摘要：本文笔者通过模拟实验，采用先进的PLC微机控制技术，设计了电线电缆张力测控系统并完善改系统。使其具有良好的信号处理性能，在灵活多变的软件支持下，能够通过检测和判断电缆张力的大小，实现对电线电缆张力的自我调节作用。
关键词：绕线张力；测控系统；研究
随着我国经济的快速发展，各行业对电线电缆的需求量日益增加，各生产厂商面临着对电线电缆质量上的竞争，电线电缆生产自动化程度的不断提高，使得越来越多的卷线设备需要采用微机对其进行控制和保护，以此提高生产的经济性和安全性。卷线过程是生产电缆的一个重要过程，目前国内主要卷线设备，速度慢、卷绕制品简单、张力控制是通过手动调整电动机来达到调整电缆松紧程度的目的，这样不仅劳动强度大，而且效率低。因此，设计一套具有完善的保护性能、合理的技术要求的电线电缆张力控制系统对加速我国的经济建设有着重要的意义。
一、电线电缆张力的控制策略
1、电线电缆张力范围的确定适当的张力是保证卷
取电线电缆正常工作的重要因素。由于张力不足会导致电线电缆打滑，动机空转或丢转引起非正常卷绕的情况；张力过大则会缩短电线电缆的使用寿命，易拉断。根据线速度和张力之间有下列的近似关系，在电线电缆的两个传动单元之间的张力满足：
式中：F为张力（N），S为电线电缆的截面积（m2），E为电线电缆弹性模量（Pa），l为两个传动点之间的距离（m），v1，v2为两个传动点的线速度（m/s），t为系统启动时间。
由转动定律知：
v1=πD1n1
v2=πD2n2
显然，k为一个常数，是一个典型的积分环节，张力的变化过程是个随时间的积分过程，这说明有当前和过去两种状态影响电线电缆上的张力。计算（过程略）并考虑电线电缆的拉伸变形因素，确定电线电缆的张力范围为0-5N。
2、电线电缆张力的控制方式
在对电线电缆张力进行控制的时候，可以根据电缆的特点和生产工艺要求进行，卷取电线电缆应保持一定的松紧度，这样既能自动控制，也能手动控制。在自动控制的时候，可以根据电线电缆的张力确定一个范围，并分别设定3个值，即张力的上限、下限和中间值。当电线电缆张力逐渐增大并达到上限值时，张力传感器的检测轮上升并发出信号，以此命令主动轮电动机加速，降低检测轮的物理位置；直到张力达到中间值的时候，检测轮将不再移动。这样电线电缆能够始终保持一定的松紧度，有效地防止拉伸、变松、过紧和打滑，最大限度地避免卷取电动机空转或丢转现象的发生，同时有效地减小了胶辊轮与电线电缆之间的滑动摩擦。当自动控制方式发生故障的时候，张力传感器可以自动切换成手动的状态，通过手动来调节电线电缆的松紧度。如图1所示。
图 1 张力传感器工作示意图
二、电线电缆张力控制的实现
1、张力传感器的测量原理
滑动变阻器连接的是张力检测轮，这样通过检测轮的位置变化转换为电位器阻值变化，从而得到随位置变化的电压值。之所以选用调节式张力传感器，是因为弹簧本身就是一个储能元件，它所吸收的缓冲作用能够防止张力大范围跳变。此时的检测方法用张力的变化直接拉动张力检测轮上下移动，这样对张力变化的反应速度也较为敏感。
2、硬件设计
电线电缆张力的测控系统的硬件电缆框图，可以通过图2所示得知。该系统S7-200CPU226为核心，包括电源模块、模拟量采集处理模块、主控模块、和驱动和执行模块。
图 2 张力测控系统硬件电路框图
①电源模块电源模块主要由+5V直流稳压电路组成。提供电压信号。②模拟量采集处理模块的主要任务就是通过对电线电缆张力信号的采集和转换，以达到满足PLC机所处理的需求。在CPU的控制下，能够顺利完成对电线电缆张力的检测和保护功能。③主控模块主控模块以S7-200CPU226为核心，包括其外部扩展电路等。CPU接收经A/D转换后的数字量和USS指令对其进行判断和处理，与认为给定速度做比较，输出信号，实现对放卷电动机的控制和保护。④驱动和执行模块由变频器和电动机组成，主要是由变频器驱动电机，以此控制放卷电动机的速度。
3、软件设计
