1、 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 兰州理工大学毕业设计 电缆行业悬垂控制器的设计 The Design of Pendency Controller in Cable Industry 邓钰 Deng Yu 11250108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
2、 ， 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
3、缆 ； 牵引张力 ； 电缆悬垂度 兰州理工大学毕业设计 ABSTRACT This 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-second
4、ary 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 an
5、d 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 conv
6、enient 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 measureme
7、nt control technique of pendency of cable. Keywords: XLpe; The Draught-Tension; Pendency of Cable 兰州理工大学毕业设计 目 录 第 1 章 绪论 .1 1.1 选题背景和技术说明 .1 1.2 现代电缆行业的介绍 .3 1.3 交联电缆生产技术现状综述 .4 1.4 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 .7 2.1 张力控制系统概述 .7 2.2 三种张力控制方案 .7 2.3 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 .11 3.1 悬
8、垂度测量的概述 .11 3.2 系统组成及测控原理 .11 3.3 系统硬件设计 .11 第 4 章 电路设计 .14 4.1 中心控制电路 .14 4.2 发射信号输出电路 .16 第 5 章 悬垂控制器参数说明 .17 5.1 基本参数说明 .17 5.2 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 1 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
9、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
10、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
11、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
12、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。 兰州理工大学毕业设计 2 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.F
13、CS 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
14、 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。
15、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
16、择价格相对低廉、性价比较好的 PLC 系统。 兰州理工大学毕业设计 3 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
17、 ， 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 19
18、49 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
19、 ， 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
20、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 ， 而且对电力的依兰州理工大学毕业设计 4 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 927kw h， 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 ，
21、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
22、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
23、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
24、 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 ， 在保兰州理工大学毕业设计 5 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
25、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
26、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
27、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
