基于PLC 與編碼器對發動機流轉自行小車前后葫蘆失衡傾斜的改造

安徽江淮汽車集團股份有限公司重型車分公司 陳良銀

引言

發動機流轉自行小車以其結構緊湊、速度可調、經濟方便等特點，被廣泛應用在汽車主機廠總裝車間。特別是商用車制造公司總裝車間發動機輸送線，基本都采用流轉自行小車輸送系統。毫無例外，我公司總裝車間發動機輸送線也是自行小車輸送系統，承擔著多種車型發動機的輸送流轉工作。由于其電氣控制系統設計上的缺陷，該輸送線流轉自行小車前/后葫蘆在上升/下降過程中，由于各種原因，出現前/后葫蘆不同步導致失衡傾斜的問題，而且，既沒有失衡檢測與保護系統，PLC 也沒有輸出報警信號，給現場作業人員與設備設施形成極大的安全威脅。針對這一問題，經過細致的分析、研討，確定并實施了技術改造方案，最終解決了電控系統設計上的缺陷，有效保證了現場作業人員與設備設施的安全。

發動機流轉自行小車電控系統介紹

1. 電氣控制系統組成

主要由主控系統（西門子PLC200）、驅動系統（三菱變頻器E740）、電控執行系統（各類接觸器）、電源及轉換系統（包括電源變壓器與斷路器以及轉換繼電器）等組成,如圖1 所示。

2. 電控系統的功能與原理

流轉自行小車電控系統類似于一個移動的從站系統，被動地接收來自輸送線地面主控柜（主站SIEMENS PLC S7-300 CPU315-2DP）發出的信號，由隨車PLC（SIEMENS PLC S7-200 CPU226CN）根據各檢測元件的狀態執行小車運行狀態和前/后葫蘆的動作。同時，也可以通過地面各工位的手電門，來控制小車和葫蘆的運行。整條輸送線，只有在上料區域、下料區域、維修區域，小車葫蘆才可以上升/下降，其余區域小車只能作前/后運行。

圖1 電氣控制系統組成

2.1 上料區域

在自動狀態下，如果本工位無車時，按一下“要車”按鈕，上一工位的小車會自動進入本工位，小車到位后會自動下降。待發動機懸掛完畢，手動上升一定高度后，按一下“放車”按鈕，小車自動上升到上限位，而后快進到下一個工位。如果選擇為手動狀態，小車到位后不會自動下降，靠手動下降；手動上升到上限位后，按一下“放車”按鈕，小車自動快進到下一個工位。升降按鈕具有快慢雙速功能，上料區域小車升降可以實現快慢速切換。

2.2 下料區域

在自動狀態下，下料1 工位無車時，按一下“要車”按鈕，上一個工位小車會自動進入本工位。如果下料2 工位有車時，下料1 工位小車到下1 前限位時會自動停止。若下料2 工位無車時，則按一下“放車”按鈕，小車自動快進到下料2工位，然后快速上升至上限位，并快速進入返回道積放區域。選擇為手動狀態時，其小車運行過程同上料區域的運行過程一樣，所不同的是，下料區域有兩個下料工位，兩個工位可同時進行裝配。下料區域小車升降也可以實現快慢速切換。

2.3 維修區域

過渡位無小車時，維修/自動旋鈕轉換到“維修”位，操作“合直”/“合彎”按鈕，將小車流轉進入維修站，對故障小車進行檢修。在維修區域內，可以實現小車前進/后退、上升/下降、快速/慢速等多種功能檢測與調整。在積放5 工位無車時，檢修之后的小車可以自動放出維修站，行進到下一個工位隨線運行。

存在的問題及原因分析

1. 存在的問題

常規重卡發動機總成的凈質量一般為1.5T左右，前/后葫蘆分別勾住發動機的兩個吊耳，分攤發動機的重量，發動機兩個吊耳均勻受力。該流轉自行小車在上料區域與下料區域，在自動上升/下降過程中，由于葫蘆自身損壞、電氣輸出故障或其他原因，導致前/后葫蘆出現不同步、失衡傾斜的現象。當前/后葫蘆失衡傾斜后，只有一只吊耳受力，此時受力的吊耳隨時都有斷裂的風險；同時，受力那臺葫蘆也有超負載的風險；此外，現場作業人員的安全也受到致命威脅。小車傾斜故障圖如圖2 所示。

2.失衡傾斜的原因分析

由于設計上的缺陷，該流轉自行小車既沒有前/后葫蘆失衡檢測裝置，也沒有失衡傾斜保護功能。當葫蘆在上升或下降過程中，由于種種原因引起其中一臺葫蘆停轉，而另一臺葫蘆則會繼續升降，很容易導致前/后葫蘆失衡傾斜。從電氣控制功能與目標來分析，很顯然不符合電氣控制功能與設備安全運行要求。

圖2 小車傾斜故障圖

技術改造方案的提出與實施

1.技術改造方案的提出與功能要求

1.1 技術改造方案

針對存在的問題，根據流轉自行小車現有的結構，我們提出的技術改造方案是通過增加編碼器檢測裝置、完善失衡傾斜保護功能，杜絕前/后葫蘆傾斜現象的發生。

硬件方面，在每一臺葫蘆電機驅動軸上各安裝一個旋轉編碼器。旋轉編碼器通過專用的聯軸器與葫蘆電機驅動軸相連接，并且，旋轉編碼器采用專用的三腳固定支架予以固定，葫蘆在作上升/下降運行時，旋轉編碼器隨著電機驅動軸同步轉動，實時檢測葫蘆電機旋轉的電脈沖數值，并將這一模擬量數值同步反饋給PLC200 系統。

