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光纤并带机电气控制系统张阳

发表时间：2020/5/15 来源：《基层建设》2020年第3期作者：张阳王运峰

[导读] 摘要：随着社会经济的发展，我国对光线并带机的应用越来越广泛。光纤并带机主要用于光纤带并带，可用于生产4芯、6芯、12芯等多种规格光纤带。

        华能山东泰丰新能源有限公司山东新泰 271200
        摘要：随着社会经济的发展，我国对光线并带机的应用越来越广泛。光纤并带机主要用于光纤带并带，可用于生产4芯、6芯、12芯等多种规格光纤带。本文论述了光纤并带机电气控制系统的构成及其工作原理，并就光纤并带生产过程中的光纤放线、光纤带收线张力的稳定性，光纤带收排线的平整度以及生产过程中供胶及UV固化炉功率的控制等几个重要环节及解决办法做了具体阐述。应用本设计方案生产的光纤并带机已经在国内光缆生产厂家投入使用，并取得了很好的效果。
        关键词：光纤通信；光纤并带机；电气控制
        引言
        定期巡检、人工巡检为主的煤矿机电设备监测很容易引发“过度维修”“不足维修”问题，而利用光纤传感器光波特征参数会受到外界特定干扰信息影响的特点，即可实现煤矿机电设备及外界环境变化的自动监测。
        1光纤传感器概述
        光纤传感器有较高的灵敏度和分辨率，测量频带较宽，响应速度快，有较大的动态范围，可以更精确地测定设备的状态参数。同时，光纤传感器体积小，传输距离远，本身不带电，布线简单，可实现单线多点测量。而且，该传感器不受电磁干扰，抗辐射性能好，耐腐蚀，适合于机电设备在强电磁干扰等恶劣环境下使用，易于实现故障的实时监测诊断。目前有很多光纤振动传感器的相关研究，在设备状态检测中有少量应用，如佟庆彬等设计了用于高速旋转机械径向振动检测的反射式光强调制型非接触式光纤传感系统;朱晓明等设计用于往复式压缩机的光纤振动传感系统。但是光强调制型传感器受光强变化影响比较大，文献中振动传感器频响比较窄，仅能测量低频振动信号，不能满足设备高频振动监测。
        2电气控制系统的组成与功能
        在光纤并带机电气控制系统中，我们从光纤并带生产工艺的实际情况出发，同时吸收消化国外如芬兰Nextrom公司，奥地利M&S公司所生产的同类产品的优点。整个控制系统采取了上位机与下位机之间通过Profinet通信协议进行通信组网的设计方案。上位机作为生产管理级，它的服务对象主要是生产现场的相关操作人员。下位机作为生产现场监控级，需要服务整个生产过程，它的主要工作是采集生产过程中的相关参数数据，运行软件中设计的控制算法并执行相关控制输出。（1）光纤并带机控制系统的上位机。本设计方案中选用了威纶MT8071ip触摸屏操作面板作为上位机，配有7寸TFTLCD显示器，其分辨率可达800*480，I/O端口提供了10/100Base-T*1以太网络接口。上位机的主要功能如下：①对生产过程中的相关参数的实际测量值，如模具温度、供胶压力等进行实时显示。②通过上位机，现场操作人员可以根据需要实时对下位机中运行的相关生产参数值进行修改。③显示当前设备的运行状态，并可以对生产过程中出现的故障提供查询。（2）光纤并带机控制系统的下位机。下位机采用了西门子可编程逻辑控制器S7-1200，它是一款外形设计紧凑，模块化的可编程控制器，可以实现各种复杂的逻辑控制、同时还可以实现与人机操作界面的网络通信等任务，在许多工业领域都使用它来实现对现场的自动化控制。本控制系统采用了CPU-1215C作为中央处理器对光纤放线、供胶系统、UV固化炉、牵引控制和收线排线等部分进行精准的控制，另外还扩展了三个模块分别为SM1223、SM1231和SM1223，用于采集和输出相关数字及模拟量信号。
        3相关重要环节的处理
        3.1基本设计
        为保证光纤传感技术服务于煤矿机电设备安全状态监测系统，本文设计了由矿用光纤振动传感器及对应光纤光栅解调仪、添加尾纤保护的光纤温度传感器等组成的监测系统。

