速度跟隨系統(tǒng)在輸送裝備中的研究應(yīng)用

袁樟楠

（佛山市德力泰科技有限公司，佛山 528137）

1 前言

在陶瓷磚（板）生產(chǎn)過程中，會涉及經(jīng)常更換規(guī)格型號、花色品種或者提產(chǎn)、降產(chǎn)的調(diào)整動作，這就需要根據(jù)生產(chǎn)情況不斷更改窯爐的燒成周期（厚薄、花色、規(guī)格等變化會影響燒成時間），以保證產(chǎn)品的燒成質(zhì)量。燒成周期的變化時，窯爐前端的裝載設(shè)備也需要進(jìn)行速度調(diào)整，比如下文所述的智能輥臺，能夠自動調(diào)整自身運(yùn)行速度，來匹配窯爐的進(jìn)坯速度，以保證流水線連續(xù)柔和生產(chǎn)。目前，這個過程全部靠人工在上位機(jī)里面輸入不同燒成周期的速度值來進(jìn)行更改匹配。常用的具體操作次序為：首先根據(jù)生產(chǎn)需要先轉(zhuǎn)換窯爐燒成周期，再從窯頭向前依次調(diào)整上游配套設(shè)備（如釉線、干燥器、連接線、各種功能設(shè)備等）的運(yùn)行速度，直到壓機(jī)輸送輥臺處，一個轉(zhuǎn)換過程調(diào)整下來，往往要花費(fèi)數(shù)小時之久，效率低下且工作強(qiáng)度大。此外，不管有無坯體進(jìn)入窯爐，入窯口的吹塵風(fēng)機(jī)會一直按照固定的頻率不間斷運(yùn)行，在“空窯”情況下若無人員關(guān)閉，也會白白消耗電力，造成浪費(fèi)。

擬研究開發(fā)一種能夠自動跟隨窯爐燒成周期、傳動速度變化的信息化智能輥臺，并逐步研究以擴(kuò)大到其他工序，讓整個生產(chǎn)線的操作更加人性化、運(yùn)行過程更加節(jié)能環(huán)保。德力泰窯爐參見圖1。

圖1 德力泰窯爐

2 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

智能輥臺使用的是一種速度跟隨系統(tǒng)來達(dá)成目的，該系統(tǒng)由輥臺測速編碼器、吹塵風(fēng)機(jī)及其編碼器、對中機(jī)、傳動電機(jī)和光電開關(guān)等組件構(gòu)成。測速編碼器是將是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移或者速度的大小。參見圖2。

圖2 速度跟隨系統(tǒng)示意圖

2.1 各設(shè)備功能

對中機(jī)是用于將前端混亂的坯體兩邊對中推送整齊，智能輥臺用于將排列整齊的坯體輸送到進(jìn)窯輥臺入窯，風(fēng)機(jī)的主要功能是吹塵，也有冷卻坯體的作用。相比上、下游其他僅具備輸送功能的設(shè)備，該輥臺具有速度跟隨等智能屬性。智能輥臺根據(jù)窯爐燒成周期產(chǎn)生的一個理想值，再用編碼器去測進(jìn)窯輥臺的實際轉(zhuǎn)速值，然后反饋給智能輥臺速度跟隨系統(tǒng)計算、調(diào)整和匹配速度，以實現(xiàn)對窯爐周期速度的同步跟隨。

2.2 速度檢測與計算

當(dāng)窯爐燒成周期改變時，與窯體傳動相連的進(jìn)窯輥臺產(chǎn)生一個運(yùn)行速度，安裝在進(jìn)窯輥臺傳動輥棒上的測速編碼器通過轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)軸讀取進(jìn)窯輥臺的速度，通過脈沖信號反饋給PLC（可編程控制器），PLC 根據(jù)反饋的速度按照下列“計算公式1”算出智能輥臺對應(yīng)的運(yùn)行速度，通過速度控制信號發(fā)指令給智能輥臺電機(jī)驅(qū)動器運(yùn)轉(zhuǎn)。在智能輥臺的終端設(shè)有一個編碼器檢測實際速度，檢測結(jié)果傳送回PLC 后進(jìn)行對比運(yùn)算，有誤差則重新發(fā)送新的速度指令，如此形成一個局部閉環(huán)控制系統(tǒng)。

