速度跟随系统在输送装备中的研究应用

2024-01-03袁樟楠

佛山陶瓷 2023年12期

袁樟楠

（佛山市德力泰科技有限公司，佛山 528137）

1 前言

在陶瓷砖（板）生产过程中，会涉及经常更换规格型号、花色品种或者提产、降产的调整动作，这就需要根据生产情况不断更改窑炉的烧成周期（厚薄、花色、规格等变化会影响烧成时间），以保证产品的烧成质量。烧成周期的变化时，窑炉前端的装载设备也需要进行速度调整，比如下文所述的智能辊台，能够自动调整自身运行速度，来匹配窑炉的进坯速度，以保证流水线连续柔和生产。目前，这个过程全部靠人工在上位机里面输入不同烧成周期的速度值来进行更改匹配。常用的具体操作次序为：首先根据生产需要先转换窑炉烧成周期，再从窑头向前依次调整上游配套设备（如釉线、干燥器、连接线、各种功能设备等）的运行速度，直到压机输送辊台处，一个转换过程调整下来，往往要花费数小时之久，效率低下且工作强度大。此外，不管有无坯体进入窑炉，入窑口的吹尘风机会一直按照固定的频率不间断运行，在“空窑”情况下若无人员关闭，也会白白消耗电力，造成浪费。

拟研究开发一种能够自动跟随窑炉烧成周期、传动速度变化的信息化智能辊台，并逐步研究以扩大到其他工序，让整个生产线的操作更加人性化、运行过程更加节能环保。德力泰窑炉参见图1。

图1 德力泰窑炉

2 系统构成及工作原理

智能辊台使用的是一种速度跟随系统来达成目的，该系统由辊台测速编码器、吹尘风机及其编码器、对中机、传动电机和光电开关等组件构成。测速编码器是将是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移或者速度的大小。参见图2。

图2 速度跟随系统示意图

2.1 各设备功能

对中机是用于将前端混乱的坯体两边对中推送整齐，智能辊台用于将排列整齐的坯体输送到进窑辊台入窑，风机的主要功能是吹尘，也有冷却坯体的作用。相比上、下游其他仅具备输送功能的设备，该辊台具有速度跟随等智能属性。智能辊台根据窑炉烧成周期产生的一个理想值，再用编码器去测进窑辊台的实际转速值，然后反馈给智能辊台速度跟随系统计算、调整和匹配速度，以实现对窑炉周期速度的同步跟随。

2.2 速度检测与计算

当窑炉烧成周期改变时，与窑体传动相连的进窑辊台产生一个运行速度，安装在进窑辊台传动辊棒上的测速编码器通过转动的转轴读取进窑辊台的速度，通过脉冲信号反馈给PLC（可编程控制器），PLC 根据反馈的速度按照下列“计算公式1”算出智能辊台对应的运行速度，通过速度控制信号发指令给智能辊台电机驱动器运转。在智能辊台的终端设有一个编码器检测实际速度，检测结果传送回PLC 后进行对比运算，有误差则重新发送新的速度指令，如此形成一个局部闭环控制系统。

计算公式1：

v=v1×a+Δv

式中：

v- 智能辊台输出速度，m/s

v1- 入窑辊台速度,m/s

a- 比例值（常数，通过PLC 内部一系列繁琐的圆周率、数值转换等综合计算所得）

Δv- 补偿差值，m/s，Δv 计算参见公式4。

例如：入窑辊台的速度经换算为15m/s,a 的取值为1.105，Δv 是一个变化值，智能辊台的速度V 则为15×1.105+Δv。

2.3 速度数据转换过程

那么问题来了，线速度数据v1是怎么得来，以及如何转换的呢？假设进窑辊台编码器读出角速度数据为D1（自然数）,经过浮点数运算得到数据ω1,通过辊台测速滚轮半径数据r1计算出进窑辊台编码器的线速度v1；同理，智能辊台编码器读出数据角速度为D2（自然数）,经过浮点数运算得到数据ω2,通过辊台测速滚轮半径数据r2再计算出智能辊台编码器的线速度v2。

计算公式2：v1=ω1×r1

计算公式3：v2=ω2×r2

计算公式4：Δv=v1×a-v2

式中：

v1- 进窑辊线速度，m/s

v2- 智能辊台线速度，m/s

ω1、ω2- 经过浮点数运算得到角速度数据，单位rad/s

r1- 进窑辊台测速轮半径，单位m

r2- 智能辊台测速轮半径，单位m

Δv- 为v1和v2的差值

2.4 PID 调节原理、特点

PLC 设有PID（比例、微积分控制）运算模块，根据公式1，电机速度V 是由PLC 模拟量来控制输出，模拟量响应涉及到PID 的调节，原理如下：

PI 控制器与被控对象串联时，可以使系统提高一个级别，而且还提供了两个负实部的零点。与PI 控制器相比，PID 控制器除了同样具有提高系统稳定性能的优点外，还多了一个负实部零点，由于PID 控制器在提高动力系统方面具有很大的优越性，因此得到了广泛应用。

