电缆行业悬垂控制器的设计毕业设计.doc

兰州理工大学毕业设计LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY毕业设计题 目 电缆行业悬垂控制器的设计 学生姓名 邓 钰 学 号 11250108 专业班级 通信工程1班 指导教师 陈友苏 陈昊 学 院 计算机与通信学院 答辩日期 2014年6月17日 第 页电缆行业悬垂控制器的设计The Design of Pendency Controller in Cable Industry 邓钰Deng Yu11250108兰州理工大学毕业设计摘 要 本文为了在电缆生产中提高生产效率，保持系统稳定可靠运行，提供可靠便利的控制手段。在工程中，对原系统中关键部分进行国产化设计，牵引张力控制将原直流传动系统改进为主从式变频交流调速牵引张力控制系统;讨论了电缆悬垂度的在线测控技术，适用于现场分布参数变化较大的场合，方法新颖，具有实用性和普适性;采用PLC和DCS混合控制系统作为主控制策略，具有配置灵活、测量准确、控制协调、性能可靠和维护方便等优势，使悬链式交联电缆生产自动控制达到很高的自动化水平。 设计内容包括交联电缆生产技术现状综述;对交联电缆生产牵引张力控制系统的研究，重点分析了张力控制系统的方案;在线测控的悬垂控制器设计，确定接收和发射装置的线路设计。关键词:悬链式交联电缆；牵引张力；电缆悬垂度 ABSTRACTThis thesis aimed at higher efficiency, stable and reliable operation and convenient control in cable production . The key of the former system was designed according to the fact of china in the project. The draught-tension control system adopted a primary-secondary Variable Voltage and Variable Frequency control system instead of speed governing system of direct current; The on-line measurement control technique of pendency of cable was discussed, and the equipment for this technique was developed; the equipment also can adjust itself to kinds of cables and the situation where parameter of capacitance change; the method is new, and it can be applied several other facets. In the project we adopted a PLC-DCS combined hybrid control method with the merits of flexible configuration. Accurate measurement, coordinated control, reliable performance and convenient maintenance, achieving a higher automation level of XLpe cable Manufacture.The content of the paper includes the present state of technique of XIpe cable Manufacture, includes the research on the draught-tension control system, focusing on scheme; includes the