定長取纜自動控制系統設計與研究

常宏 丁偉 倪華豪

摘 要：線纜收纜打包的方式嚴重影響生產效率，纜徑越大，勞動強度就越高，為實現線纜自動取長、切纜及收纜，設計研究了一種定長取纜自動控制系統。該系統包括上料小車、放線龍門、對中裝置、履帶牽引、收線龍門和自動控制系統。上料小車通過預埋軌道將線纜盤送至龍門;放線龍門為框架式結構，采用變頻控制方式，完成線纜盤的夾緊、升降和放線;履帶牽引采用氣壓式夾緊方式，提供恒定的牽引力，并可實時計米;對中裝置將線纜準確保持在固定位置;收線龍門為上開口式結構，采用力矩+速度控制方式，完成設定長度線纜的收線;自動控制系統以西門子1200PLC為主控模塊，利用PLC-OPCUA協議與數據采集軟件kepserver作信息交互，并通過平板電腦的APP實現各單元的無線控制。樣機試驗表明：該定長取纜系統運行穩定、生產效率高，可實現不同纜徑、不同盤徑的定長取纜。

關鍵詞：定長取纜;1200PLC;無線控制

中圖分類號：TH39? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）09-0096-06

Design and Research of Automatic Control System for Fixed Length Cable Taking

Chang Hong1， Ding Wei2， Ni Huahao1

（1.State Grid Taizhou Power Supply Company，Taizhou 225300， China ;

2.Jiangsu Anfang Power Technology Co.， Ltd.， Taizhou 225300， China）

Abstract：The method of cable take-up and packaging seriously affects production efficiency. The larger the cable diameter， the higher the labor intensity. In order to realize the automatic cable length taking， cutting and take-up cable， an automatic control system for fixed-length cable taking has been designed and studied. The system includes feeding trolley， pay-off gantry， centering device， crawler traction， take-up gantry and automatic control system. The feeding trolley sends the cable tray to the gantry through the embedded track; the pay-off gantry is a frame structure and adopts a frequency conversion control method to complete the clamping， lifting and pay-off of the cable tray; the crawler traction adopts the pneumatic clamping method to provide constant traction and can count meters in real time; the centering device accurately maintains the cable at a fixed position; the wire take-up gantry is an open-top structure， and the torque + speed control method is adopted to complete the wire take-up of the set length of cable; the automatic control system uses Siemens 1200PLC as the main control module， uses PLC-OPCUA protocol and data acquisition software kepserver for information interaction， and realizes wireless control of each unit through the tablet PC APP. The prototype test shows that the fixed-length cable taking system has stable operation and high production efficiency， and can realize fixed-length cable taking with different cable diameters and different reel diameters.

Key words：fixed-length cable take-off; 1200PLC; wireless control

線纜的用途有很多，主要用于控制安裝、連接設備、輸送電力等多重作用，是日常生活中常見而不可缺少的一種東西。線纜生產完成后，需要收纜打包，常規的收纜方式是：人工將纜盤搬運至半自動收纜機上，并人工操作治具，以將纜盤被半自動收纜機夾緊，然后人工將線纜的線頭穿出纜盤外，該半自動收纜機驅動該纜盤轉動，使纜盤進行收卷，使線纜繞卷于該纜盤上，勞動強度大，且工作效率低下，不利于提高生產力。對于直徑較大且硬度也較大的線纜，人工手動繞制會極其麻煩，且勞動強度極大，對生產者造成較大的困擾。

目前，大部分纜線生產廠家依然在采用上述的收纜方式，加重了工人負擔以及降低了生產效率。近幾年，雖然科技得到了迅猛發展，但是全世界在對于這方面的研究并不是很多。但是本文中敘述的很多相關技術得到了非常廣泛的研究，主要可以概括為以下2方面：

（1）纜線自動收線機械結構的設計。陳慶賀[1]運用雙向滾珠絲杠結構設計出自動卷纜裝置;采礦的過程中自然離不開使用纜線供電和通訊，賈鴻飛[2]研發了一種煤礦井下工作的回收通訊電纜自動卷線裝置，并得到了很好的推廣;張明威，錢晉武[3]等人設計了新型地下纜線收放新機構;傅鐘煒[4]設計了一種雙吊夾送料裝置，為送料裝置的設計提供了新思路。

