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  • 一類新型拖體絞車的電氣控制設計

    一. 拖體絞車功能設計需求

    在拖曳式多參數剖面測量系統的定型研制中,為滿足系統整體小型化安裝和使用的需要,拖體絞車采用了雙層導流套排纜的設計方式,提出了對絞車實時的張力、纜長和纜速等信號進行的測量顯示的要求,并要提供和上位機的數據通信功能,以便系統總控軟件對絞車的狀態信息進行遠程實時監控和采集。本電氣控制設計主要通過PLC的模塊化功能設計,保證了絞車所需功能的實現。


    二. 絞車的基本電氣控制特性

    拖體絞車采用了SEW變頻電機和變頻控制器。SEW電機具有變速穩定、噪聲小、體積緊湊等優點,特別是減速機的工藝水平和齊全的型號滿足了多領域的應用需求。

    在電氣控制功能方面,SEW電機可以采用專用的變頻器控制,也可采用第三方的變頻控制設備。SEW的變頻器附帶有專用的配置軟件,多樣的控制連接總線,便于構成多電機系統或者復雜的工業控制系統。絞車電機的工作參數可以通過變頻器擴展面板或者上位機的配置軟件來連線進行。

    根據絞車工作基本需求,在絞車控制柜面板上設置正、反轉,變速調節,緊急停車等控制按鈕,另外根據人性化的工作需要,對電源連接和系統功能正常設置監視燈,以便于操作人員及時了解絞車的工作狀態,分析解除系統故障。

    三. 絞車的擴展電氣控制功能

    絞車設備中為采集收放纜長度以及拖纜所受張力的信息,添加了纜長測試單元和力傳感器。針對絞車的雙層排纜結構和力傳感器安裝特性,傳感器數據的修正和放纜狀態相互關聯。由此設計了纜長和張力的采集和自動修正程序,保證了絞車參數的準確可靠性,滿足設備正常工作需要。

    1、纜長和纜速測量

    纜長測量是根據電機轉動的圈位信號換算而得。在電機上安裝了編碼器,能隨著電機的轉動情況產生脈沖信號,PLC中的計數單元對脈沖信號進行計數處理,換算出電機轉動圈數對應的走纜長度。

    纜速的測量的是根據定時間隔算得的纜長變化量,通過PLC的間接計算獲得。



    這其中,由于絞車采用了雙層排纜技術,兩層排纜卷筒的直徑有較大差異,需要在排纜卷筒切換前后,更替纜長計算的參數,保證獲得的數據準確性。在實際設計中采用了固定纜長自動切換和手動纜長切換兩種方式,在絞車纜長切換位置基本不變的情況下,在固定的纜長位置切換計算參數,自動獲得纜長和纜速信息,而在絞車纜長切換位置存在較大誤差時,允許手動修正排纜切換點,保證誤差的及時消除。

    2、張力測量

    在絞車卷筒出纜位置和前端導纜輪之間添加了固定位置的測力輪,測力輪的軸直接采用了一個力負載傳感器,通過配套的后置放大電路,將信號以電平方式傳給PLC的AD轉換單元,從而獲得張力信號。

    張力測力輪的安裝方式和張力的修正密切相關。張力的準確修正需在傳感器安裝固定以后,通過實驗測試實際拖纜張力和傳感器測得的法向應力,比較相互間關系,通過插值擬合獲得準確的修正公式。絞車排纜卷筒的直徑變化,也會使修正公式發生變化,在實際應用中要對不同卷筒分別進行張力擬合,還需和纜長換算一樣,同步卷筒的切換狀態,實現張力修正公式的自動切換。

    3、顯控通信功能

    為使絞車操作人員及時獲得絞車收放纜過程的狀態,通過在控制臺面板上添加觸摸顯示屏將PLC獲得的纜長、纜速及張力信號及時反饋給操作人員。通過在PLC上添加通信單元,將信號數據以485方式傳送給遠端的上位機,來進行遠程監控和信息保存。