design of the on-line measurement control technique of pendency of cable.Keywords: XLpe; The Draught-Tension; Pendency of Cable 目 录第1章 绪论11.1选题背景和技术说明11.2现代电缆行业的介绍31.3交联电缆生产技术现状综述41.4本设计的主要工作意义5第2章 交联电缆生产牵引张力控制系统72.1张力控制系统概述72.2 三种张力控制方案72.3张力控制系统的方案确定9第3章 在线测控的悬垂控制器设计113.1悬垂度测量的概述113.2系统组成及测控原理113.3系统硬件设计11第4章 电路设计144.1中心控制电路144.2发射信号输出电路16第5章 悬垂控制器参数说明175.1基本参数说明175.2模式选择19总 结22参考文献23附录：外文翻译24致 谢45兰州理工大学毕业设计第1章 绪论1.1选题背景和技术说明1.1.1选题背景 交联(XLPE-Cross-Linked Polyethylene)电缆是固态绝缘的代表产品。聚乙烯树脂本身是一种常温下电性能极优的绝缘材料。用辐照或化学方法对它进行交联处理，使其分子由原来的线型结构变成网状立体结构，从而改善材料在高温下的电性能和机械性能。用这种材料作高压电缆的绝缘可以不用绝缘油之类的液体，是一种干式绝缘结构。它适用于10Vk及以上电压等级的输配电线路，使用场合十分广泛。交联电缆的使用历史不长，只有30年左右，但发展很快。自60年代初世界上第一条66kv交联电缆投入使用以来，大约每5年便提高一个电压等级。目前.全世界66kV电压等级以下交联电缆的销售量已占电力电缆总量的90%以上。 交联电缆一般在悬链式交联电缆生产线(CVC-Catenary CV-line)和垂直式或塔式交联电缆生产线(VCV-vertical CV-line)上生产。 交联电缆的绝缘强度取决于绝缘体一半导体过渡区的均匀度和绝缘材料的纯度和完整性，而这些都必须在生产过程中受到严密的控制，因此交联电缆生产过程的自动化手段是不可缺少的。 90年代初安徽某电缆有限公司从芬兰诺基亚(NOKIA)公司引进了一套悬链式交联电缆生产线，采用干式硫化三层共挤生产工艺，采用西门子S5系列可编程控制器(PLC)作为控制核心，是当时国内外先进的交联生产线;经过多年运行，系统开始老化，进入故障高峰阶段，该生产线是该电缆有限公司的产品主导生产线，为了适应市场和企业自身发展的需要，为了不影响生产和产品质量，该电缆有限公司提出对生产线中故障率高的技术核心部分进行国产化改造，并且对生产全过程实现计算机监控，达到世界上先进的生产线水平1。1.1.2技术说明 在工业生产中，过程控制系统完成生成工艺参数的检测、显示、记录、调节、控制、报警等功能，它对提高生产线的作业率，改善产品质量及缩短新产品、新工艺的开发周期起着极其重要的作用。其特点是对生产实时过程进行控制，控制过程复杂，监控参数多且数据变化快，数据处理及贮存量大。根据过程控制系统的特点及不同生产工艺过程控制要求，应用不同的控制系统才可以既安全可靠又经济高效地完成生产任务4。 目前，国内先进的大、中型过程控制系统基本上以采用PLC和DCS为主，下面简要分析了一下.PLC、DCS及FCS在生产过程控制中的不同应用特点及选择原则。一、各种控制系统的特点1.PLC系统能很好地完成工业实时顺序控制、条件控制、计数控制、步进控制等功能;能够完成模/数A(/D)、数/模(D/A)转换、数据处理、通讯联网、实时监控等功能。2.DCS具有以下主要特点:功能全;采用网络通信技术;完备的开放系统;可靠性高;具有综合性和专业性:实现了人一机对话技术;系统扩展灵活;管理能力强。3.FCS主要有以下特点:系统结构的高度分散性;可互操作性强;数据的有效性和完整性;可控制性强;安全性高;扩展灵活。二、控制系统的选择 由于现场总线控制系统FCS系统仍处于发展阶段，标准未统一，各设备生产厂家处于观望状态，现有总线标准的智能设备价格明显偏高。