定长取缆自动控制系统设计与研究

常宏 丁伟 倪华豪

摘 要：线缆收缆打包的方式严重影响生产效率，缆径越大，劳动强度就越高，为实现线缆自动取长、切缆及收缆，设计研究了一种定长取缆自动控制系统。该系统包括上料小车、放线龙门、对中装置、履带牵引、收线龙门和自动控制系统。上料小车通过预埋轨道将线缆盘送至龙门;放线龙门为框架式结构，采用变频控制方式，完成线缆盘的夹紧、升降和放线;履带牵引采用气压式夹紧方式，提供恒定的牵引力，并可实时计米;对中装置将线缆准确保持在固定位置;收线龙门为上开口式结构，采用力矩+速度控制方式，完成设定长度线缆的收线;自动控制系统以西门子1200PLC为主控模块，利用PLC-OPCUA协议与数据采集软件kepserver作信息交互，并通过平板电脑的APP实现各单元的无线控制。样机试验表明：该定长取缆系统运行稳定、生产效率高，可实现不同缆径、不同盘径的定长取缆。

关键词：定长取缆;1200PLC;无线控制

中图分类号：TH39        文献标识码：A 文章编号：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

線缆的用途有很多，主要用于控制安装、连接设备、输送电力等多重作用，是日常生活中常见而不可缺少的一种东西。线缆生产完成后，需要收缆打包，常规的收缆方式是：人工将缆盘搬运至半自动收缆机上，并人工操作治具，以将缆盘被半自动收缆机夹紧，然后人工将线缆的线头穿出缆盘外，该半自动收缆机驱动该缆盘转动，使缆盘进行收卷，使线缆绕卷于该缆盘上，劳动强度大，且工作效率低下，不利于提高生产力。对于直径较大且硬度也较大的线缆，人工手动绕制会极其麻烦，且劳动强度极大，对生产者造成较大的困扰。

目前，大部分缆线生产厂家依然在采用上述的收缆方式，加重了工人负担以及降低了生产效率。近几年，虽然科技得到了迅猛发展，但是全世界在对于这方面的研究并不是很多。但是本文中叙述的很多相关技术得到了非常广泛的研究，主要可以概括为以下2方面：

（1）缆线自动收线机械结构的设计。陈庆贺[1]运用双向滚珠丝杠结构设计出自动卷缆装置;采矿的过程中自然离不开使用缆线供电和通讯，贾鸿飞[2]研发了一种煤矿井下工作的回收通讯电缆自动卷线装置，并得到了很好的推广;张明威，钱晋武[3]等人设计了新型地下缆线收放新机构;傅钟炜[4]设计了一种双吊夹送料装置，为送料装置的设计提供了新思路。

（2）控制系统。线缆需要限定长度，因此必须在控制系统中进行精确的控制，而目前控制系统分为强电控制的PLC以及弱电控制的芯片。对于用PLC来进行控制的系统，由于其很高的可靠性是现在很多人研究的重点，特别是管类的定长裁剪，林基宏[5]，许颖等[6]，Wei Na etc[7]都是基于PLC进行定长切割系统的研究。陈经艳[8]则是将PLC与触摸屏相结合来研究不锈钢管的定长切割系统;王瑾烽[9]基于一种特定的PLC（S7-1200）进行定长控制系统的研究。胡永安，陈彩凤等[10]，还对一种移液管在线定长切割方法进行了研究。董洢安[11]则是基于单片机开展了自动缠线装置系统的研究。控制系统丰富的研究现状为我们控制系统的设计提供了更多的参考。

针对目前线缆收缆打包效率低、劳动强度大以及现有设备的不足，本文设计研究了一种新型定长取缆自动控制系统，该系统利用平板电脑无线控制各PLC单元，能够实现不同缆径、不同盘径的定长取缆。