（2）控制系統。線纜需要限定長度，因此必須在控制系統中進行精確的控制，而目前控制系統分為強電控制的PLC以及弱電控制的芯片。對于用PLC來進行控制的系統，由于其很高的可靠性是現在很多人研究的重點，特別是管類的定長裁剪，林基宏[5]，許穎等[6]，Wei Na etc[7]都是基于PLC進行定長切割系統的研究。陳經艷[8]則是將PLC與觸摸屏相結合來研究不銹鋼管的定長切割系統;王瑾烽[9]基于一種特定的PLC（S7-1200）進行定長控制系統的研究。胡永安，陳彩鳳等[10]，還對一種移液管在線定長切割方法進行了研究。董洢安[11]則是基于單片機開展了自動纏線裝置系統的研究。控制系統豐富的研究現狀為我們控制系統的設計提供了更多的參考。

針對目前線纜收纜打包效率低、勞動強度大以及現有設備的不足，本文設計研究了一種新型定長取纜自動控制系統，該系統利用平板電腦無線控制各PLC單元，能夠實現不同纜徑、不同盤徑的定長取纜。

1 定長取纜系統總體結構

本文提出的定長取纜自動控制系統，主要由6部分組成：上料小車、放線龍門、履帶牽引、截斷裝置和收線龍門，系統總體結構如圖1所示。

上料小車通過與AGV運載車對接，將線纜盤沿軌道搬運至放線龍門下方，并使線纜盤中心孔與龍門的頂尖對齊。放線龍門采用下開口式結構，實現對線纜盤的夾緊、升降和放線功能。履帶牽引采用氣壓式夾緊機構，是拖拽線纜的動力，并具備計米功能。截斷裝置是當所需的線纜達到一定的長度時，實現線纜切斷功能。對中機構是保證線纜進出牽引時始終在一個位置上。收線龍門采用上開口式結構，沿地軌進行排線，并實現指定長度線纜的收線成盤。系統工作過程如下：

（1）上料小車在初始位置上對接AGV運來的線纜盤，觸發AGV退出信號，上料小車將線纜盤運至放線龍門正下方，觸發到位信號，上料小車停止。

（2）放線龍門根據設定值將頂尖降至線纜盤中心高度，夾緊機構將線纜盤夾緊，提升機構將線纜盤提升至一定高度，觸發到位信號，上料小車退出回到初始位置;上料小車原點信號觸發，放線龍門抱閘打開。

（3）履帶牽引夾住線纜，實現線纜的預牽引，達到預牽引長度后停止牽引（同時放線龍門抱閘關閉），在收線龍門上固定好纜頭，啟動收線龍門，線纜自動繃緊，觸發力矩到達信號，牽引自動運行（同時放線龍門抱閘打開）。

（4）設定取纜長度，啟動總控按鈕，收線龍門開始收纜，外置計米裝置開始計米，當計米到達設定值，牽引自動停止（同時放線龍門抱閘關閉）。

（5）截斷裝置啟動，夾緊機構將線纜夾住，觸發夾緊壓力信號，鋸條電機啟動，下壓油缸動作，開始切割，觸發切割到位信號，下壓油缸抬起，切斷完成。

（6）觸發抬起到位信號，收線龍門自動停止，張力解除，截斷裝置夾緊機構松開，收線纜頭固定，AGV小車將完成定長取纜的線纜盤移走。

（7）收線龍門換盤，重復步驟（4）～（6），以此循環。

（8）當線纜盤上的線纜不夠用時，牽引反轉，放線龍門主動收線，并將纜頭固定好，上料小車將線纜盤移出放線龍門，AGV小車用完線纜盤取走。

其中與收放線對接的AGV小車本系統不提供，只與其對接信號。

系統運行流程圖如圖2所示。

2 定長取纜系統結構設計

2.1 放線龍門

放線龍門主要由排線機構、提升機構、夾緊機構和驅動機構構成，其結構如圖3所示。

2.1.1 排線機構

放線龍門排線機構由排線輪、排線電機和減速機等相關零部件組成。排線輪安裝于放線龍門機架的底部兩側位置，行走于地面預埋導軌上，兩組排線輪之間以連桿直連，通過變頻電機實現驅動。