电缆行业具有调节回路较少、监视参数多的特点，现场总线FCS控制系统应用较少，部分应用也是作为PLC系统的远程终端，一般采用Profibus总线。随着微电子技术尤其是个人计算机技术的飞速发展，PLC和DCS的性能都有了极大的改进。PLC大大提高了数据处理功能和通讯与监控功能，DCS系统向开放性发展，操作站采用工控机，操作系统采用通用Windwos操作平台，CP机丰富的软件资源得以利用，因而大大降低了系统复杂程度和价格，提高了系统的性价比。PLC和DCS在抢占市场的过程中，两者相互借鉴、渗透、融合，极大地增加了用户在设计和使用中的选择性。同时，由于各种控制系统生产制造厂家较多，产品更新换代快，也给系统选择带来一定困难。现依据PLC系统和DCS的不同特点，对过程控制系统的设计选型和应用归纳总结以下原则进行选择。同时，由于各种控制系统生产制造厂家较多，产品更新换代快，也给系统选择带来一定困难。现依据PLC系统和DCS的不同特点，对过程控制系统的设计选型和应用归纳总结以下原则进行选择。1、按过程控制系统的控制规模及复杂程度不同的生产过程，过程控制系统控制规模与复杂程度不同，通常在过程控制系统规模较大、复杂程度较高时优先选择DCS。因为该系统是根据过程控制系统的特点发展而来的，它对大量的模拟量数据信息能较好地进行处理、分析、运算，能完成各种复杂、繁琐的调节控制计算，因此能够完成规模大、复杂程度高的过程控制系统的工作。2、 按投资规模和项目经济效率合理选择 在一些中小型项目中，特别是中小型改造项目，投资较少，规模较小的监控系统应优先选择价格相对低廉、性价比较好的PLC系统。3、 考虑系统连续性、兼容性及通讯性能 改造项目中，如原项目中已有计算机控制系统，则要考虑系统的连续性及兼容性。如果电气控制系统占有很大的比重，则要考虑与生产管理计算机系统信息网络的连接即通讯性能。4、考虑系统生产厂家技术服务性目前在中国PLC系统和DCS的销售市场，国外生产厂家占有率很大，国外各大生产厂家一般在中国高能产品宣传和技术服务机构，而国外公司经常进行重组、合并或兼并，由于各公司产品结构、销售策略、市场占有方向个不相同，合并或兼并后，在中国市场的技术宣传和服务方面，将有所变化，有些有所加强而有些有所削弱，因此我们在选择系统时，应充分掌握信息，考虑系统生产厂家技术服务性，以保护所选择系统的先进性、发展性，以保证具有充分的技术支持和备品备件供。综上所述，系统选型的原则可从以下几个方面考虑:系统规模、复杂程序、系统的廉容及通讯性能，以及生产厂家技术支持和售后服务等。在生产过程控制系统中，根据过程对象复杂程度的不同，以及针对控制系统的可靠性合理选择的不同控制系统，对保证生产过程控制系统的自动化水平，降低工程造价有着十分重要的意义15。1.2现代电缆行业的介绍中国的电力工业从1882年至1949年，经过67年装机容量只达到1.85WG;而在1949年新中国成立之后的半个世纪中，中国的电力工业取得了迅速的发展，平均每年以1%0以上的速度在增长，到1998年全国装机容量己达到277WG以上，跃居世界第2位。特别是进入本世纪90年代以来，我国的电力平均每年新增装机容量17多Gw，实现装机容量8年翻一番，终于缓解了近50年的持续缺电局面，使电力供应有所缓和;同时从1998年开始撤消电力部、成立国家电力公司，以此为标志，在中国结束了由国家垄断电力的局面，由此向建立统一、竞争、有序的电力市场迈进，逐步与国际接轨，与国际电力改革潮流一致。电力供应缓和的出现、国家电力公司的成立及电力市场的起步，是我国电力工业在20世纪末所出现的具有历史性意义的2件大事1。 纵观20世纪的社会和经济发展，一个突出特点是，电力的使用己渗透到社会经济、生活的各个领域。由于电力具有便于转换能源型式，能高度集中和无限划分，清洁干净和易于控制，可大规模生产和远距离输送等特性，使电力发展和应用的程度，即一个国家的电气化程度成了衡量其社会现代化水平高低，以及物质文明和精神文明高低的重要标志之一。特别是在进入以信息、电子、生物技术为代表，从集中到分散，从等级结构到网络结构，从简单选择到多种选择的21世纪，电力将继续发挥其他能源形式所不能替代的作用，而且对电力的依赖程度将更高，对电力供应的数量和品质也将提出更大、更高的要求。 