电线电缆测控系统的软件设计采用模块化结构。整套程序包括主控模块、初始化模块、张力检测模块、模数转换模块等。①主控模块是整个系统软件的核心部分。主要是通过对各个功能模块的合理调用，以完成对电线电缆张力进行检测、分析和判断，实现对电线电缆松紧度的控制。②初始模块的主要作用就是对系统资源的初始化。③张力检测模块主要是用于完成对电线电缆张力的实时采样，并将采样值送至PLC主控单元进行的计算和处理。④模数转换模块根据主控模块的需要，及时地进行转换。
三、系统的特点及主要技术关键
1、测控系统的构成
（1）调速电机，调速电机速度调节为无级方式，选用SR-1型磁阻调速电机，可在每分钟5转至每分钟100转之间连续可调。
（2）电感器件线圈绕制机，选用普通绕线机，将绕线机上原有齿轮改换成小皮带轮与调速电机输出相接，由电机带动绕线机转动。
（3）张力传感器，自行设计制作的张力传感器为电阻应变式敏感器件，张力检测范围0至5N，传感器灵敏度为0.6mv/VN。
（4）信号放大器，高输入信号放大器，对张力传感器的输出信号进行放大，一般将信号放大30倍左右，分两路输出，一路供AD转换，一路供电压比较器进行电压比较。
（5）数码显示电路，数码显示电路经标定后直接显示出绕线中张力大小。
（6）电压比较器，完成张力信号与标准参考信号的比较，结果经驱动电路直接馈入伺服电机使电机做相应转动。
（7）线张力阻尼调节控制器，控制调节器由两橡胶轮和相应部件组成，伺服电机转动将改变橡胶轮之间的夹持力大小，从而控制绕线中的预张力大小。
2、技术关键
（1）张力传感器的设计。张力传感器采用电阻应变式、弹性体结构，如图3所示。弹性变形体采用悬臂梁式设计，用康铜材料制作，保证有较好的热稳定性和重复性，在悬梁上分别打了两个Υ6应力集中孔，在弹性体的三个节点上安装有可灵活转动的走线轮，漆包线由三足线轮中穿过。
在Υ6孔边缘贴有4片2×2的电阻应变计，并将8片应变计接成惠斯顿电桥线路，用以将梁的变形转换成电信号输出，电桥供电电压选5V，传感器灵敏度可做到 0.6mv/v，传感器的中间节点处安装在桌子上，以固定张力传感器位置。
（2）信号线性放大器。放大器的主要部件采用宽带自稳零第4代运放7650档，如图3所示，为减小传感器对主放大器的影响，用741组成射极跟随器，以提高输入阻抗，对7650主放大器起缓冲作用，由于7650属高性能第4代运放的典型代表，增益带宽达2MHz，输入阻抗极高，电压抑制比达120dB。放大器闭环增益设计为50倍，并由RC串联网络用以消除多级相移可能带来的自激噪声的影响，提高了放大器的稳定性。
图3张力传感器结构图
（3）电压比较电路。电压比较电路用以比较由张力传感器馈入的张力信号和给定的标准信号。比较结果由LM106的7端输出，输出信号直接馈入功率驱动电路用以推动伺服电机作相应的转动。
（4）功率驱动电路及阻尼调节装置。由两只大功率管组成电机的功率推动级。此电路可直接推动20W伺服电机工作。由伺服电机的转动，通过啮合齿轮的传动使橡胶轮做上下运动，从而改变夹持漆包线的阻尼力，进而起到改变漆包线中张力大小的目的。
结束语
通过系统模拟调试，采用先进的PLC控制技术，设计了电线电缆张力测控系统。它具有优良的信号处理电路，在灵活多变的软件支持下，可以通过检测来判断电线电缆张力的大小，以此实现对卷取的自动调节。调试表明，该设计具有一定的理论依据和实际应用价值。
参考文献：
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[2]徐科军。传感器与检测技术[M].北京：电子工业出版社，2011
[3]周永坤.浅析 PLC 的应用及前景[J].科技资讯，2010
论文作者:朱建彬
论文发表刊物:《基层建设》2018年第21期
论文发表时间:2018/8/13
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