电机转速测量不方便,也可以认为
n=1400转/分钟),然后可以计算出i值。
根据以上公式可以推导出PLC输出给板链线变频器的DC0-10V信号给定值:
变频
器给定值(V)=【10(V)XPXV(m/min)]-[60XiX(1-s)X变频器上限频率
(Hz)】
从上述公式可以看出,变频器给定值(直接决定线体实际运行速度)和电机极数、传动比、电机转差率、变频器上限频率有关系,一旦这些值发生变化而在PLC中不进行相应更改,在人机界面上设定的速度和线体实际运行速度将不一样!
而且线体实际运行速度不一样,也就直接影响到两条线的同步精度(一条线运行速度不准确而另外一条线运行速度准确,必然导致不同步)!
这就是为什么上海新大洲的另一套线体在更换不同减速比的减速电机以后出现了不同步现象的原因了。
对于板链线来说,这种控制方式适合单独连续运行、同步节拍运行、同步连续运行三种运行方式。
但因为计算的原因,这种控制方式的精度不高,实际运行速度和设定速度存在偏差。
432板链线速度环PID控制
板链线速度环PID控制:
以板链线设定速度为给定值,将编码器信号换算成速度信号后作为反馈信号,以输出给板链线驱动变频器的信号作为输出值,实现板链线速度的
PID控制。
编码器信号与实际运行速度的关系:
线体实际运行速度(m/min)=编码器每秒发出的脉冲数(个/秒)X60(秒/分)XnX
板链线主动链轮节圆的直径(m)宁编码器每转一圈产生的脉冲(个)
从上述公式可以看出,板链线的实际运行速度的准确性只和编码器的型号、板链线
的主动链轮有关系。
一般情况下,即使设备扩容或者维修,一般也不会去改编码器型号
和主动链轮大小,因此这两项的参数也不会发生变化。
说明:
这里以测量每秒钟编码器的脉冲个数的测速方式来测速,实际上这种测速方
式只适合高速场合,实际测速方式以具体测速控制方案为准。
对于板链线来说,这种控制方式适用于单独连续运行、同步连续运行两种运行方式。
433悬挂线开环控制
悬挂线开环控制与板链线开环控制类同,这里就不再赘述了。
对于板链线来说,这种控制方式适用于单独连续运行、同步节拍运行两种运行方式。
但因为计算的原因,这种控制方式的精度不高,实际运行速度和设定速度存在偏差。
434悬挂线速度环PID控制
悬挂线速度环PID控制与板链线速度环PID控制类同,这里就不再赘述了。
435悬挂线位置环控制
悬挂线位置环控制:
以板链线设定速度为给定值,再减去悬挂线吊篮和板链线的相对位置信号(当悬挂线吊篮位于板链线对应的夹具之前时,该信号为正;
当悬挂线吊篮位于板链线对应的夹具之后时,该信号为负),作为悬挂线速度环PID控制的给定值。
对于悬挂线来说,这种控制方式适用于同步连续运行方式。
但因为没有直接控制悬挂线的速度,这种控制方式达到动态平衡的时间比较长,在出现干扰时,系统也会变得不稳定而出现一段时间的振荡。
436悬挂线速度环PID控制+位置环控制
因为在同步连续运行时,最终目的是要保证悬挂线吊篮与板链线对应夹具的相对位置不变,而使两条线速度一致只是实现该目的的一种手段,所以可以采用位置环和速度环结合的方式实现控制。
而且控制精度高、控制性能稳定。
4.4新控制方案
441单独连续开环运行
采用以下公式对变频器设定频率进行计算:
变频器给定值(V)=【10(V)xpxV(m/min)]-[60xix(1-s)x变频器上限频率
(Hz)]
采用线体对应的频率微增/微减控制按钮对变频器输出频率进行更改,当然也可以通过改变设定速度的方式进行频率的更改。
442单独连续PID运行
在板链线和悬挂线单独连续运行模式下,两条线以人机界面上各自的设定速度(需
要进行数学处理,下同)为给定值,以各自编码器反映的实际运行速度为反馈值,以PLC
输出给各自变频器的DC0-10V信号为输出值,进行PID控制(负反馈比例一积分一微分闭环控制系统),最终使线体实际运行速度恒定在各自的设定速度左右。
悬挂孵独连续运行PID控制框图
443同步节拍运行
在板链线和悬挂线同步节拍运行模式下,有3个控制部分:
线体的启动信号、运行速度、停止信号(运行时间)。
启动信号:
线体首次启动信号由设备启动信号提供,线体处于工作状态时的启动信
号由工位装配时间信号提供。
运行速度:
板链线和悬挂线的运行速度均以板链线的设定速度为给定值,采用开环控
制直接换算为变频器的DC0-10V信号作为输出值,使板链线和悬挂线在运行时段中(运行1个工位的时间),实际运行速度恒定在板链线的设定速度左右(加减速时段除外)。
经过实践验证,同步节拍运行采用PID控制是不可行的,因为同步节拍运行方式的运行时段比较短(不会超过半分钟),在这么短的时间内无法达到PID调节平衡(P过大,输出值无法达到设定值;
P过小,容易产生超调),所以PID就失去了调节的意义!