虽然从1997年开始到1998年，全国电力供应紧张的状况有了缓和，局部地方出现了电力供大于求，但是我国的用电水平还是很低的。到1998年，全国人均占有装机容量O，22kw，发电量只有927kwh，这一水平只相当于世界平均水平的1/3左右，为发达国家的16/一1/10，与富裕的小康生活水平对电力的要求也相差甚远。电网结构薄弱，特别是500Vk网架在大部分电网中尚未真正形成，电网的安全性差，可靠性低，自动化水平不高，电网调峰容量不足，损耗大，供电质量差，远远不能适应21世纪信息时代对电力供应的数量和质量的要求。 因此，进入21世纪后，我国电力仍将以较高的速度和更大的规模发展，电源和电网建设的任务仍很重，同时，电力的发展还要合乎可持续发展战略，并受到环境的严重制约:还将接受全球范围内电力体制改革和技术创新能力的挑战，使之在技术上、管理上适应电力市场化体制和竞争需要;将迎接全球和地区经济一体化挑战，使电网互联范围不断扩大。 根据上述电力这2大任务，按照我国经济发展分三步走的战略，到2000年在解决温饱之后要基本达到小康水平，到2010年要达到富裕小康水平，到21世纪中期要达到中等发达国家水平。总之，在这相当长的时期内我国仍处于工业化和现代化时期，因此对电力的需求仍然非常旺盛，要有更大规模的电力建设来满足我国工业化和现代化建设对电力的需要。 21世纪初20年，是我国电力发展的关键时期，重点是在加强电网建设，同时继续加强电源建设，加快结构调整。未来3一5年内，中压10一35kV电缆将以环比增长10%速度扩大应用量。以往数年的城市电网建设与改造，使供电部门积累了大量经验和教训，主要是:l、大量应用大截面三芯电缆。由于考虑到今后10一巧年甚至更长时间的发展，为避免以后输电容量不够又要扩容，供电部门在选用电缆时，会尽量放大截面，以免留下后遗症。2、单芯大截面电缆将有所推广。现在常用三芯电缆，安装敷设分支困难。国外大多数采用三个单芯电缆大节距绞合的方法，既方便敷设，尽量减少占用地下空间，又便于分支。3、城市电网建设与改造工程中，电缆地下化是各地的一项重要任 往确定在50一80%左右。因此，中压交联电缆在今后较长的一段时间内，有较大的市场机遇。1.3交联电缆生产技术现状综述交联电缆以其良好的电气，机械性能和容易敷设等优点得到迅速发展，大有替代传统的铝包纸绝缘电力电缆，聚氯乙烯电力电缆和不滴流纸力电缆的趋势。目前在交联电缆生产中世界各国普遍采用过氧化物直接交联工艺，其过程是:导电线芯经过挤包内屏蔽，绝缘层和外屏蔽后进入交联管内化学交联，使挤包的PE分子交联成XLPE然后进入冷却管内冷却，在保持其电器性能不变的情况下，可改善PE的热特性和机械特性，提高电缆的品质。 交联电缆生产线是电线电缆设备中最复杂的一个生产系统，它包括塑料挤出机组，交联机冷却系统，上下牵引装置，收放线及储线装置，控制系统和辅助装置，设备占地面积大，生产厂房要求条件高，这种交联电缆生产线的方式以挤出机组布置在几十米高的交联塔顶部，交联管垂直地面安装即立式布置最为理想，它可以生产更高电压等级的交联电缆。有效的防止电缆偏心和擦管现象，保证电缆质量。但因VVC塔高需70米以上，土建费用高，建厂投资高，目前选用这种布线方式和设备的厂家很少。 悬链线式交联电缆生产线的布线方式既可解决交联生产中的擦管问题，又不使建筑费用增高(一般厂房经改造即可安装)，是目前国内外应用最广泛的交联电缆生产线。挤出机组安放在较高的平台上，交联管呈悬链线状 从平台上往地面延伸，根据所设计的生产速度，产品规格和其他条件确定悬链形状，长度和冷却段的尺寸，挤包后的交联电缆就是靠上下牵引装置的张紧力保持其在悬链线管内的中心位置，并使电缆在管内按规定的速度运动，从而完成电缆的连续交联和冷却过程，每一条交联电缆生产线其交联管的悬链形状是固定不变的。而生产的电缆在一定的范围内是分批变化的。因此保持在管内的正确位置和连续生产运动是衡量一条生产线的主要技术指标。交联管内压力，温度，水位等影响使电缆在管内的位置经常产生波动和变化，通过安装在交联管上的悬垂控制器和控制系统调整上下牵引装置，以免擦伤管臂，划伤电缆外层屏蔽。