計算公式1：

v=v1×a+Δv

式中：

v- 智能輥臺輸出速度，m/s

v1- 入窯輥臺速度,m/s

a- 比例值（常數(shù)，通過PLC 內(nèi)部一系列繁瑣的圓周率、數(shù)值轉(zhuǎn)換等綜合計算所得）

Δv- 補(bǔ)償差值，m/s，Δv 計算參見公式4。

例如：入窯輥臺的速度經(jīng)換算為15m/s,a 的取值為1.105，Δv 是一個變化值，智能輥臺的速度V 則為15×1.105+Δv。

2.3 速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程

那么問題來了，線速度數(shù)據(jù)v1是怎么得來，以及如何轉(zhuǎn)換的呢？假設(shè)進(jìn)窯輥臺編碼器讀出角速度數(shù)據(jù)為D1（自然數(shù)）,經(jīng)過浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算得到數(shù)據(jù)ω1,通過輥臺測速滾輪半徑數(shù)據(jù)r1計算出進(jìn)窯輥臺編碼器的線速度v1；同理，智能輥臺編碼器讀出數(shù)據(jù)角速度為D2（自然數(shù)）,經(jīng)過浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算得到數(shù)據(jù)ω2,通過輥臺測速滾輪半徑數(shù)據(jù)r2再計算出智能輥臺編碼器的線速度v2。

計算公式2：v1=ω1×r1

計算公式3：v2=ω2×r2

計算公式4：Δv=v1×a-v2

式中：

v1- 進(jìn)窯輥線速度，m/s

v2- 智能輥臺線速度，m/s

ω1、ω2- 經(jīng)過浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算得到角速度數(shù)據(jù)，單位rad/s

r1- 進(jìn)窯輥臺測速輪半徑，單位m

r2- 智能輥臺測速輪半徑，單位m

Δv- 為v1和v2的差值

2.4 PID 調(diào)節(jié)原理、特點(diǎn)

PLC 設(shè)有PID（比例、微積分控制）運(yùn)算模塊，根據(jù)公式1，電機(jī)速度V 是由PLC 模擬量來控制輸出，模擬量響應(yīng)涉及到PID 的調(diào)節(jié)，原理如下：

PI 控制器與被控對象串聯(lián)時，可以使系統(tǒng)提高一個級別，而且還提供了兩個負(fù)實部的零點(diǎn)。與PI 控制器相比，PID 控制器除了同樣具有提高系統(tǒng)穩(wěn)定性能的優(yōu)點(diǎn)外，還多了一個負(fù)實部零點(diǎn)，由于PID 控制器在提高動力系統(tǒng)方面具有很大的優(yōu)越性，因此得到了廣泛應(yīng)用。

PID 控制綜合了PI 控制與PD 控制長處，并消除其短處。積分的作用是消除誤差，而微分控制則可縮小超調(diào)量，加快反應(yīng)。從頻域角度看，PID 控制通過積分作用于系統(tǒng)的低頻段，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而微分作用于系統(tǒng)的中頻段，以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。

比例(P)控制能迅速反映誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例放大系數(shù)的加大.會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器(I)就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差。如有足夠的時間，積分控制就能完全消除誤差，使系統(tǒng)誤差為零，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用太強(qiáng)會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使出現(xiàn)振蕩。微分(D)控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減少調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。根據(jù)不同的被控對象的控制特性，又可以分為P、PI、PD、PID 等不同的控制模型。

PID 調(diào)節(jié)原理參見圖3。

圖3 PID 調(diào)節(jié)原理圖

2.5 風(fēng)機(jī)控制

結(jié)合光電開關(guān)的檢測信號可以推算出坯體移動距離，當(dāng)計算并檢測到磚坯運(yùn)行至風(fēng)機(jī)位置時，風(fēng)機(jī)啟動，對磚面灰塵進(jìn)行吹掃。系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)窯輥臺編碼器反饋的速度值對吹風(fēng)量進(jìn)行精確控制，以減少單位產(chǎn)品的耗電量。通過公式5 計算出風(fēng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速以控制風(fēng)量大小。根據(jù)公式5，PLC 發(fā)出速度指令給風(fēng)機(jī)電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過電機(jī)頻率加快或減慢來調(diào)節(jié)吹塵風(fēng)量的大小。風(fēng)機(jī)電機(jī)的聯(lián)軸器終端設(shè)置有一個編碼器，檢測實際風(fēng)機(jī)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度后傳回系統(tǒng)進(jìn)行對比運(yùn)算，糾正偏差，計算和輸出更準(zhǔn)確的運(yùn)行速度，形成了一個局部閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)光電開關(guān)檢測不到坯體進(jìn)窯時，則停止智能輥臺和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，以防止空轉(zhuǎn)耗電，達(dá)到節(jié)能的目的。

式中：

ω3- 風(fēng)機(jī)輸出角速度，rad/s

ω4- 風(fēng)機(jī)編碼器讀取角速度,rad/s

b- 比例值（常數(shù)，通過PLC 內(nèi)部一系列繁瑣的圓周率、數(shù)值轉(zhuǎn)換等綜合計算所得）

Δω- 實測ω4×b 與風(fēng)機(jī)理論計算速度ω3差值，rad/s

2.6 對中伺服系統(tǒng)

同樣，PLC 根據(jù)智能輥臺的運(yùn)行速度，計算出對中機(jī)的開始對中動作時間，即磚坯運(yùn)行至對中機(jī)中間位置時，對中機(jī)開始對中，將磚坯擋整齊。對中機(jī)對中速度的設(shè)定是恒定的，通過PLC 脈沖信號發(fā)送給伺服電機(jī)驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機(jī)運(yùn)行。伺服電機(jī)終端設(shè)置有編碼器，編碼器將信號傳送給伺服驅(qū)動器，這樣在伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動器之間也形成小閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)控制。