PID 控制综合了PI 控制与PD 控制长处，并消除其短处。积分的作用是消除误差，而微分控制则可缩小超调量，加快反应。从频域角度看，PID 控制通过积分作用于系统的低频段，以提高系统的稳定性，而微分作用于系统的中频段，以改善系统的动态性能。

比例(P)控制能迅速反映误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大.会引起系统不稳定。只要系统有误差存在，积分控制器(I)就不断地积累，输出控制量，以消除误差。如有足够的时间，积分控制就能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使出现振荡。微分(D)控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减少调整时间，从而改善系统的动态性能。根据不同的被控对象的控制特性，又可以分为P、PI、PD、PID 等不同的控制模型。

PID 调节原理参见图3。

图3 PID 调节原理图

2.5 风机控制

结合光电开关的检测信号可以推算出坯体移动距离，当计算并检测到砖坯运行至风机位置时，风机启动，对砖面灰尘进行吹扫。系统根据进窑辊台编码器反馈的速度值对吹风量进行精确控制，以减少单位产品的耗电量。通过公式5 计算出风机的输出转速以控制风量大小。根据公式5，PLC 发出速度指令给风机电机驱动器驱动电机运转，通过电机频率加快或减慢来调节吹尘风量的大小。风机电机的联轴器终端设置有一个编码器，检测实际风机电机运转速度后传回系统进行对比运算，纠正偏差，计算和输出更准确的运行速度，形成了一个局部闭环控制系统。当光电开关检测不到坯体进窑时，则停止智能辊台和风机的运行，以防止空转耗电，达到节能的目的。

式中：

ω3- 风机输出角速度，rad/s

ω4- 风机编码器读取角速度,rad/s

b- 比例值（常数，通过PLC 内部一系列繁琐的圆周率、数值转换等综合计算所得）

Δω- 实测ω4×b 与风机理论计算速度ω3差值，rad/s

2.6 对中伺服系统

同样，PLC 根据智能辊台的运行速度，计算出对中机的开始对中动作时间，即砖坯运行至对中机中间位置时，对中机开始对中，将砖坯挡整齐。对中机对中速度的设定是恒定的，通过PLC 脉冲信号发送给伺服电机驱动器，伺服驱动器驱动伺服电机运行。伺服电机终端设置有编码器，编码器将信号传送给伺服驱动器，这样在伺服电机与伺服驱动器之间也形成小闭环系统进行连续控制。

2.7 I/O 模拟信号

PLC 通过光电开关的I/O 信号、智能辊台运行速度，模拟出砖坯在智能辊台上的运行轨迹，并直观地反映在人机界面画面上。

2.8 生产信息可视化

上位机可通过网络连接将设备运行状态、生产数据、报警记录等数据上传到智能终端系统，实现生产信息可视化，如图4（局部图）。

图4 信息可视化图（局部）

2.9 系统控制总图

包括进窑辊台、智能辊台各机构、传感器等整个系统的控制原理参见图5。

图5 系统控制总图

3 答疑解问

下面将针对陶瓷企业专业人员日常提出过的一些疑问进行解答，使本文中的软件、硬件技术要点阐述得更加完整。

（1）智能辊台分段、速度如图2 所示，智能辊台配有五台电机（M1～M5），相当于设置了五个传动段，每个传动段的运转速度相同。

都是根据进窑辊台运行速度转换得到的。

（2）风机的自动关闭。光电开关设置在M4 传动段，风机设置在M1 传动段，文中提及“当光电开关检测不到坯体进窑时，则停止智能辊台和风机的运行”，如果M2～M3 传动段刚好有坯体在进行对中处理，应当把控智能辊台和风机的关闭时间根据M1～M3 传动段的当前速度计算坯体全数通过M1 传动段并进入下游传动辊台的时间T，然后启动控制柜定时功能（即在时间T 之后）关闭智能辊台和风机。

（3）测不到坯体时，会将M1～M3 传动段的电机关闭以避免不必要的耗电，M4～M5 传动段的电机继续运转以将后续坯体传输至M4 段被光电开关所检测。

（4）关于对中机开始对中动作的时间，可以认为当光电开关检测到有坯体时，控制柜立马控制对中机开始动作，需要持续运转接来坯体。

（5）如图2 所示，对中机设置在M2～M3 传动段上可对四块产品进行对齐处理，并在对齐过程中可以保持M1～M3 传动段运行，但M4～M5 传动段是否应当暂停运行，以避免M4 传动段上的产品影响到对中机的当前对齐动作，应当规定在控制柜接收到对中机反馈的对中结束信号时恢复M4～M5 传动段的运行。

M2 和M3 在对中的时候，M4 和M5 在光电开关未检测到砖坯时继续运行，如果在对中的时候，又检测到下一波砖坯到达时，则停止运行；每波砖坯之间都有运行间隙，而非连续不断的。

(6)图6 中的AD/DA 的意思。

AD 转换是指模数转换，即将模拟信号转换为数字信号。主要包括积分型、逐次逼近型、并行比较型/串行并行型、调制型、电容器阵列逐次比较型和电压频率转换型。

DA 转换是指数模转换，将数字信号转换为模拟信号。需要注意的指标是：转换范围、转换精度、转换时间。