1 定长取缆系统总体结构

本文提出的定长取缆自动控制系统，主要由6部分组成：上料小车、放线龙门、履带牵引、截断装置和收线龙门，系统总体结构如图1所示。

上料小车通过与AGV运载车对接，将线缆盘沿轨道搬运至放线龙门下方，并使线缆盘中心孔与龙门的顶尖对齐。放线龙门采用下开口式结构，实现对线缆盘的夹紧、升降和放线功能。履带牵引采用气压式夹紧机构，是拖拽线缆的动力，并具备计米功能。截断装置是当所需的线缆达到一定的长度时，实现线缆切断功能。对中机构是保证线缆进出牵引时始终在一个位置上。收线龙门采用上开口式结构，沿地轨进行排线，并实现指定长度线缆的收线成盘。系统工作过程如下：

（1）上料小车在初始位置上对接AGV运来的线缆盘，触发AGV退出信号，上料小车将线缆盘运至放线龙门正下方，触发到位信号，上料小车停止。

（2）放线龙门根据设定值将顶尖降至线缆盘中心高度，夹紧机构将线缆盘夹紧，提升机构将线缆盘提升至一定高度，触发到位信号，上料小车退出回到初始位置;上料小车原点信号触发，放线龙门抱闸打开。

（3）履带牵引夹住线缆，实现线缆的预牵引，达到预牵引长度后停止牵引（同时放线龙门抱闸关闭），在收线龙门上固定好缆头，启动收线龙门，线缆自动绷紧，触发力矩到达信号，牵引自动运行（同时放线龙门抱闸打开）。

（4）设定取缆长度，启动总控按钮，收线龙门开始收缆，外置计米装置开始计米，当计米到达设定值，牵引自动停止（同时放线龙门抱闸关闭）。

（5）截断装置启动，夹紧机构将线缆夹住，触发夹紧压力信号，锯条电机启动，下压油缸动作，开始切割，触发切割到位信号，下压油缸抬起，切断完成。

（6）触发抬起到位信号，收线龙门自动停止，张力解除，截断装置夹紧机构松开，收线缆头固定，AGV小车将完成定长取缆的线缆盘移走。

（7）收線龙门换盘，重复步骤（4）～（6），以此循环。

（8）当线缆盘上的线缆不够用时，牵引反转，放线龙门主动收线，并将缆头固定好，上料小车将线缆盘移出放线龙门，AGV小车用完线缆盘取走。

其中与收放线对接的AGV小车本系统不提供，只与其对接信号。

系统运行流程图如图2所示。

2 定长取缆系统结构设计

2.1 放线龙门

放线龙门主要由排线机构、提升机构、夹紧机构和驱动机构构成，其结构如图3所示。

2.1.1 排线机构

放线龙门排线机构由排线轮、排线电机和减速机等相关零部件组成。排线轮安装于放线龙门机架的底部两侧位置，行走于地面预埋导轨上，两组排线轮之间以连杆直连，通过变频电机实现驱动。

排线轮驱动力FC大小计算公式如下所示：

式中： η为安全系数;f1为放线龙门排线轮与预埋导轨表面摩擦系数;m1为放线龙门质量;m2为线缆盘质量;g为重力加速度。

排线轮驱动力矩MC为：

式中： Fc为放线龙门排线轮驱动力;D为放线龙门排线轮直径。

根据以上计算结果，可确定相应的放线龙门排线机构驱动电机和减速机型号。从而，放线龙门排线速度Vc可由以下公式计算：

式中： D为放线龙门排线轮直径;n为放线龙门排线轮驱动电机转速;i为放线龙门排线机构减速机减速比。

2.1.2 驱动机构

放线龙门驱动机构由顶尖、制动盘、驱动电机和减速机等零部件构成。其中，顶尖为锥形结构，用于固定线缆盘，顶尖上有拨销，为驱动线缆盘提供驱动点;当放线龙门正常使用时，制动盘抱闸打开，进行放线;当定长取缆任务完成后，驱动电机反向转动，将放出的线缆收回;