2.7 I/O 模擬信號

PLC 通過光電開關(guān)的I/O 信號、智能輥臺運(yùn)行速度，模擬出磚坯在智能輥臺上的運(yùn)行軌跡，并直觀地反映在人機(jī)界面畫面上。

2.8 生產(chǎn)信息可視化

上位機(jī)可通過網(wǎng)絡(luò)連接將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、報警記錄等數(shù)據(jù)上傳到智能終端系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)信息可視化，如圖4（局部圖）。

圖4 信息可視化圖（局部）

2.9 系統(tǒng)控制總圖

包括進(jìn)窯輥臺、智能輥臺各機(jī)構(gòu)、傳感器等整個系統(tǒng)的控制原理參見圖5。

圖5 系統(tǒng)控制總圖

3 答疑解問

下面將針對陶瓷企業(yè)專業(yè)人員日常提出過的一些疑問進(jìn)行解答，使本文中的軟件、硬件技術(shù)要點(diǎn)闡述得更加完整。

（1）智能輥臺分段、速度如圖2 所示，智能輥臺配有五臺電機(jī)（M1～M5），相當(dāng)于設(shè)置了五個傳動段，每個傳動段的運(yùn)轉(zhuǎn)速度相同。

都是根據(jù)進(jìn)窯輥臺運(yùn)行速度轉(zhuǎn)換得到的。

（2）風(fēng)機(jī)的自動關(guān)閉。光電開關(guān)設(shè)置在M4 傳動段，風(fēng)機(jī)設(shè)置在M1 傳動段，文中提及“當(dāng)光電開關(guān)檢測不到坯體進(jìn)窯時，則停止智能輥臺和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行”，如果M2～M3 傳動段剛好有坯體在進(jìn)行對中處理，應(yīng)當(dāng)把控智能輥臺和風(fēng)機(jī)的關(guān)閉時間根據(jù)M1～M3 傳動段的當(dāng)前速度計算坯體全數(shù)通過M1 傳動段并進(jìn)入下游傳動輥臺的時間T，然后啟動控制柜定時功能（即在時間T 之后）關(guān)閉智能輥臺和風(fēng)機(jī)。

（3）測不到坯體時，會將M1～M3 傳動段的電機(jī)關(guān)閉以避免不必要的耗電，M4～M5 傳動段的電機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)以將后續(xù)坯體傳輸至M4 段被光電開關(guān)所檢測。

（4）關(guān)于對中機(jī)開始對中動作的時間，可以認(rèn)為當(dāng)光電開關(guān)檢測到有坯體時，控制柜立馬控制對中機(jī)開始動作，需要持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)接來坯體。

（5）如圖2 所示，對中機(jī)設(shè)置在M2～M3 傳動段上可對四塊產(chǎn)品進(jìn)行對齊處理，并在對齊過程中可以保持M1～M3 傳動段運(yùn)行，但M4～M5 傳動段是否應(yīng)當(dāng)暫停運(yùn)行，以避免M4 傳動段上的產(chǎn)品影響到對中機(jī)的當(dāng)前對齊動作，應(yīng)當(dāng)規(guī)定在控制柜接收到對中機(jī)反饋的對中結(jié)束信號時恢復(fù)M4～M5 傳動段的運(yùn)行。

M2 和M3 在對中的時候，M4 和M5 在光電開關(guān)未檢測到磚坯時繼續(xù)運(yùn)行，如果在對中的時候，又檢測到下一波磚坯到達(dá)時，則停止運(yùn)行；每波磚坯之間都有運(yùn)行間隙，而非連續(xù)不斷的。

(6)圖6 中的AD/DA 的意思。

AD 轉(zhuǎn)換是指模數(shù)轉(zhuǎn)換，即將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。主要包括積分型、逐次逼近型、并行比較型/串行并行型、調(diào)制型、電容器陣列逐次比較型和電壓頻率轉(zhuǎn)換型。

DA 轉(zhuǎn)換是指數(shù)模轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。需要注意的指標(biāo)是：轉(zhuǎn)換范圍、轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換時間。

4 結(jié)語

近年來，陶瓷行業(yè)的頭部企業(yè)非常重視生產(chǎn)線的智能化，也陸陸續(xù)續(xù)建設(shè)了不少數(shù)字化、智能化車間、工廠。本文介紹的結(jié)構(gòu)技術(shù)只是輸送過程中的一個細(xì)小環(huán)節(jié)。但如果陶瓷生產(chǎn)線的每個小環(huán)節(jié)都能實現(xiàn)精細(xì)化控制，那么將會促使整線更加節(jié)能環(huán)保、智能化，相信未來會有更多類似的技術(shù)涌現(xiàn)。