軟件方面，由于現有的PLC200 CPU226CN 具有模擬量運算功能，可以利用現有的PLC 控制系統，在PLC 執行程序中編寫前/后葫蘆電機驅動軸轉角檢測功能與失衡傾斜保護功能程序，PLC 根據實時檢測的數據進行邏輯運算，并且依據計算的結果，給出相應的輸出指令，從而達到失衡傾斜保護的功能。

1.2 技術改造方案的功能要求

要想達到技術改造方案實現的目標，必須在軟硬件方面都要滿足功能要求。軟件方面，考慮到PLC200 CPU226CN 具有模擬量運算處理功能，只需要編寫相應的檢測與運算以及保護執行程序即可。硬件方面，旋轉編碼器既要與葫蘆電機連接固定良好、還要滿足精度要求，同時，還要與控制系統PLC 輸入輸出匹配。為此，我們選定型號為BES50-08S6H-100 旋轉編碼器。該增量式旋轉編碼器具有高分辨率、強負載性能、動態響應速度快、寬電壓、性價比高等特點，完全能滿足工作要求，同時還能滿足PLC 輸入輸出電壓和現場多塵與環境溫度對安全的要求。編碼器相關參數如表1 所示。

表1 編碼器相關參數

2.技術改造方案的實施

2.1 旋轉編碼器支架的設計安裝

由于葫蘆電機驅動軸外端有3 個φ8mm 預留孔，該預留孔的3 個孔距呈等腰三角形，所以，設計制作的旋轉編碼器支架外圓的孔距必須與3 個預留孔所形成的等腰三角形的孔距相等。旋轉編碼器支架內圓的孔距與旋轉編碼器本體上3 個φ3mm 孔距相等即可。考慮到扭力的要求，選擇的旋轉編碼器支架采用5mm 厚度的普通鋼板。聯軸器也采用非標設計，為了便于調節兩軸（電機驅動軸與旋轉編碼器軸）之間的距離，選擇長度為80mm，且2/3 為螺牙的螺桿設計。其整體外形如圖3 所示。

圖3 編碼器及其支架

2.2 電氣接線與程序設計

2.2.1 電氣接線

由于該編碼器屬于增量式旋轉編碼器，故Z相信號線（黃色）無需接入。而葫蘆電機在上升/下降過程中作正/反轉動，因此，需將編碼器A/B 相輸出端接入相應的點。具體接線方式為編碼器的電源正端信號線（褐色）接24VDC供電正端，編碼器電源負端信號線（藍色）接24VDC 供電負端。前葫蘆編碼器A 相輸出信號線（黑色）接入PLC 輸入端I0.0 點，編碼器B相輸出信號線接入PLC 輸入端I0.1 點；后葫蘆編碼器A 相輸出信號線（黑色）接入PLC 輸入端I0.3 點，編碼器B 相輸出信號線接入PLC 輸入端I0.4點。編碼器的屏蔽線與公共接地端相連。至此，旋轉編碼器實現了與PLC 的電氣通信連接。接線圖（部分）如圖4 所示。

圖4 旋轉編碼器接線圖（部分）

2.2.2 程序設計

在PLC 執行程序中增加前/后葫蘆升降脈沖檢測程序、脈沖數值比較程序、報警輸出程序。以前/后葫蘆上升到位為初始值，前葫蘆的初始值裝入VD0，后葫蘆的初始值裝入VD20。當前/后葫蘆開始下降時，脈沖檢測程序隨即進入檢測狀態，實時檢測前/后葫蘆運行時當前的脈沖數值，前葫蘆的當前值裝入VD4，后葫蘆的當前值裝入VD24；下降的脈沖數值為正（增量），上升的脈沖數值為負（減量），并且，這一數值在沒有歸零（初始值）前將一直累積。同時，將前/后葫蘆運行的脈沖數值進行比較，前葫蘆的當前值與后葫蘆的當前值之間的差值裝入VD10；后葫蘆的當前值與前葫蘆的當前值之間的差值裝入VD30；然后將VD10、VD30 分別與設定值進行比較，當VD10、VD30 的脈沖數≥1000，也就是前/后葫蘆落差≥6cm 時，PLC 終止前/后葫蘆升降動作，同時M10.4 將輸出故障報警信號。此時，只能手動調整前/后葫蘆狀態，且必須回到初始值（歸零）才能繼續自動運行。這樣就能有效避免前/后葫蘆落差過大，杜絕出現單邊受力的不安全狀況。部分程序圖如圖5 所示。

圖5 部分程序圖

結束語

通過對發動機流轉自行小車前/后葫蘆電機增加旋轉編碼器檢測裝置，檢測前/后葫蘆升降的實時狀態，有效解決了前/后葫蘆因不同步導致失衡傾斜所帶來的安全隱患。并且，該項目進行了長時間的跟蹤驗證，有效保護了現場作業人員與設備設施的安全，取得了良好的社會效益，而且對類似的設備改造也提供了借鑒作用。