整车装配板链线、零件输送悬挂线控制方案.doc

深圳市格蓝德工业自动化设备有限公司 整车装配板链线、零件输送悬挂线控制方案整车装配板链线、零件输送悬挂线控制方案1 概述摩托车整车装配线包括整车装配板链线和零件输送悬挂线，整车装配板链线用于装配摩托车整车，零件输送悬挂线用于输送摩托车零部件。因为装配工艺的需要，零件输送悬挂线的每个吊篮内均放置了1台摩托车的全部零部件，摩托车装配结束时相应吊篮内的零部件也全部用完，所以要求装配板链线和零件输送悬挂线同步连续运行或同步节拍运行。2 控制要求2.1 线体工作方式第一种工作方式：单独连续运行模式。整车装配板链线可以单独运行，零件输送悬挂线也可以单独运行，它们均处于独立运行状态而不是同步运行状态，可以随意启动/停止任何一条线体。这种工作方式适用于线体调试、产品/零部件单独输送或其它需要的场合。第二种工作方式：同步节拍运行模式。整车装配板链线和零件输送悬挂线均处于节拍（步进）同步运行方式运行工作状态（以设定速度运行1个工位的距离，然后停止一段时间，然后又以设定速度运行1个工位的距离如此循环运行）。在整车装配板链线和零件输送悬挂线并行运行过程中，整车装配板链线的夹具和零件输送悬挂线相应吊篮的相对位置不会发生改变。第三种工作方式：同步连续运行模式。整车装配板链线和零件输送悬挂线均处于同步连续运行工作状态。在整车装配板链线和零件输送悬挂线并行运行过程中，整车装配板链线的夹具和零件输送悬挂线相应吊篮的相对位置不会发生改变。正常生产时，根据生产工艺和管理的需要，可以使两条线工作在第二种工作方式或第三种工作方式。2.2 控制功能控制柜面板功能：控制电源指示；整车装配板链线单独启动、单独停止、单独运行指示；零件输送悬挂线单独启动、单独停止、单独运行指示；整车装配板链线和零件输送悬挂线全部同步节拍启动、全部同步连续启动、全部停止、全部运行指示、全部紧急停止、全部紧急停止指示。人机界面功能：整车装配板链线运行速度（米/分，下同）设定、运行速度显示；零件输送悬挂线运行速度设定、运行速度显示；整车装配板链线和零件输送悬挂线全部同步连续运行速度设定、全部节拍运行停止时间（秒）设定；PLC复位（PLC相应存储器清零，在控制紊乱时使用）；3 控制方案3.1 原控制方案功能更改3.1.1 功能删节分析3.1.1.1 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：1. 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。2. 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。3.1.1.2 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。3.1.2 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。3.2 控制设备条件1. 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。2. 接近开关：欧姆龙TL-N20ME1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）。3. 编码器：欧姆龙E6B2-CWZ6C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。4. TD200文本显示器：订货号6ES7 272-0AA00-0YA0，英文文本显示器，背光LCD，20字符/每行，8个功能键；软件版本为1.0的老版本。5. 西门子PLC模块：A. 西门子CPU 224 AC/DC/继电器CPU单元：订货号6ES7 214-1BD23-0XB0，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；B. 西门子EM 223 24V DC 输入/继电器输出数字量扩展模块：订货号6ES7 223-1HF22-0XA0，4点DC24V输入/4点继电器输出；C. 西门子EM 232 2输出12位模拟量输出模块：订货号6ES7 232-0HB22-0XA0，2点12位模拟量输出。6. 其它：板链装配线夹具的间距悬挂输送线吊篮的间距。3.3 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，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。3.3.1 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：1. 变频器DC0-10V输入与输出频率的关系：变频器给定值(V)10(V)变频器输出频率(Hz)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。2. 三相异步电动机的转速公式：nn0(1s)=【60fP】(1-s)n电机实际转速；单位：转/分钟；n0电机同步转速；单位：转/分钟；s电机转差率；f电机实际频率；单位：Hz；P电机磁极对数。3. 板链线运行速度与电机速度的关系：VniV板链线运行速度，在人机界面上的设定速度；n电机实际转速；单位：转/分钟；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)PV(m/min)】【60i(1-s)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。3.3.2 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)60(秒/分) 板链线主动链轮节圆的直径(m)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。3.3.3 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。3.3.4 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。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。3.3.5 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。3.3.6 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。对于悬挂线来说，这种控制方式适用于同步连续运行方式。而且控制精度高、控制性能稳定。