如果牵引装置没有可靠的技术特性和适时准确的悬垂度测量，生产线就不能正常工作。现在悬垂控制多用PI或PID控制，在这种控制方式下，需要针对控制对象设定专门的P（比例）、I（积分）、D（微分）参数。而这些参数的设定，是针对特定的控制系统的，对于悬垂生产线，要求在电缆偏离中心位置时，必须是针对确定的偏离距离给出确定的误差信号，比喻说对于电缆偏上1CM，必须给出1V的误差电压，而不能是时而给出1V，时而给出2V或0.5V，偏差不变则误差电压就不能变，只有在这样的情况下，PID针对控制对象设定的PID参数才有意义，才能最佳的控制电缆稳定的处于悬垂管中心位置。否则，不是电缆位置控制过于迟缓，就是控制过冲，在生产实践中，这两种情况下都会不可避免的造成电缆在悬垂管中的上下摆动。1.4本设计的主要工作意义1.现有检测不能适应生产环境中被检测信号大幅起伏不定的的工作条件，如电缆对中心位置的相同1cm偏差，在信号正常时检测装置能正常给出1V的偏差电压，但在信号较强时给出的偏差电压变成了2V，在信号偏弱时偏差电压又变成0.5V。这使得后续调节控制紊乱，其实这就是现在国内几乎所有电缆厂的悬垂生产线调速器PID参数设置“困难”的实际原因输入变量不确定。 现在悬垂控制器（传感器）现在完全做不到这一点（指偏差不变则误差电压就不能变），因为现在的测量原理是利用电缆中流过的感应电流，但是这个感应电流的大小，是依据多种因素变化的，根据实地采样记录造成电流变化并引起传感器输出相应的变化状况：a.同样线型电缆在生产缠绕过程中变化可达20倍。b.不同线型造成信号变化又可以达到若干倍c.因为生产线检修、周边环境改变等造成生产线相对悬垂检测所需的分布参数改变，又会引起传感器输出变化若干倍。综合上述因素，总的影响可以达到数千倍以上，由此看到，如果不对这些因素加以控制，悬垂传感器时无法提供PID控制所必须的正确输出，这就是电缆控制不稳的根本原因。在这种情况下，技术人员往往精心调配好PID控制，短时间似乎正常了，可时间一久，又往往失控。 2.信号允许动态范围不足、抗干扰性能差，造成检测装置的灵敏度无法提高。现有国内外悬垂检测装置都无法使用到连硫生产线上，因为这里的被检测信号更弱、信号起伏更大。 所以必须使得传感器输出仅仅和位置及其偏离相关，而对于其它因素可能造成的传感器输出误差予以补偿和消除。 传感器要有大的动态范围，以适应感应电流变化，既在全程范围（管内上下偏离10CM）信号不饱和，又具有足够的相信分辨率（正负1mm）。研究课题主要解决这两大点难题。第2章 交联电缆生产牵引张力控制系统2.1张力控制系统概述在工业生产的很多行业中，都需要进行比较精确的张力控制，保持张力的恒定，以提高产品质量。这些行业诸如造纸、纸加工、印刷、印染、包装、电线电缆、光纤光缆、胶粘带、纺织、皮革、金属箔加工、纤维、橡胶等。在这些行业的收、放卷工艺中，为了满足工艺要求都需要保持线材或带材上张力的恒定。典型的张力控制收卷示意图如下:图2-1张力控制示意图现在几乎所有国外的交联电缆生产线上下牵引张力控制采用直流调速方式，直流电机配置全数字控制的直流驱动器，调速的精度和性能都是相当好的，但随着工作年限的增加，直流电机的维护量增大，维护费用巨大，经常出现直流电机在维护过后特性发生变化，造成系统的不稳定。 随着电力电子技术的发展，变频调速技术从最初的VF/转矩控制到矢量控制，调速性能也达到了日臻完美的地步。伴随着技术成熟的同时，变频调速价格也相当经济，同样一套交联生产线，变频交流调速张力系统的造价已经低于直流调速张力系统的造价，虽然变频器价格稍高于直流驱动器，但其可靠的稳定性和易维护性有独到的优势，交流异步鼠笼电机更因价格低廉、维护简单而广泛应用;相对而言，对于交联电缆生产线上下牵引张力控制，交流系统的实现比直流系统更加直观和简单14。2.2 三种张力控制方案张力控制系统的目的就是保持线材或带材上的张力恒定，由变频器构成的系统可以通过两种途径达到以上目的:一是通过控制电机转速来实现;另一种是通过控制电机输出转矩来实现。对应这两种途径，有三种控制方案可选择。2.2.1张力闭环控制方案l(速度模式)通过调节电机转速达到张力恒定。