張海燕ZHANG Hai-yan

（明達(dá)職業(yè)技術(shù)學(xué)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(zhì)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(shè)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(nèi)主要卷線設(shè)備，速度慢、卷繞制品簡單、張力控制是通過手動調(diào)整電動機來達(dá)到調(diào)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(shè)計一套具有完善的保護性能、合理的技術(shù)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(shè)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(shù)，設(shè)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(diào)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(dāng)?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(dǎo)致電線電纜打滑，動機空轉(zhuǎn)或丟轉(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)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(dāng)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(yīng)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(shè)定3 個值，即張力的上限、下限和中間值。當(dāng)電線電纜張力逐漸增大并達(dá)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(dá)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(zhuǎn)或丟轉(zhuǎn)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(dāng)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(diào)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(zhuǎn)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(diào)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(yīng)速度也較為敏感[1][2]。

2.2 硬件設(shè)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(qū)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(wù)就是通過對電線電纜張力信號的采集和轉(zhuǎn)換，以達(dá)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(zhuǎn)換后的數(shù)字量和USS 指令對其進行判斷和處理，與認(rèn)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(qū)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(qū)動電機，以此控制放卷電動機的速度。

2.3 軟件設(shè)計 電線電纜測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)。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(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)換模塊根據(jù)主控模塊的需要，及時地進行轉(zhuǎn)換。

3 結(jié)束語

通過系統(tǒng)模擬調(diào)試，采用先進的PLC 控制技術(shù)，設(shè)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(diào)節(jié)。調(diào)試表明，該設(shè)計具有一定的理論依據(jù)和實際應(yīng)用價值。

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

[1]童朝南，紀(jì)智等.卷取張力控制新方法[J].北京科技大學(xué)學(xué)報，2002，24（4）：463-465.

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

[3]周永坤.淺析PLC 的應(yīng)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.