排線輪驅動力FC大小計算公式如下所示：

式中： η為安全系數;f1為放線龍門排線輪與預埋導軌表面摩擦系數;m1為放線龍門質量;m2為線纜盤質量;g為重力加速度。

排線輪驅動力矩MC為：

式中： Fc為放線龍門排線輪驅動力;D為放線龍門排線輪直徑。

根據以上計算結果，可確定相應的放線龍門排線機構驅動電機和減速機型號。從而，放線龍門排線速度Vc可由以下公式計算：

式中： D為放線龍門排線輪直徑;n為放線龍門排線輪驅動電機轉速;i為放線龍門排線機構減速機減速比。

2.1.2 驅動機構

放線龍門驅動機構由頂尖、制動盤、驅動電機和減速機等零部件構成。其中，頂尖為錐形結構，用于固定線纜盤，頂尖上有撥銷，為驅動線纜盤提供驅動點;當放線龍門正常使用時，制動盤抱閘打開，進行放線;當定長取纜任務完成后，驅動電機反向轉動，將放出的線纜收回;

驅動電機的扭矩T大小計算公式如下：

式中： n1為放線龍門驅動電機點動轉速;m2為線纜盤質量;r為線纜盤半徑;t為線纜盤轉動加速時間。

驅動電機的功率大小計算公式如下：

式中： T為放線龍門驅動電機扭矩;n1為放線龍門驅動電機點動轉速。

根據以上計算結果，可確定相應的放線龍門驅動機構電機和減速機型號。

2.1.3 升降機構

升降機構用于實現線纜盤的升降，便于線纜盤上下料和取纜，主要由絲桿、螺母座、滑塊、升降電機和減速機等相關零件部件組成。

升降電機功率P1計算公式如下：

式中： Mt1為絲桿螺紋摩擦力矩;Mt2為絲桿螺紋軸向支撐面摩擦力矩;n1為升降電機轉速。

絲桿螺紋中d2徑計算公式如下：

式中： F為絲桿受到的軸向載荷;Pp為螺紋副許用壓強;Ψ為螺母結構系數。

根據絲桿材料、許用應力及中徑，可確定絲桿型號，需對絲桿的自鎖性、強度及耐磨性進行驗算。

絲桿螺紋升角λ計算公式如下：

式中： S為絲桿導程;d2為絲桿螺紋中徑;當量摩擦角ρ'計算公式如下：

式中：f 為絲桿摩擦因數;α為絲桿螺紋公稱接觸角。

當量應力σca計算公式如下：

式中： F為絲桿受到的軸向載荷;Mt1為絲桿螺紋摩擦力矩;d3為絲桿螺紋小徑。

工作壓強p計算公式如下：

式中： F為絲桿受到的軸向載荷;d2為絲桿螺紋中徑;H1為絲桿螺紋基本牙型高度;n0為絲桿螺紋旋合圈數。

2.1.4 夾緊機構

夾緊機構通過鏈傳動和絲桿傳動的方式實現線纜盤的夾緊和松開，主要由鏈輪、絲桿、滑塊、夾緊電機和減速機等相關零件部件組成。

2.2 上料小車

上料小車在預埋導軌上來回動作，實現線纜盤的上下料。在原點位置，完成與AGV小車上線纜盤的對接，運至放線龍門正下方后，將線纜盤對接給龍門，最后返回至原點位置等待。

2.3 履帶牽引

履帶牽引為定長取纜提供牽引力，最大牽引力為3T，可正反向運轉，實現取纜和收纜，帶計米功能，計米精度為3‰，主要由導向機構、履帶夾緊機構、牽引機構等零部件組成，其結構如圖4所示。