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信号采集模块设计是系统的关键，该模块的主要流程为:“登录→开始采集→信号处理→波形显示→超限报警→数据保存→停止→重新采集/结束”，同时该模块还具备参数设置、报警查询、历史查询功能。在机电设备上设置光纤振动传感器，由此完成数据快速采集、FFT变换，即可自动求得频率信号与频域振幅及速度、加速度、位移等。基于标准振动烈度评定等级表与系统所测振动速度均方根值，即可判断机电设备是否存在振动异常，相关故障隐患可由此第一时间求得，并做报警处理。这一过程中的振动异常判断需关注小型、中型、刚性支撑与挠性支撑大型钻机存在的差异。
        3.2保证光纤带收排线的平整度
        光纤带收线排线是否平整直接影响到光纤带平整度及其衰减指标的好坏。由于并带过程中并带的速度最高可达500m/min，特别是当排线到达盘边时的换向过程很快，为了实现收排线的精确换向，我们将收线排线电机伺服控制器内部分频器的编码器信号输入到S7-1200的高速计数口中，这是两路可以存储电机运动速度和方向并且互差90度的方波脉冲信号，鉴于伺服电机具有很好的动态响应性能且其编码器具有很高的分辨率，我们可以用它来精确地记录当前的排线位置，从而实现收线排线精确换向。在并带前，首先要对光纤带收线盘的盘边位置进行设置，PLC会将其转化为对应的脉冲数值保存；在并带过程中，每到对应的盘边位置，PLC就会控制排线伺服电机进行换向，从而保证了光纤带在高速并带下排线到盘缘时换向的可靠性，不会在收线盘上产生堆叠或者在盘边缘形成凹陷及堆起状态。由于设备在运行过程中具有很好的动态性能，所以只需在每次并带开始时进行一次盘边位置设置，在光纤并带生产过程中不需要再次进行人工调节，满足了光纤并带过程中对光纤带排线的工艺要求。
        3.3光纤振动监测系统
        光纤振动传感系统的解调结构为ASE光源输出的宽带光谱经环形器后到达光纤光栅振动传感器，传感器将带有振动信息的光谱信号沿光纤经环形器传输至高速光谱分析模块，光谱模块进行光谱分析、光电转换后，应用计算机进行信号分析与处理。通过对波长变化信号的分析处理，提取设备状态的相关信息。采集的振动信号含有多种信息，需要将有用的特征信号提取出来，进行深入处理分析。系统分析给出设备测点的加速度、速度、位移和频率信息。根据分析结果，判断设备具体的工作状态。依据测点在设备上具体的部件信息及其判定准则，判断设备的工作状态及评价区域。
        3.4供胶量与光固化灯管功率的电气控制
        在并带过程中，光纤并带固化度的好坏以及模具内供胶量的大小是否均匀合适直接影响到光纤带的平整度以及光纤的附加损耗。在该机中采用了两台FusionUV固化炉，固化灯管的功率可调节，最大功率可达到7.5Kw。供胶系统中采用Festo比例调压阀对供胶罐内的供胶压力进行调节。通过PLC中的软件算法，根据并带速度的变化来自动调整供胶罐内的供胶压力和UV固化灯管的功率，以达到理想的并带效果。同时，在进入并带模具前的光纤分线轮处增加了高压除静电装置，避免了高速并带过程中光纤的抖动性，对光纤带的平整度指标也起到了很好的保证作用。
        结语
        综上所述，使用本控制系统研制的光纤并带机已经在国内市场投入使用，在一定程度上提升了国内光缆厂的生产能力和产品质量，尤其是良好的人机操作界面和较高的可靠性获到了厂家的好评，已经接近国外公司同类产品的相关技术水品。
        参考文献
        ［1］赵勇．光纤光栅及其传感技术［M］．北京:国防技术出版社，2007．
        ［2］刘钦朋，乔学光，赵建林，等．双悬梁光纤布拉格光栅低频加速度传感器［J］．光电子•激光，2011，22(8):1119－1123．
        ［3］王宏亮，陈娇敏，樊伟，等．光纤Bragg光栅低频振动传感器的特性研究［J］．光电子•激光，2012，23(6):1023－1030．