首先由带(线)材的线速度和卷筒的卷径实时计算出同步匹配频率指令，然后通过张力检测装置反馈的张力信号与张力设定值构成PID闭环，调整变频器的频率指令。同步匹配频率指令的计算方程式: f = ( V * P * I ) / ( * D) (2-1)其中:f变频器同步匹配频率指令V 材料线速度P电机极对数I机械传动比D卷筒的卷径材料线速度由线速度检测模块获得，卷径有卷径计算模块获得。此方案中，保证比较准确的同步匹配频率指令可以减少P功调节器的调节量，使系统更容易稳定，还有就是线速度的检测的准确性比较重要。2.2.2张力开环控制方案(转矩模式)通过控制电机输出转矩控制张力恒定。由设定的张力和卷筒的卷径计算出变频器的转矩指令。计算方程式如下: f = (F*D) / (2 * I) (2-2)其中:T变频器输出转矩指令F张力设定指令D卷筒的卷径I机械传动比变频器工作在转矩控制模式，可以获得更为稳定的张力控制效果。此方案无需张力反馈，但变频器需工作在闭环矢量控制方式，必须安装测速编码器。采用转矩模式进行张力控制时，必须考虑系统加减速过程中转动惯量的影响，采取惯性补偿模块处理。2.2.3张力闭环控制方案2(转矩模式) 在开环张力控制方案的基础上增加了张力反馈闭环调节。通过张力检测装置反馈张力信号与张力设定值构成PID闭环调节，调整变频器输出转矩指令。这种方案可以保证更高的张力控制精度。2.3张力控制系统的方案确定2.3.1变频器矢量控制技术的介绍 采用一般的V/F控制通用变频器给异步电动机供电时，可以实现无级平滑调速，起动和停车都很方便。但是，调速时有静差，精度不高，调速范围不过1:10，而且也不能像直流调速系统那样提供很高的动态性能。2.3.2变频器矢量控制技术 过去的变频调速方案中所采用的V/F等于常数的变频器有如下缺点:1.在整个速度范围内皆无法调节转矩，转速趋近O时转矩响应很差2.速度调节性不精确3.动态响应不佳4.未作电流调节，导致电机于低转速时的低运转效率5.选用变频器时通常要加大一级以产生额定的电机转矩由于技术的发展，现代变频器已广泛采用矢量控制技术，矢量控制变频器具有如下优点:6.能调节电机转矩，在整个电机转速范围提供恒定转矩7.闭环控制驱动系统提供绝对速度控制8.低转速运转时仍维持效率9.选用变频器时不必加大一级，即可在低转速时获得额定电机转矩值10.典型功率因数值为0.9511.有无电机转速回馈皆可运转12.动态响应及效率不低于于直流电机 要实现高动态性能，必须充分研究电机的物理模型和动态数学模型。现在常用的高性能控制策略有矢量控制和直接转矩控制两种，这里介绍矢量控制及矢量控制范畴中的无速度传感器矢量控制。 矢量控制系统采用由转子磁链决定d一轴方向的d一q同步旋转坐标系，把异步电机的定子电流分解为其励磁分量和转矩分量，得到类似于直流电机的转矩模型，再采取措施把非线性系统变换成两个独立的转速和转子磁链的子系统，从而模仿直流电机分别用P1调节器进行控制。矢量控制在选用高精度的光电码盘传感器时，其调速范围可达1:1000，动态性能也很好。但按转子磁链定向会受电机参数变化的影响而失真，从而降低了系统的调速性能，采用智能化调节器可以克服这一缺点，提高系统的鲁棒性5。 从总体控制结构来看，采用转矩和磁链分别控制，转矩控制环(或电流的转矩分量环)都处于转速环的内环，可以抑制磁链变化对转速子系统的影响，从而使转速和磁链子系统实现了近似的解祸。因此能获得较高的静、动态性能4。2.3.2张力控制系统的方案 系统中传动部分分为送卷张力卷绕控制和收卷张力卷绕控制。为了减小送卷和收卷两子系统的祸合作用，对送卷张力卷饶控制采取张力开环控制方案，对收卷张力卷饶控制采取上述的张力闭环控制方案2;送卷张力卷绕控制时变频器工作在转矩控制模式，根据PLC内部计算模块稳定工作，收卷张力卷绕控制工作在闭环状态，根据张力变化，与张力设定值构成PID闭环控制。图2-2张力控制系统原理图 第3章 在线测控的悬垂控制器设计3.1悬垂度测量的概述 交联聚乙烯电缆以其具有优异的电气性能，良好的运行安全性能和热过载机械特性以及安装运行，维修简便等优点得到了广泛的运用。