2.4 對中裝置

對中裝置由固定底座和導向輥組組成，導向輥組的間距可調，可適應不同直徑的線纜，同時保證了線纜進出履帶牽引時是對中狀態。

2.5 截斷裝置

截斷裝置為線纜達到設定長度時切斷線纜，主要由夾緊機構、鋸片、液壓升降機構組成，其結構如圖5所示。

2.6 收線龍門

收線龍門采用地軌式龍門結構，交流變頻電機通過減速機實現力矩+速度收線動作，小線徑采用速度控制，大線徑采用力矩控制，主要由夾緊機構、升降機構、排線機構及驅動機構組成，其結構如圖6所示。

3 定長取纜控制系統設計

隨著信息技術的發展和我國國民經濟信息化的推進，在自動化控制方面，以無線網絡控制實現信息電子化交換和信息資源共享成為必要。本文基于無線觸摸屏+PLC+邏輯電路的控制方式，設計研究了定長取纜自動控制系統，該系統由放線龍門控制系統、收線龍門控制系統、履帶牽引控制系統和截斷裝置控制系統構成，包含有PLC控制模塊、傳感器模塊、電機驅動模塊、通信模塊以及電磁模塊，系統結構框圖如圖7所示。

（1）PLC控制模塊：定長取纜自動控制系統均采用西門子1200系列1214CPU作為主控模塊。該CPU編程方式便捷，具有可擴展性強、靈活度高等眾多優點，可連接 8 個信號模塊和3個通信模塊。

（2）傳感器模塊：包括接近開關、行程開關及編碼器。其中收線纜盤升降機構采用Autonics電感式接近開關，其型號為PR12-4DN，感應距離4mm，用于精準定位線纜盤升降位置;牽引出口處采用Autonics脈沖式1024p高精編碼器，其型號為E50S8-1024-3-T-24，該傳感器將旋轉位移轉化成數字脈沖信號，脈沖個數對應計輪子周長，實現高精度計米。

（3）電機驅動模塊：定長取纜自動控制系統中均采用三相異步電動機配合丹弗斯變頻器F302進行速度調節和力矩給定。收線龍門主軸變頻器與PLC進行profinet通訊，根據當前的線速度，推算出收線卷徑，實時給定收線張力，該通訊方式響應快，精度高。收線龍門排線變頻控制，根據主軸收線的線速度耦合排線電機做跟隨排線。不同的纜徑大小，可在觸摸屏上設定排線節距，同步改變跟隨排線的速度比。

（4）通信模塊：定長取纜自動控制系統采用的是TP-LINK無線路由器作為中間橋接，利用PLC -OPCUA協議與數據采集軟件kepserver作信息交互，kepever生成的編譯數據嵌入至APP底部，從而實現平板電腦App控制各個PLC單元。

（5）電磁模塊：采用亞德客電磁閥控制該系統中所有氣缸和油缸。

4 系統研制與實施

根據上述設計，研制了定長取纜系統樣機，并將該樣機部署于一個物資中心倉庫，對系統的運行穩定性及定長取纜效果進行測試，測試現場如圖8所示。

實施現場通過AGV將所需種類的線纜盤運至上料小車上，上料小車對接放線龍門，履帶牽引將線纜頭牽引至收線龍門，通過聯動控制，實現設定長度線纜的切斷，完成定長取纜，并通過AGV將纜盤取走。實施倉庫按照如下條件進行測試：測試周期為3個月，每天至少完成50盤線纜的定長取纜工作，工作時間為早上8點至下午5點，共計8h。

實施結果表明，該定長取纜自動控制運行穩定，能夠對滿盤線纜進行設定長度的快速分盤，滿足使用要求。

5 結論

針對線纜收纜生產效率和勞動強度問題，設計研究了一種定長取纜自動控制系統。通過具有升降、夾緊及驅動功能的放線龍門，系統實現了線纜盤的被動放線和主動回收;通過具有計米功能的履帶牽引，實現了線纜的牽引和計米;通過截斷裝置和收線龍門，實現了線纜的設定長度切斷和收線。經過系統樣機實施測試，該系統運行可靠，生產效率高，可實現不同纜徑、不同盤徑的定長取纜。

參考文獻

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