電線電纜張力測控系統(tǒng)的設計

張海燕ZHANG Hai-yan

（明達職業(yè)技術學院，射陽 224300）

（Mingda Vocational and Technical College，Sheyang 224300，China）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，各行業(yè)對電線電纜的需求量日益增加，各生產(chǎn)廠商面臨著對電線電纜質量上的競爭，電線電纜生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，使得越來越多的卷線設備需要采用微機對其進行控制和保護，以此提高生產(chǎn)的經(jīng)濟性和安全性。卷線過程是生產(chǎn)電纜的一個重要過程，目前國內主要卷線設備，速度慢、卷繞制品簡單、張力控制是通過手動調整電動機來達到調整電纜松緊程度的目的，這樣不僅勞動強度大，而且效率低。因此，設計一套具有完善的保護性能、合理的技術要求的電線電纜張力控制系統(tǒng)對加速我國的經(jīng)濟建設有著重要的意義。

本文筆者通過模擬實驗，采用先進的PLC 微機控制技術，設計了電線電纜張力測控系統(tǒng)并完善改系統(tǒng)。使其具有良好的信號處理性能，在靈活多變的軟件支持下，能夠通過檢測和判斷電纜張力的大小，實現(xiàn)對電線電纜張力的自我調節(jié)作用。

1 電線電纜張力的控制策略

1.1 電線電纜張力范圍的確定 適當?shù)膹埩κ潜ＷC卷取電線電纜正常工作的重要因素。由于張力不足會導致電線電纜打滑，動機空轉或丟轉引起非正常卷繞的情況；張力過大則會縮短電線電纜的使用壽命，易拉斷。

根據(jù)線速度和張力之間有下列的近似關系，在電線電纜的兩個傳動單元之間的張力滿足：

式中：F 為張力（N），S 為電線電纜的截面積（m2），E 為電線電纜彈性模量（Pa），l 為兩個傳動點之間的距離（m），v1，v2為兩個傳動點的線速度（m/s），t 為系統(tǒng)啟動時間。

由轉動定律知：

顯然，k 為一個常數(shù)，是一個典型的積分環(huán)節(jié)，張力的變化過程是個隨時間的積分過程，這說明有當前和過去兩種狀態(tài)影響電線電纜上的張力。

計算（過程略）并考慮電線電纜的拉伸變形因素，確定電線電纜的張力范圍為0-5N。

1.2 電線電纜張力的控制方式 在對電線電纜張力進行控制的時候，可以根據(jù)電纜的特點和生產(chǎn)工藝要求進行，卷取電線電纜應保持一定的松緊度，這樣既能自動控制，也能手動控制。在自動控制的時候，可以根據(jù)電線電纜的張力確定一個范圍，并分別設定3 個值，即張力的上限、下限和中間值。當電線電纜張力逐漸增大并達到上限值時，張力傳感器的檢測輪上升并發(fā)出信號，以此命令主動輪電動機加速，降低檢測輪的物理位置；直到張力達到中間值的時候，檢測輪將不再移動。這樣電線電纜能夠始終保持一定的松緊度，有效地防止拉伸、變松、過緊和打滑，最大限度地避免卷取電動機空轉或丟轉現(xiàn)象的發(fā)生，同時有效地減小了膠輥輪與電線電纜之間的滑動摩擦。當自動控制方式發(fā)生故障的時候，張力傳感器可以自動切換成手動的狀態(tài)，通過手動來調節(jié)電線電纜的松緊度。如圖1 所示。

圖1 張力傳感器工作示意圖

2 電線電纜張力控制的實現(xiàn)

2.1 張力傳感器的測量原理 滑動變阻器連接的是張力檢測輪，這樣通過檢測輪的位置變化轉換為電位器阻值變化，從而得到隨位置變化的電壓值。之所以選用調節(jié)式張力傳感器，是因為彈簧本身就是一個儲能元件，它所吸收的緩沖作用能夠防止張力大范圍跳變。此時的檢測方法用張力的變化直接拉動張力檢測輪上下移動，這樣對張力變化的反應速度也較為敏感[1][2]。

2.2 硬件設計電線電纜張力的測控系統(tǒng)的硬件電纜框圖，可以通過圖2 所示得知。該系統(tǒng)S7-200CPU226 為核心,包括電源模塊、模擬量采集處理模塊、主控模塊、和驅動和執(zhí)行模塊。

圖2 張力測控系統(tǒng)硬件電路框圖

①電源模塊電源模塊主要由+5V 直流穩(wěn)壓電路組成。提供電壓信號。②模擬量采集處理模塊的主要任務就是通過對電線電纜張力信號的采集和轉換，以達到滿足PLC機所處理的需求。在CPU 的控制下，能夠順利完成對電線電纜張力的檢測和保護功能。③主控模塊主控模塊以S7-200CPU226 為核心，包括其外部擴展電路等。CPU 接收經(jīng)A/D 轉換后的數(shù)字量和USS 指令對其進行判斷和處理，與認為給定速度做比較，輸出信號，實現(xiàn)對放卷電動機的控制和保護。④驅動和執(zhí)行模塊由變頻器和電動機組成，主要是由變頻器驅動電機，以此控制放卷電動機的速度。

2.3 軟件設計 電線電纜測控系統(tǒng)的軟件設計采用模塊化結構。整套程序包括主控模塊、初始化模塊、張力檢測模塊、模數(shù)轉換模塊等。系統(tǒng)程序流程如圖3 所示。

①主控模塊是整個系統(tǒng)軟件的核心部分。主要是通過對各個功能模塊的合理調用，以完成對電線電纜張力進行檢測、分析和判斷，實現(xiàn)對電線電纜松緊度的控制。②初始模塊的主要作用就是對系統(tǒng)資源的初始化。③張力檢測模塊主要是用于完成對電線電纜張力的實時采樣，并將采樣值送至PLC 主控單元進行的計算和處理。④模數(shù)轉換模塊根據(jù)主控模塊的需要，及時地進行轉換。

3 結束語

通過系統(tǒng)模擬調試，采用先進的PLC 控制技術，設計了電線電纜張力測控系統(tǒng)。它具有優(yōu)良的信號處理電路，在靈活多變的軟件支持下，可以通過檢測來判斷電線電纜張力的大小，以此實現(xiàn)對卷取的自動調節(jié)。調試表明，該設計具有一定的理論依據(jù)和實際應用價值。

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

[1]童朝南，紀智等.卷取張力控制新方法[J].北京科技大學學報，2002，24（4）：463-465.

[2]徐科軍.傳感器與檢測技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[3]周永坤.淺析PLC 的應用及前景[J].科技資訊，2005（25）.

[4]M.T.Squish，I.H.Manual.FX-Series Programmable Controller.Electronics，1991.

[5]D.H.Enning.PLC automata a new class of implement able real time automation.Theoretical Computer Science，2001.