在交联聚乙烯绝缘电缆生产过程中，电缆硫化生产线将裸导线加工成成品电缆产品，其长度可达百米。为保证电缆质量，必须对牵引设备的卷绕机转速进行控制，保持线速度恒定的前提下控制电缆张力恒定，以防止电缆碰壁擦管，由于交联聚乙烯绝缘电缆生产工艺特殊性，在硫化管中对张力不易直接检测到，电缆悬垂度成为电缆张力的直观反映。 国内也有少数厂家研制该检测装置，由于采用的方法均为模拟电路系统，从实际使用的角度来看并不理想，主要表现为电缆在硫化管内摆动幅度大，且对生产电缆的规格有一定的要求，具有很大的局限性，不太符合实际生产的要求，因此研制智能化电缆悬垂度在线测控装置，对提高我国电缆生产质量，提高电缆企业的经济效益具有非常重要的意义2。3.2系统组成及测控原理系统组成及测量框图见图3.1。图中发射控制器由稳压电源、信号发生电路、前置放大器、幅值控制电路和功率放大器等组成。通过对接收信号的调理，再经PLC采集、分析、处理来实现测控3。 图3-1系统组成及测量框图3.3系统硬件设计3.3.1发射线圈 发射线圈为一个环型线圈，套装在硫化管的外部，其初级回路由带铁芯的环型螺线圈组成，次级回路由电缆缆芯以及分布电容构成。套装本线圈的一段硫化管应该对地绝缘且和其他管道同径。根据电磁感应理论，如果在发射线圈上加有高频电流，则会在电缆上产生同频感应电流。由于现场环境的温度较高，所以设计本发射线圈时铁心材料的选择是一个关键。3.3.2接收线圈 收线圈由耐高温高湿的材料制成。本系统采用了两个接收线圈，它们上下对称安装在硫化管中，内径尺寸与硫化管的内径相同。当电缆中流过交变电流时，交变电流会产生磁场，接收线圈中就会感应出一定的电势，它的大小与电缆和其中交变电流的大小有关。比较两个接收线圈的感应电势，就可以测量出电缆在硫化管道中的位置。该位置信号经过PID处理后控制牵引设备，以达到控制硫化管中电缆张力即悬垂度的目的。接收线圈是两块印制线圈，将它们分别固定于悬垂管的上、下方，尽量贴近悬垂管，但不要接触，保持1mm间隙以防悬垂管的温度直接导入而烧坏接收线圈。安装时，切切注意：要求印制线圈的平面必须与悬垂管的轴线、以及与铅垂线保持平行。3.3.3发射控制器 本系统设计的信号发生电路产生频率约为127KHZ的正弦信号，但因其输出功率不大，而发射线圈实为一大功率器件，因此对信号进行放大。考虑到各种规格的电缆线直径，材料不同，硫化水位的高或低以及生产过程中收放 信号截止失真，通过改变电压放大过程中运算放大器的反馈电阻的大小保持电缆中电流稳定，反馈电阻大小由PLC控制。具体框图见图3-2。图3-2发射控制器框图3.3.4 接收控制器 接收控制器对接收线圈中的信号进行处理。接收线圈中的信号送入到接收控制器的电压跟随器中，这里的电压跟随器有两个作用，一为隔离接受线圈和后续电路，二为增强后续电路的驱动能力。紧接电压跟随器的放大电路的作用也不仅仅是放大信号，更重要的是它的放大增益使得二极管的压降变小(相对于放大电路防在全波整流之后而言)。对高频交流信号变为直流信号，如果选择了合适的滤波电容后，不仅可以滤掉许多杂波，也可以使电路反映非常灵敏。最后一级为直流放大电路，可根据PLC的需要，调整其放大倍数，由PLC进行数据采集和处理。第4章 电路设计4.1中心控制电路测量装置用于连续生产设备，装置测量所需的信号从发射控制到接收解调，都需要按10nS的时间相应和相位精度来控制，而生产过程中是不允出现中断或任何哪怕是瞬间的故障，电缆张力失控造成的局部擦管也会使得整段成卷的高压电缆报废。这里不允许通常的微机软件跑飞再由看门狗拉回方式，所以本装置采用全硬件控制，中心控制电路由CPLD芯片U1-MAX570T144构造而成，见图3-2：图3-2 CPLD芯片U1-MAX570T14 R86/C67提供了外部的上电复位信号； XT1有源晶振提供全局时钟； SD1、2拨动开关用以设定测量所采用的工作频率，它以0.1KHz为单位进行设定； SD3拨动开关用于设定发射信号功率调节的时间常数，它对接收信号的功率测量结果进行平均和积分； ISP1为U1-MAX570T144的电路配置下载端； CZ1为U1-MAX570T144内部节点信号监测端，为生产检测装置时监测调配所需； CZ2、3、4为检测装置的模式设定，可使检测装置改变工作模式，以适应不同的接收头。