驱动电机的扭矩T大小计算公式如下：

式中： n1为放线龙门驱动电机点动转速;m2为线缆盘质量;r为线缆盘半径;t为线缆盘转动加速时间。

驱动电机的功率大小计算公式如下：

式中： T为放线龙门驱动电机扭矩;n1为放线龙门驱动电机点动转速。

根据以上计算结果，可确定相应的放线龙门驱动机构电机和减速机型号。

2.1.3 升降机构

升降机构用于实现线缆盘的升降，便于线缆盘上下料和取缆，主要由丝杆、螺母座、滑块、升降电机和减速机等相关零件部件组成。

升降电机功率P1计算公式如下：

式中： Mt1为丝杆螺纹摩擦力矩;Mt2为丝杆螺纹轴向支撑面摩擦力矩;n1为升降电机转速。

丝杆螺纹中d2径计算公式如下：

式中： F为丝杆受到的轴向载荷;Pp为螺纹副许用压强;Ψ为螺母结构系数。

根据丝杆材料、许用应力及中径，可确定丝杆型号，需对丝杆的自锁性、强度及耐磨性进行验算。

丝杆螺纹升角λ计算公式如下：

式中： S为丝杆导程;d2为丝杆螺纹中径;当量摩擦角ρ'计算公式如下：

式中：f 为丝杆摩擦因数;α为丝杆螺纹公称接触角。

当量应力σca计算公式如下：

式中： F为丝杆受到的轴向载荷;Mt1为丝杆螺纹摩擦力矩;d3为丝杆螺纹小径。

工作压强p计算公式如下：

式中： F为丝杆受到的轴向载荷;d2为丝杆螺纹中径;H1为丝杆螺纹基本牙型高度;n0为丝杆螺纹旋合圈数。

2.1.4 夹紧机构

夹紧机构通过链传动和丝杆传动的方式实现线缆盘的夹紧和松开，主要由链轮、丝杆、滑块、夹紧电机和减速机等相关零件部件组成。

2.2 上料小车

上料小车在预埋导轨上来回动作，实现线缆盘的上下料。在原点位置，完成与AGV小车上线缆盘的对接，运至放线龙门正下方后，将线缆盘对接给龙门，最后返回至原点位置等待。

2.3 履带牵引

履带牵引为定长取缆提供牵引力，最大牵引力为3T，可正反向运转，实现取缆和收缆，带计米功能，计米精度为3‰，主要由导向机构、履带夹紧机构、牵引机构等零部件组成，其结构如图4所示。

2.4 对中装置

对中装置由固定底座和导向辊组组成，导向辊组的间距可调，可适应不同直径的线缆，同时保证了线缆进出履带牵引时是对中状态。

2.5 截断装置

截断装置为线缆达到设定长度时切断线缆，主要由夹紧机构、锯片、液压升降机构组成，其结构如图5所示。

2.6 收线龙门

收线龙门采用地轨式龙门结构，交流变频电机通过减速机实现力矩+速度收线动作，小线径采用速度控制，大线径采用力矩控制，主要由夹紧机构、升降机构、排线机构及驱动机构组成，其结构如图6所示。

3 定长取缆控制系统设计

随着信息技术的发展和我国国民经济信息化的推进，在自动化控制方面，以无线网络控制实现信息电子化交换和信息资源共享成为必要。本文基于无线触摸屏+PLC+逻辑电路的控制方式，设计研究了定长取缆自动控制系统，该系统由放线龙门控制系统、收线龙门控制系统、履带牵引控制系统和截断装置控制系统构成，包含有PLC控制模块、传感器模块、电机驱动模块、通信模块以及电磁模块，系统结构框图如图7所示。

（1）PLC控制模块：定长取缆自动控制系统均采用西门子1200系列1214CPU作为主控模块。该CPU编程方式便捷，具有可扩展性强、灵活度高等众多优点，可连接 8 个信号模块和3个通信模块。

