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在拖曳式多參數(shù)剖面測(cè)量系統(tǒng)的定型研制中，為滿足系統(tǒng)整體小型化安裝和使用的需要，拖體絞車采用了雙層導(dǎo)流套排纜的設(shè)計(jì)方式，提出了對(duì)絞車實(shí)時(shí)的張力、纜長(zhǎng)和纜速等信號(hào)進(jìn)行的測(cè)量顯示的要求，并要提供和上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信功能，以便系統(tǒng)總控軟件對(duì)絞車的狀態(tài)信息進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集。本電氣控制設(shè)計(jì)主要通過PLC的模塊化功能設(shè)計(jì)，保證了絞車所需功能的實(shí)現(xiàn)。拖體絞車采用了SEW變頻電機(jī)和變頻控制器。

關(guān)鍵詞：電氣控制，絞車，拖體

一．拖體絞車功能設(shè)計(jì)需求

在拖曳式多參數(shù)剖面測(cè)量系統(tǒng)的定型研制中，為滿足系統(tǒng)整體小型化安裝和使用的需要，拖體絞車采用了雙層導(dǎo)流套排纜的設(shè)計(jì)方式，提出了對(duì)絞車實(shí)時(shí)的張力、纜長(zhǎng)和纜速等信號(hào)進(jìn)行的測(cè)量顯示的要求，并要提供和上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信功能，以便系統(tǒng)總控軟件對(duì)絞車的狀態(tài)信息進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集。本電氣控制設(shè)計(jì)主要通過PLC的模塊化功能設(shè)計(jì)，保證了絞車所需功能的實(shí)現(xiàn)。

二．絞車的基本電氣控制特性

拖體絞車采用了SEW變頻電機(jī)和變頻控制器。SEW電機(jī)具有變速穩(wěn)定、噪聲小、體積緊湊等優(yōu)點(diǎn)，特別是減速機(jī)的工藝水平和齊全的型號(hào)滿足了多領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

在電氣控制功能方面，SEW電機(jī)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(shè)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(gòu)成多電機(jī)系統(tǒng)或者復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)。絞車電機(jī)的工作參數(shù)可以通過變頻器擴(kuò)展面板或者上位機(jī)的配置軟件來連線進(jìn)行。

根據(jù)絞車工作基本需求，在絞車控制柜面板上設(shè)置正、反轉(zhuǎn)，變速調(diào)節(jié)，緊急停車等控制按鈕，另外根據(jù)人性化的工作需要，對(duì)電源連接和系統(tǒng)功能正常設(shè)置監(jiān)視燈，以便于操作人員及時(shí)了解絞車的工作狀態(tài)，分析解除系統(tǒng)故障。

三．絞車的擴(kuò)展電氣控制功能

絞車設(shè)備中為采集收放纜長(zhǎng)度以及拖纜所受張力的信息，添加了纜長(zhǎng)測(cè)試單元和力傳感器。針對(duì)絞車的雙層排纜結(jié)構(gòu)和力傳感器安裝特性，傳感器數(shù)據(jù)的修正和放纜狀態(tài)相互關(guān)聯(lián)。由此設(shè)計(jì)了纜長(zhǎng)和張力的采集和自動(dòng)修正程序，保證了絞車參數(shù)的準(zhǔn)確可靠性，滿足設(shè)備正常工作需要。

1、纜長(zhǎng)和纜速測(cè)量

纜長(zhǎng)測(cè)量是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈位信號(hào)換算而得。在電機(jī)上安裝了編碼器，能隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況產(chǎn)生脈沖信號(hào)，PLC中的計(jì)數(shù)單元對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)處理，換算出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)對(duì)應(yīng)的走纜長(zhǎng)度。

纜速的測(cè)量的是根據(jù)定時(shí)間隔算得的纜長(zhǎng)變化量，通過PLC的間接計(jì)算獲得。

這其中，由于絞車采用了雙層排纜技術(shù)，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(zhǎng)計(jì)算的參數(shù)，保證獲得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。在實(shí)際設(shè)計(jì)中采用了固定纜長(zhǎng)自動(dòng)切換和手動(dòng)纜長(zhǎng)切換兩種方式，在絞車?yán)|長(zhǎng)切換位置基本不變的情況下，在固定的纜長(zhǎng)位置切換計(jì)算參數(shù)，自動(dòng)獲得纜長(zhǎng)和纜速信息，而在絞車?yán)|長(zhǎng)切換位置存在較大誤差時(shí)，允許手動(dòng)修正排纜切換點(diǎn)，保證誤差的及時(shí)消除。

2、張力測(cè)量

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

張力測(cè)力輪的安裝方式和張力的修正密切相關(guān)。張力的準(zhǔn)確修正需在傳感器安裝固定以后，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試實(shí)際拖纜張力和傳感器測(cè)得的法向應(yīng)力，比較相互間關(guān)系，通過插值擬合獲得準(zhǔn)確的修正公式。絞車排纜卷筒的直徑變化，也會(huì)使修正公式發(fā)生變化，在實(shí)際應(yīng)用中要對(duì)不同卷筒分別進(jìn)行張力擬合，還需和纜長(zhǎng)換算一樣，同步卷筒的切換狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)張力修正公式的自動(dòng)切換。