CZ_JS1为和信号接收头的连接端子，为接收头提供工作电源和接收信号所需的参考信号，其中信号FC为参考频率，OUTV为当前发射电平。并从接收头获取上下通道电平OUTAO、OUTBO，以及接收电平SPAN。参考频率信号FC，信号接收放大器是个旋转电容放大器构成的同步外差电路，所谓参考信号就是一个和发射接收信号相差一个固定25Hz频率差相位差的正负方波信号，接收头利用该信号驱动电容翻转，该信号相当一个混频用的本振信号，接收信号通过旋转电容放大器放大后，就同时产生一个25Hz的差频。然后再对该25Hz信号进行窄带放大和同步解调，从而实现高抗干扰和高增益。OUTV供接收头按当前发射功率电平设定接收放大器的增益：发射功率越大，说明当前需要的增益越高，从而降低发射功率，使得整个检测装置处于上下动态范围都适中的最佳状态。OUTV供接收头按当前发射功率电平设定接收放大器的增益：发射功率越大，说明当前需要的增益越高，从而降低发射功率，使得整个检测装置处于上下动态范围都适中的最佳状态。对25Hz的放大是个低漂移的交流放大器，后面接着25Hz的同步解调，整个带宽仅为10Hz-200Hz，是个窄带放大器，所以噪声很小，增益可以做得很高（80db）。一般其它产品是直接对发射接收频率放大的，因为Q做不高（他们的带宽有正负几KHz到十几KHz，所以噪声大，增益低） CZ_C1为生产现场调试所用的专用仪表连接端，供在现场安装调试时显示上下通道的电平、发射信号电平、电缆偏差检测电平等实时信号。 U1根据SD1、2设定的频率，按检测到的接收电平，产生经宽度调制的检测发射信号，并通过引脚DEVA/B输出；U1同时根据发射信号频率产生接收参考频率信号提供给信号接收头；Q3、4将参考频率信号驱动成峰峰达30Vpp的低阻信号传输给接收头，从而有效抑制传输过程中的干扰引起的相位扰动。4.2发射信号输出电路图4-2 发射信号电路 U1产生的发射信号经半桥驱动IC电路IRS2184，驱动场管Q8、9.输出脉宽按功率要求调制的功率发射信号；而电容C103、C106以及电感LP1、2构成了低通滤波并完成了发射源到负载（发射线圈）之间的阻抗变换。C89、C92用于调配负载发射线圈阻抗。RC1用于监测负载发射电流，使用时可短路，不短路情况下，RC1最大功耗为2W。R118/C90输出反映发射功率的电平信号，该信号供检测装置系统进行功率控制反馈，和为接收头提供增益控制参考。第5章 悬垂控制器参数说明5.1基本参数说明1.-40db带宽0.1 KHz 这项指标反映仪器设备的抗干扰性能。常有这样情况，设备原来工作很正常，但是生产现场其它机器一开动，设备工作就紊乱了，这基本都属于设备抗干扰性能差。普通设备仪器的信号选择性指标惯用-3db带宽，这里为什么要用-40db呢？因为悬垂控制器原理与其它仪器不同，它要测量的不是信号的大小，而是更微弱的“信号变化量”的大小，一个干扰对信号自身影响可能并不大，仅有百分之几，但是对于“信号变化量”的影响却往往是百分之百的。“-3db带宽”意味信号通带外的干扰功率被衰减一半，而“-40db带宽”则意味带外的干扰功率降到了万分之一。具体到悬垂控制器，“-40db带宽0.1 KHz”意味一个与被测量的输入信号电平相当的干扰，只要它的频率与被测信号偏离0.1 KHz以上，造成电缆偏离中心的距离将0.5cm，这也正是设定这项指标的依据。2.输入灵敏度1V 其它各种悬垂控制器灵敏度恐怕没有任何一款能超过100V的，所以都必须使用那种磁环构成的发射线圈，因为它的发射效率很高，这样可以在信号衰减较小的中压交联线上使用，但用在信号衰减较大的绝缘型如橡套生产线上则常常仍会有灵敏度不够的问题。本型号悬垂控制器因为具备足够高的灵敏度，所以采用了一种可拆分成两个半圆环的金属铠装发射线圈，它虽然发射效率较低，但是具备有众多的优点，除了坚固稳定、拆卸安装简便外，更具备一种“抗多径干扰”的功能。我们知道，悬垂控制器是靠接收悬垂管中的电缆感应信号来判