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进口单扭成缆机控制系统改造
江苏亨通线缆科技有限公司沈建新
摘要
我们公司主要生产数据缆、铁路缆和程控缆。为了开拓高端产品市场，在2007年引进了一台法国高登的AST1000型单扭成缆机，该设备可以高效生产CAT6、CAT6A及更高端的产品，是当时世界上最先进的数据缆成缆工序生产设备，引进后作为公司生产高端数据缆的重要设备之一。随着数据缆产品的标准不断提升，工艺要求更加严格，该设备因为控制系统的影响，在近两年的产品生产过程中，暴露出来的产品问题越来越多，由于该设备整机机械部分为国外原装进口，材料强度、结构设计、装配精度等均非常适合数据缆高速生产使用，只需要对原有电控系统进行升级改造，提升控制精度，确保成缆节距和收线涨力的精确控制，保证产品各项指标测试合格并保留较大的裕度。
关键词：单扭成缆机；PLC；PID
引言
设备改造前的控制系统：法国高登AST1000型单扭成缆机采用西门子S7-300PLC配合proface人机界面控制，各部驱动采用英国欧陆690变频器控制，编码器速度反馈，自动化控制程度高，生产速度快，成缆节距稳定，操作方便等特点。使用旋转牵引跟随收线盘绞头通过电控系统实现同步，收线涨力通过安装在盘绞机构中的位移传感器，实时测量收线舞蹈轮的位移变化，通过集电环和碳刷将信号传送给PLC，实现收线涨力的PID控制。
1、改造原因
随着数据缆产品的标准不断提升，工艺要求更加严格，该设备因为控制系统的影响，在近两年的产品生产过程中，暴露出来的产品问题越来越多，具体有以下几个方面：1.1故障表现
（1）集电环传输位移传感器弱电信号导致收线涨力不稳定。
作为数据缆成缆机，整机控制最重要的就是盘绞头的旋转和收线盘的涨力控制，由于该设备收线涨力使用了位移传感器，并通过碳刷式集电环传送位移传感器的弱电信号，经常会出现因碳刷磨损产生的接触不良现象，导致收线涨力失控，影响成缆节距的精确度。甚至造成断线，使产品报废，产品合格率大大降低。
（2）旋转牵引机械结构复杂增加换盘操作的难度
该设备设计的旋转牵引机械结构复杂，内部牵引导轮和成组的过线导轮距离较近，操作空间狭小，使工人换盘时引线操作难度增加，换盘操作耗时费很长，一定程度上降低了产量，对生产操作工人的操作技能要求非常高。
（3）涨力大小控制困难
在生产不同规格产品时，要求收线和放线涨力不一样。放线涨力大小只需要在放线涨力杠杆上增加配重即可，但收线侧的涨力则需要更换涨力弹簧来改变涨力。需要根据不同的产品选择标有不同颜色来代表不同涨力大小的弹簧。一方面更换涨力弹簧操作需要专业设备维修人员完成，另一方面涨力弹簧长期使用疲劳变形后导致线缆收放线涨力变化而影响节距的稳定。
（4）进口设备全英文界面给操作人员带来不便
因为是进口设备，所以人机界面全部都是英文语言，操作人员需要全部掌握熟悉难度较大，熟悉设备人机界面需要较长时间，不利于该工序快速培训熟练的操作人员。遇到故障报警等情况，系统界面弹出的全是英文信息，对于维修人员也存在影响，使设备维修人员不能直观的识别故障和报警信息，造成设备故障修理难度增加。
1.2改造面临的问题
随着数据缆产品的标准不断提升，工艺要求更加严格，国内外领先的设备供应商已经在类似的成缆设备上进行了技术升级和机械结构改良，综合该设备存在的影响生产、操作和产品质量的几项主要问题的研究，我对该设备提出了改造设想，去除旋转牵引，优化升级设备整套电控系统。同时将设备人机界面中文化，提升设备稳定性、控制精度，也降低了人员操作和维修的难度。
在分析了该设备的全套电气图纸和设备资料后，考虑系统改造难度较大，我们将改造方案与高登公司相关技术人员进行交流，希望由高登公司来完成此次设备的升级改
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造，但法国高登否定了我们的方案，并明确旋转牵引不能去掉，也不愿意提供相关技术支持，原因有两个：
（1）收线是PID控制，必须使用盘绞收线内的位移传感器信号作为PID控制的反馈源信号。随着收线盘收线越来越多，盘径会越来越大，收线速度会变快，只有通过涨力反馈并配合PLC中的PID控制，才能让收线速度保持不变。
（2）PID工作时必须有一个积分的目标值，而该设备的线速度值由旋转牵引内部的光电编码器提供，并作为积分的目标值。如果去掉旋转牵引，实际的线速度值就不存在，PID积分就无法进行。
据于上述两个原因，法国高登认为我们的改造方案是无法实现的，也是不切实际的，即使完成了改造，也会对生产的产品质量造成影响，造成该设备无法用于高端数据缆的生产使用。
2、改造方案
综合法国高登公司提出意见，我们也参考了国内外同类高端数据缆的成缆设备结构和控制系统资料，考虑到该设备目前故障率不断提高以及给操作和维修造成的影响，我们最终还是决定对该设备进行必要的改造。针对法国高登提出的两项条件，经过细致的分析和模拟测试，我觉得可以通过以下方法实现改造。
2.1问题分析
（1）对于高登公司提出的PID积分的目标值问题，他们是将旋转牵引编码器取得的线速度作为收线涨力控制PID积分的目标值，我们完全可以将在触摸屏上设定的线速度给定值作为PID的积分目标值。因为设备的速度通过驱动器和电机的闭环控制，最终会和设定的速度值相同，且在运行过程中不会发生变化，影响收线涨力。
（2）对于收线盘径随着产品生产长度的增加而变大导致的速度变快问题，完全可以脱离收线涨力的位移信号，直接采用PLC的强大计算功能进行实时计算，还是使用编码器测量实际的线速度，将测定的线速度和设定的线速度值进行比较，再用偏差值去控制收线的速度，使收线的角速度变化从而实现整机线速度的稳定。
这样就可以拆除旋转牵引，脱开旋转牵引中的光电编码器和收线盘绞头中的位移传感器两个信号，收线盘绞头中的集电环造成的一系列影响就可以完全避免，设备其他的电路和机械不需要做任何变动，仍旧利用原设备的PLC和全部驱动器，只需要重新设