3、顯控通信功能

為使絞車操作人員及時(shí)獲得絞車收放纜過程的狀態(tài)，通過在控制臺(tái)面板上添加觸摸顯示屏將PLC獲得的纜長(zhǎng)、纜速及張力信號(hào)及時(shí)反饋給操作人員。通過在PLC上添加通信單元，將信號(hào)數(shù)據(jù)以485方式傳送給遠(yuǎn)端的上位機(jī)，來進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和信息保存。

四．絞車電氣設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

在絞車的實(shí)際加工生產(chǎn)和調(diào)試過程中，結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)和測(cè)試條件，對(duì)絞車的各項(xiàng)設(shè)計(jì)功能進(jìn)行了及時(shí)的調(diào)整和改進(jìn)，不僅保證了產(chǎn)品更好的質(zhì)量和性能，并且獲得了許多有益的設(shè)計(jì)心得和經(jīng)驗(yàn)。

1、系統(tǒng)的選型

本套設(shè)計(jì)方案的實(shí)施，選用了三菱公司的PLC產(chǎn)品。三菱PLC在中國(guó)市場(chǎng)上得到非常廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)品的眾多系列品種保證了整套電氣設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)便利性和靈活性，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能擴(kuò)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(kuò)展功能多利用PLC來實(shí)現(xiàn)，在PLC的算法設(shè)計(jì)上類似于單片機(jī)的底層編程方式，需要對(duì)PLC的硬件性能和工作特殊方式較深入的了解，在算法的實(shí)現(xiàn)上要更多考慮到系統(tǒng)優(yōu)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(dá)到匹配協(xié)調(diào)，需要充分了解計(jì)算單元的精度位數(shù)，實(shí)際問題出現(xiàn)的數(shù)據(jù)范圍，調(diào)整計(jì)算次序來保證運(yùn)算精度。

3、張力換算方法

準(zhǔn)確的進(jìn)行張力測(cè)量是一個(gè)程序復(fù)雜，實(shí)踐性強(qiáng)的問題。要獲得準(zhǔn)確的張力，不僅要有好的傳感器，還要有好的設(shè)計(jì)安裝，最后還需要有一個(gè)細(xì)致的測(cè)試修正過程。在本絞車設(shè)計(jì)中，張力傳感器采用瑞士的LB系列軸應(yīng)力傳感器，該傳感器本身具有良好的線性精度設(shè)計(jì)，應(yīng)力變化的準(zhǔn)確性非常高。絞車的張力測(cè)量設(shè)計(jì)采用了纜對(duì)壓力輪法向壓力的方式，通過設(shè)計(jì)的定角度安裝位置，保證了對(duì)纜張力轉(zhuǎn)化參數(shù)的一致性。在后期的張力校準(zhǔn)調(diào)試中，對(duì)兩層卷筒分別進(jìn)行了多工作位置，多導(dǎo)向輪角度的工作張力測(cè)試，最后獲得的擬合公式僅采用一次多項(xiàng)式就達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)提出的±10%測(cè)量值誤差的精度。

五．絞車電氣設(shè)計(jì)的改進(jìn)提高

雙層導(dǎo)流套排纜絞車的設(shè)計(jì)是拖體絞車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在這第一次設(shè)計(jì)中難免存在不盡完善的地方。作為電氣控制設(shè)計(jì)部分能夠改進(jìn)和提高之處有很多。

l電氣接插件的選型和改進(jìn)

絞車電氣由于初次設(shè)計(jì)，對(duì)于配套成熟產(chǎn)品的選型方面了解得不夠深入，選用的電氣、信號(hào)接插電纜都限于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，這樣在絞車的電纜拆裝方面有不夠方便簡(jiǎn)潔的問題。絞車電機(jī)本身的控制電纜就有四組：電源三相進(jìn)線、電機(jī)控制的三相線、剎車控制線、風(fēng)機(jī)三相線，外加傳感器的編碼器線和張力傳感器線，以及和遠(yuǎn)端通信的信號(hào)線，堆在控制柜后的電纜就密密匝匝。在安裝和拆卸時(shí)不僅繁瑣，而且容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。如果采用了合適的接插設(shè)備，不僅在安裝上簡(jiǎn)便、安全，而且外觀上也整齊大方。在產(chǎn)品的專業(yè)性上就顯得更為到家。

l軟件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

基于PLC的軟件設(shè)計(jì)，專一性比較強(qiáng)，程序的優(yōu)化提高的需要有一定時(shí)間的應(yīng)用熟練和磨合提高。同樣功能的軟件，在代碼上的優(yōu)化，小則提高運(yùn)行的速度和效率，大則可以避免出現(xiàn)bug和系統(tǒng)錯(cuò)誤的危險(xiǎn)。要開發(fā)出人機(jī)界面友好，簡(jiǎn)潔易用的軟件也需要多了解真實(shí)工作中操作習(xí)慣和安全規(guī)范，絞車軟件的完善提高也需要經(jīng)歷這樣一個(gè)應(yīng)用－反饋－改進(jìn)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(jìn)的地方，通過本型絞車電氣功能的設(shè)計(jì)，在將來的絞車電氣控制設(shè)計(jì)中可以有更多的發(fā)揮應(yīng)用。比如通過遠(yuǎn)端連線和監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)操控人員的遠(yuǎn)程絞車收放，通過無線控制設(shè)備的添加，可以滿足操控人員靈活換位等等。如同軟件設(shè)計(jì)，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(chǎn)品有更廣闊的市場(chǎng)空間。