光纤带控制系统论文

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一控制系统的组成和功能

该光纤带松套管生产线的控制系统主要是由绞体控制、油膏填充控制、挤塑机控制、水温控制、牵引控制、张力控制和收线控制等部分组成。光纤带放线形式为主动放线，在线调节、同步精度高；油膏除气泡装置可给多条生产线供胶；系统具有操作界面简单易用等特点。该光纤带松套管生产线的主控制系统主要由上位机（IPC）、下位机（PLC）、现场总线系统以及各种执行部件（如伺服控制器、变频器等）组成。整个控制系统以PLC（可编程逻辑控制器）为核心，通过MPI接口及PROFIBUS－DP控制总线在PLC与计算机之间以及PLC与PLC之间交换信息，从而控制系统的运行。PLC同时采集和发出系统所需的各种信号，然后再通过与计算机的相互协作，完成总体控制。监控软件安装于上位机，为用户提供了一个友好的界面，用于图形显示、消息、归档以及报警的处理等。系统画面更新更快速、数据的使用更可靠，具有高度的实用性；可以通过开放数据库互连（ODBC）和结构化查询语言（SQL）方式对该系统中的归档数据进行访问。IPC的作用主要是用于提供友好的、可操作性的人机界面（HMI），不直接参与运算与控制。该系统采用了研华工控机作为上位机，其采用IntelCPU、1GB随机存取存储器（RAM）、120GB硬盘、可刻录光驱、USB接口，还配有19吋液晶显示器、威达工控键盘、打印机、网卡等；如在其扩展插槽内安装西门子CP5611通讯卡，可实现IPC和PLC的数据通讯。IPC的控制软件是Winccflexbile2008，它是基于Windows的应用软件，集控制技术、图形技术、人机界面技术、数据库技术、网络技术于一身，具有动态显示、报警、控制网络通信等组件，可提供友好的用户界面，使设备操作更直观、更简便。根据系统的控制要求，经过同类产品的比较，该系统选用性能非常可靠的西门子S7－300PLC。PLC系统的作用在于实现开关量的输入和输出，模拟量的输入和输出以及大部分数学运算和逻辑运算；PLC直接参与控制和检测，在生产线过程控制的同时，将状态信息通过通讯送到上位机，由上位机来实现生产线的实时参数和状态信息显示。

二关键控制点的设计

在该光纤带松套管生产线的控制系统中光纤带的放带张力和两级牵引之间的三轮组张力是控制系统中的关键和难点。光纤带的放带张力不仅会影响到光纤带在松套管中的余长和余长一致性，同时还可能影响光纤的损耗，而三轮组张力直接影响光纤带的余长。

1光纤带恒张力放带

1．1设备组成该光纤带松套管生产线中共有18个头放线装置，分别装在两个绞体上，绞体为整体框式结构，可装18个直径为410mm的光纤带放线盘。光纤带放线设备的结构，其为主动放带。该放线控制器采用LENZEEVF9300系列交流变频驱动，电机采用LENZE交流变频电机。变频器控制光纤带放出后，经导轮组引导到分线装置，其中有一个导轮安装了张力传感器，实时检测光纤带张力，光纤带再经油膏预填充后被引入并带模具，进而使光纤带有序、紧密、不松散地叠合成一体后被引导入挤塑模头。

1．2硬件组态控制系统中以西门子S7－315－2DP作为PROFIBUS现场总线主站，提供与LENZE控制器的EM2133DP通讯卡直接循环通信。每路放带驱动控制部分采用LENZE的EVF9321交流变频控制器，并在变频器上安装了EM2133的DP通讯卡，放线电机采用180W的LENZE三相异步电机，张力传感器输出信号为0～10V。主控制台采用了西门子公司的S7系列PLC控制系统以及PROFIBUS现场总线。光纤带盘的速度和光纤带张力是通过一个高速的柔性测力传感器系统来控制。每个光纤带主动放线架的运行控制和实时张力可通过PROFIBUS总线与主站PLC进行信息的交换，从而实现在计算机屏幕上实时显示每路张力，并具有张力在线可调的功能，保障光纤带张力在释放过程中稳定。本系统的硬件组态是在PLC编程软件STEP7中导入LENZE控制器设备数据库文件（LENZ213GSD）来完成的，设置与从站的总线通讯率，并选择参数过程数据对象（PPO）类型。S7－300PLC与LENZE9300系列PROFIBUS－DP通讯PPO1协议（4PKW＋2PZD）参数通道PKW访问实现，通过PKW参数通道可以访问和设置所有变频器的参数，PZD过程字控制直接用MOVE（L或T）指令把控制字、过程参数，读或写对应PIW＊＊＊、PQW＊＊＊地址即可。为LENZE控制器分配网络地址，通过EM2133DP通讯卡上的8位拨码开关设定该控制器的DP地址，通过参数设置与主站的PROFIBUS－DP总线通讯率，从而完成数据的读写和控制数据的传输，如状态字、控制字、给定值和实际值、传输传动系统的参数设置和诊断信号。

1．3张力控制的软件设计张力控制是光纤放带的难点，必须要保持张力恒定，而恒张力常常和线速度有关，这就要求电机的转速与卷径成反比。我们利用张力传感器对张力实现闭环调节，在控制算法中加入卷径计算，用卷径计算的扰动来补偿调节，间接实现张力控制，确保张力的恒定。卷径（卷轴直径）D在卷绕系统中是一个重要的参数，其计算公式为：D＝iV／（nπ）（1）式中i为机械传动比，n为电机转速，V为线速度。

2三轮组张力控制

该光纤带松套管生产线中采用主牵引为轮式牵引，辅助牵引为履带牵引的设计方式。除水温以外，主牵引和辅助牵引的张力也是余长调节和控制的重要因素。牵引压力传感器为0～24V输入，输出对应0～250N，用于控制轮式牵引和履带牵引之间的张力值。三轮组张力控制的难点在于要求精度高、响应快，由于三轮组没有储线长度，如果响应不及变频器内部实现恒张力放线功能的流程或超调过大会引起设备或产品的损坏。故控制系统中采用轮式牵引速度与张力调节PID分量叠加的方式来控制履带牵引的速度，即履带牵引速度输出值N2＝轮式牵引速度输出值N1＋牵引张力输出值F，且履带牵引速度应控制在轮式牵引速度±5m／min的范围内变化。通过PID调节N2，直到牵引的张力与设定张力基本相等，并稳定在±1N范围内。为了便于操作，牵引压力值的设定和显示以及履带牵引的PID参数同样显示在操作界面上。

三结论

目前我们研制的光纤带松套管生产线已经在俊知光电、长飞中利、富通集团等众多国内光缆生产厂家中使用。实践证明我们研制的光纤带松套管生产线自动控制系统具有生产工艺显示直观，实时性好、安全可靠和易于扩展，极大地提高了国内光缆厂的生产能力和产品质量，尤其是良好的人机界面和高精度的张力控制得到了厂家的普遍好评。

作者：周顺桃单位：中国电子科技集团公司第八研究所