（2）传感器模块：包括接近开关、行程开关及编码器。其中收线缆盘升降机构采用Autonics电感式接近开关，其型号为PR12-4DN，感应距离4mm，用于精准定位线缆盘升降位置;牵引出口处采用Autonics脉冲式1024p高精编码器，其型号为E50S8-1024-3-T-24，该传感器将旋转位移转化成数字脉冲信号，脉冲个数对应计轮子周长，实现高精度计米。

（3）电机驱动模块：定长取缆自动控制系统中均采用三相异步电动机配合丹弗斯变频器F302进行速度调节和力矩给定。收线龙门主轴变频器与PLC进行profinet通讯，根据当前的线速度，推算出收线卷径，实时给定收线张力，该通讯方式响应快，精度高。收线龙门排线变频控制，根据主轴收线的线速度耦合排线电机做跟随排线。不同的缆径大小，可在触摸屏上设定排线节距，同步改变跟随排线的速度比。

（4）通信模块：定长取缆自动控制系统采用的是TP-LINK无线路由器作为中间桥接，利用PLC -OPCUA协议与数据采集软件kepserver作信息交互，kepever生成的编译数据嵌入至APP底部，从而实现平板电脑App控制各个PLC单元。

（5）电磁模块：采用亚德客电磁阀控制该系统中所有气缸和油缸。

4 系统研制与实施

根据上述设计，研制了定长取缆系统样机，并将该样机部署于一个物资中心仓库，对系统的运行稳定性及定长取缆效果进行测试，测试现场如图8所示。

实施现场通过AGV将所需种类的线缆盘运至上料小车上，上料小车对接放线龙门，履带牵引将线缆头牵引至收线龙门，通过联动控制，实现设定长度线缆的切断，完成定长取缆，并通过AGV将缆盘取走。实施仓库按照如下条件进行测试：测试周期为3个月，每天至少完成50盘线缆的定长取缆工作，工作时间为早上8点至下午5点，共计8h。

实施结果表明，该定长取缆自动控制运行稳定，能够对满盘线缆进行设定长度的快速分盘，满足使用要求。

5 结论

针对线缆收缆生产效率和劳动强度问题，设计研究了一种定长取缆自动控制系统。通过具有升降、夹紧及驱动功能的放线龙门，系统实现了线缆盘的被动放线和主动回收;通过具有计米功能的履带牵引，实现了线缆的牵引和计米;通过截断装置和收线龙门，实现了线缆的设定长度切断和收线。经过系统样机实施测试，该系统运行可靠，生产效率高，可实现不同缆径、不同盘径的定长取缆。

参考文献

[1]陈庆贺.双向滚珠丝杠结构自动卷缆装置的设计[J].煤矿机电，2018（03）：16-18.

[2]贾鸿飞.煤矿井下工作面回收通讯电缆自动卷线装置的研发和推广[J].价值工程，2015，34（34）：133-134.

[3]张明威，钱晋武，章亚男，等.地下管线形状检测中的缆线收放新机构设计[J].机电工程，2006（06）：1-4.

[4]傅钟炜.双吊夹送料模式在全自动切管机中的应用[J].钢管，2020，49（06）：69-72.

[5]林基宏，张兴华.基于PLC的定长自动切割系统[J].内燃机与配件，2017（21）：103-104.

[6]许颖，付斌，曹祥林.基于PLC的定长切割设备控制系统[J].电工技术，2017（03）：55-57.

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[8]陈经艳.基于PLC和触摸屏的不锈钢管定长切割控制系统的研究与实现[J].数字技术与应用，2018，36（11）：26-27.

[9]王瑾烽.基于S7-1200的定长切割控制系统设计[J].集成电路应用，2020，37（04）：38-40.

[10]胡永安，陈彩凤，李宽阳，等.一种移液管在线定长切割方法研究[J]. 现代制造工程. 2017（08）：73-77.

[11]董洢安.基于單片机的自动缠线装置系统设计[J].科学技术创新，2020（34）：177-178.