停止信号(运行时间):
板链线和悬挂线的运行时间由各自的工位检测接近开关信
号决定。
当板链线对应的接近开关动作时,板链线就立即停止;
当悬挂线对应的接近开关动作时,悬挂线就立即停止
444同步连续运行
在板链线和悬挂线同步连续运行模式下,板链线的运行速度以其设定速度为给定值,
以其编码器反映的实际运行速度为反馈值,以PLC输出给板链线驱动变频器的DC0-10V信
号为输出值,进行PID控制,最终使板链线实际运行速度恒定在其设定速度左右。
悬挂线的控制采用PID速度环+位置环的控制方式。
经过实践验证,该控制方案是可行的。
由于考虑到编程/调试方面的难度问题,没有采用更复杂的串级控制方式一一位置信号作为主控变量,速度信号作为副控变量的控制方式。
445人机界面
4.4.5.1工艺参数设置/显示
工艺参数设置包括:
板链线设定速度、悬挂线设定速度、单独连续运行方式(选择
单独连续PID控制还是单独连续开环控制)、节拍运行速度、节拍运行工位装配时间。
工艺参数显示包括:
板链线实际运行速度、悬挂线实际运行速度。
445.2系统参数设置
在人机界面上增设控制算法中需要用到的设备参数设置功能。
控制时PLC将直接调
用这些参数,所以这些参数是至关重要的。
一旦这些参数值不正确,将直接影响到线体运行速度的精度和同步运行的精度。
所以,这些参数设置仅供调试时使用,最终用户不
能修改(设置相应的权限密码)。
这些参数包括:
板链线主动链轮的周长【主动链轮转一圈对应的板链线行程,计算
方法:
nXD(指节圆的直径,节圆是位于链轮齿根圆和齿顶圆中间的圆,齿顶圆半径一节圆半径二节圆半径一齿根圆半径)】、板憊夹具之间的距离(等于悬挂线吊篮之间的距离)、板链线编码器转一圈输出的脉冲数、悬挂线主动链轮的周长(主动链轮转一圈对应的悬挂线行程)、悬挂线编码器转一圈输出的脉冲数。
设置这些参数的目的:
使PLC程序成为悬挂线跟随板链线同步运行这种形式线体的通用程序,当另外一套设备需要相同的控制功能时,可以直接移植。
需要做的工作就只
剩下这些参数的设置和PID参数的调节了。
446控制算法
4.4.6.1编码器测速
采用“M/T法”进行测速。
下
面是对各种测速方法的描述。
光电脉冲编码器是一种数字式角度传感器甲它能将角位移量转换为与之対应的电脉冲进杼输出•主要用于机械转角位置和旋转速度的检测与控制。
在以光电编码器构成的测速系统中.常用的测速方法有三种.即利M法为.行法”和*K/T法”。
加速度值艸论I:
只耍根据上述方法测得的相邻两个速度点的速度羞及其间隔时间即町计算得到。
2*枯用丿匕种基于光电躺屈攀战浪L連力法
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在下图中列出了三种議用的基于光电编码報旳剖谗行法.假金时钟烦率为厂光屯编讯;
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対巴屁G科必工分别足対编码辭脉7屮利聘钟B*冲进TT计数的计数值*
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III
II-
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Hill
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4T法:
称冲
IVl.為仲测建法原理国
2,1“M法”测速
通过測量一段固定的寸冋河隔内的编
码器咏冲数来订算转速.姮用厂高速场合。
如田儿〔丑)序设在固定时阿T内测再的细
相<
1误垃为匚
II-(6)
hvlM+3』-M
通常时钟频率曽远大JUft!