    四. 絞車電氣設計經驗

    在絞車的實際加工生產和調試過程中,結合實際的生產和測試條件,對絞車的各項設計功能進行了及時的調整和改進,不僅保證了產品更好的質量和性能,并且獲得了許多有益的設計心得和經驗。

    1、系統的選型

    本套設計方案的實施,選用了三菱公司的PLC產品。三菱PLC在中國市場上得到非常廣泛的應用,產品的眾多系列品種保證了整套電氣設計功能的實現便利性和靈活性,對于系統設計的功能擴展和可靠性保證起到了很好的保障作用。

    2、PLC編程的方法

    絞車的擴展功能多利用PLC來實現,在PLC的算法設計上類似于單片機的底層編程方式,需要對PLC的硬件性能和工作特殊方式較深入的了解,在算法的實現上要更多考慮到系統優化。如在纜速的換算過程中,由于要在更新速率和顯示精度上達到匹配協調,需要充分了解計算單元的精度位數,實際問題出現的數據范圍,調整計算次序來保證運算精度。

    3、張力換算方法

    準確的進行張力測量是一個程序復雜,實踐性強的問題。要獲得準確的張力,不僅要有好的傳感器,還要有好的設計安裝,最后還需要有一個細致的測試修正過程。在本絞車設計中,張力傳感器采用瑞士的LB系列軸應力傳感器,該傳感器本身具有良好的線性精度設計,應力變化的準確性非常高。絞車的張力測量設計采用了纜對壓力輪法向壓力的方式,通過設計的定角度安裝位置,保證了對纜張力轉化參數的一致性。在后期的張力校準調試中,對兩層卷筒分別進行了多工作位置,多導向輪角度的工作張力測試,最后獲得的擬合公式僅采用一次多項式就達到了設計指標提出的±10%測量值誤差的精度。

    五. 絞車電氣設計的改進提高

    雙層導流套排纜絞車的設計是拖體絞車的創新設計,在這第一次設計中難免存在不盡完善的地方。作為電氣控制設計部分能夠改進和提高之處有很多。

    l電氣接插件的選型和改進

    絞車電氣由于初次設計,對于配套成熟產品的選型方面了解得不夠深入,選用的電氣、信號接插電纜都限于點對點連接,這樣在絞車的電纜拆裝方面有不夠方便簡潔的問題。絞車電機本身的控制電纜就有四組:電源三相進線、電機控制的三相線、剎車控制線、風機三相線,外加傳感器的編碼器線和張力傳感器線,以及和遠端通信的信號線,堆在控制柜后的電纜就密密匝匝。在安裝和拆卸時不僅繁瑣,而且容易出現錯誤。如果采用了合適的接插設備,不僅在安裝上簡便、安全,而且外觀上也整齊大方。在產品的專業性上就顯得更為到家。

    l軟件的設計和優化

    基于PLC的軟件設計,專一性比較強,程序的優化提高的需要有一定時間的應用熟練和磨合提高。同樣功能的軟件,在代碼上的優化,小則提高運行的速度和效率,大則可以避免出現bug和系統錯誤的危險。要開發出人機界面友好,簡潔易用的軟件也需要多了解真實工作中操作習慣和安全規范,絞車軟件的完善提高也需要經歷這樣一個應用-反饋-改進的過程。

    l控制功能方式的改型和提高

    絞車的電氣控制功能有很多可以提升和變通改進的地方,通過本型絞車電氣功能的設計,在將來的絞車電氣控制設計中可以有更多的發揮應用。比如通過遠端連線和監控可以實現操控人員的遠程絞車收放,通過無線控制設備的添加,可以滿足操控人員靈活換位等等。如同軟件設計,控制方式的搭配變化也可以孕育出滿足不同類型需要的控制功能,使得產品有更廣闊的市場空間。


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