3.4 新控制方案3.4.1 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)PV(m/min)】【60i(1-s)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。3.4.2 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（负反馈比例积分微分闭环控制系统），最终使线体实际运行速度恒定在各自的设定速度左右。3.4.3 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）。1. 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。2. 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！3. 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。3.4.4 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。3.4.5 人机界面3.4.5.1 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。3.4.5.2 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：D（指节圆的直径，节圆是位于链轮齿根圆和齿顶圆中间的圆，齿顶圆半径节圆半径节圆半径齿根圆半径）】、板链线夹具之间的距离（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。3.4.6 控制算法3.4.6.1 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。3.4.6.2 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：2. 悬挂线比板链线慢的情况：3.4.6.3 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），那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），那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（小于工位间距最大速度2），例如超过30秒以后，就把这个信号丢弃。3.4.7 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DCS系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。4 调试4.1 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。4.2 PLC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。4.3 PID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PID的大小。比例I/微分D=2，具体值可根据仪表定，再调整比例带P，P过头，到达稳定的时间长，P太短，会震荡，永远也打不到设定要求。PID控制器参数的工程整定,各种调节系统中P.I.D参数经验数据以下可参照：温度T：P=2060%，T=180600s，D=3-180s；压力P：P=3070%，T=24180s；液位L：P=2080%，T=60300s；流量L：P=40100%，T=660s。书上的常用口诀：参数整定找最佳，从小到大顺序查；先是比例后积分，最后再把微分加；曲线振荡很频繁，比例度盘要放大；曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳；曲线偏离回复慢，积分时间往下降；曲线波动周期长，积分时间再加长；曲线振荡频率快，先把微分降下来；动差大来波动慢。微分时间应加长；理想曲线两个波，前高后低4比1；一看二调多分析，调节质量不会低。经过多年的工作经验，我个人认为PID参数的设置的大小，一方面是要根据控制对象的具体情况而定；另一方面是经验。P是解决幅值震荡，P大了会出现幅值震荡的幅度大，但震荡频率小，系统达到稳定时间长；I是解决动作响应的速度快慢的，I大了响应速度慢，反之则快；D是消除静态误差的，一般D设置都比较小，而且对系统影响比较小。对于温度控制系统P在5-10%之间；I在180-240s之间；D在30以下。对于压力控制系统P在30-60%之间；I在30-90s之间；D在30以下。这里介绍一种经验法。这种方法实质上是一种试凑法，它是在生产实践中总结出来的行之有效的方法，并在现场中得到了广泛的应用。这种方法的基本程序是先根据运行经验，确定一组调节器参数，并将系统投入闭环运行，然后人为地加入阶跃扰动（如改变调节器的给定值），观察被调量或调节器输出的阶跃响应曲线。若认为控制质量不满意，则根据各整定参数对控制过程的影响改变调节器参数。这样反复试验，直到满意为止。经验法简单可靠，但需要有一定现场运行经验，整定时易带有主观片面性。当采用PID调节器时，有多个整定参数，反复试凑的次数增多，不易得到最佳整定参数。下面以PID调节器为例，具体说明经验法的整定步骤：A. 让调节器参数积分系数S0=0，实际微分系数k=0，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数S1，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。B. 取比例系数S1为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数S0，同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。C. 积分系数S0保持不变，改变比例系数S1，观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数S1增大一些，再调整积分系数S0，力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数S1和积分系数S0为止。D. 引入适当的实际微分系数k和实际微分时间TD，此时可适当增大比例系数S1和积分系数S0。和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。PID参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量如：大烘房的温度控制，一般P可在10以上，I=3-10，D=1左右。小惯量如：一个小电机带一台水泵