编码器的输出脉冲頻率.因此II浙各式中込也远大于4"
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4).C6)式可U1发现S法"
测速主要述IIF中髙連段‘随着連度降低JL/二也法小.因而低速段的測速稍度很―⑴通过选取适X垂样时创T町以很弃易地满足动态嗣山翌求1**T"
法测心情况与此恰恰相反„T法■在整卜速度范围都可以达到较离的测速梢度.们是通常选取的M】值大于1.在低速段的动态响应比法还慢。
4.462吊篮相对于夹具的绝对位置偏差转换为速度偏差
1.悬挂线比板链线快的情况:
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2.悬挂线比板链线慢的情况:
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4.463永同步
理论上来说,在同步节拍运行、同步连续运行控制时,如果因为多种因素导致控制
失去平衡时,吊篮比相应的夹具多运行或少运行了N个工位的距离(这是个比较极端的假设),就需要记忆到底多运行或少运行了几个工位的距离(2个接近开关的计数差值),然后进行控制,实现吊篮相对于夹具永远同步。
当悬挂线速度较快,运行工位数超过板链线运行工位数1个或以上(指同步误差已
经大于了1个工位的距离),另么就控制悬挂线停下来,直到悬挂线工位计数值-板链线工位计数值=1为止。
当板链线速度较快,运行工位数超过悬挂线运行工位数1个或以上(指同步误差已
经大于了1个工位的距离),另么就控制板链线停下来,直到悬挂线工位计数值-板链线工位计数值=—1为止。
实际编程时,从设备运行情况等方面考虑,可以不设这部分控制。
有时间考虑到接近开关不可能检测到每一个铁片,因此不能采用用同步,采用实时同步就可以了。
同时,程序中设置相关程序,当2个接近开关动作的间隔时间超过设定时间(小于工位间距宁最大速度宁2),例如超过30秒以后,就把这个信号丢弃。
447方案说明
无论两条线体处于哪一种运行模式,板链线的编码器都实时反映板链线的实际运行
速度,悬挂线的编码器也都实时反映悬挂线的实际运行速度。
原控制方案中线体实际运行速度精度、线体同步运行精度和电机到线体主传动链轮的传动比、线体长度、编码器型号等参数有密切的关系,而新控制方案线体实际运行速度精度、线体同步运行精度只和编码器型号、线体主传动链轮的直径有关系。
所以新控
制方案是比较完美的控制方案。
从理论上来说,在新控制方案中,当两条线体处于同步连续运行时,悬挂线可以实
现位置环控制、位置环+速度环控制两种控制方式的切换(因为要求位置同步,所以不
能只采用速度环控制)。
不过当只有位置环控制时,达到控制稳定的时间稍微要长一点,但也能满足生产要求。
但实际上,因为该系统属于小系统,当因为外部设备故障而导致设备控制失控时不会造成非常严重的损失,不像大型DCSS统那样涉及非常复杂而又重要的控制环境,所以
该系统中所有硬件、软件不需要做冗余。
也就是说,当两条线体处于同步连续运行时,
悬挂线不做控制方式的切换。
5调试5.1外部控制回路调试
关于外部控制回路的调试,请参阅相关资料,这里就不赘述了。
5.2PLC程序调试
关于PLC程序的调试,请参阅相关资料,这里就不赘述了。
5.3PID参数调试
从设备结构可以看出,这是个没有控制迟滞的系统,不像暖通空调、加热系统那样
具有非常大的控制迟滞(控制输出增加后,被控制变量要比较长的时间才会有所变化)。
所以,PID控制器中的D参数(微分)可以设为0。
下面是PID控制器参数整定的一般方法:
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定
PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法很多,
概括起来有两大类:
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型,经过理论计
算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际
进行调整和修改。
二是工程整定方法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中
进行,且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方
法,主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点,其共同点都是通
过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到
的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
现在一般采用的是临界比例
法。
利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下:
(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作;
(2)仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;
(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID
控制器的参数。
PID参数的设定:
是靠经验及工艺的熟悉,参考测量值跟踪与设定值曲线,从而调整
P\I\D的大小。
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