基于PLC的玻纤纱检测系统

余华春 朱泽涛

杭州万向职业技术学院 浙江杭州 310023

摘要：为保障玻纤纱输送系统在生产工艺上高效运行，设计了一种基于PLC的玻纤纱在线监测系统。该系统可以实时的监测玻纤纱在生产过程中的断裂事故，并能进行同步分析和判断。

关键词：玻纤纱检测系统；信号；电磁感应；在线监测系统

一、引言

玻纤纱是一种性能优异的无机非金属材料，具有有机纤维所不具备的优良特性。但在玻纤纱的生产过程当中，纺织系统卡线问题一直是生产过程中的顽疾，增加了生产造成的浪费，提高了生产成本。

为保障玻纤纱输送系统在生产工艺上高效运行，我们设计了一种基于PLC的玻纤纱在线监测系统，用于解决由于玻纤纱纺织系统卡线问题。

二、结构组成

该系统分主机和子机，每个组合为1个主机和4个子机。

主机具有子机的所有功能，能单独进行检测。每个子机带单独监控开关，当没有玻纤纱通过时，可以单独关掉监控，此时不会影响主机的其他子机检测。主机不显示哪台子机停转，通过现场人工判断。

检测板持续检测转轮是否在保持转动，转轮以大约0.3m/s--0.8m/s的线速度转动。当转轮正常转动时，子机检测板指示灯熄灭，主机停止蜂鸣报警。当转轮停止转动时，子机检测板应亮灯指示，主机蜂鸣报警。转轮停转的检测时间应在3-4秒之间，即转轮停转后，应在3秒至4秒内给出报警信息。

主机报警音为单音的蜂鸣音。每次报警持续发出响声，或人为按键取消报警。指示灯为红光LED。各个检测板之间电源线级联。

子机没有单独的蜂鸣器，没有按键，有单独监控开关，有LED灯；主板有蜂鸣器和按键和LED指示灯，单独监控开关。外部供电通过主机板给子机供电。

供电电压为5V±5%,并保证总电流能满足级联的小板总功耗。

三、基于PLC的检测系统设计

当玻纤纱输送系统发生故障时，PLC接收到故障信号并进行同步的故障处理，同时通过PLC与主机上的组态系统连接，工作人员可在主机上监测到PLC信号，即输送系统的工作情况，并通过组态系统将工作人员的操作执行到输送系统上，实现玻纤纱输送工艺的故障监测和故障排除。

1．检测系统的工作流程

（1）输送系统启动后，选择工作模式，手动或者自动。两种模式都能够实现输送系统的启动或停止。

（2）选择自动模式后，PLC工作并采集传感器接受的信号。

（3）PLC对信号进行分析，判断是何种故障，并执行相应的操作，输送系统停止工作或者故障灯亮。

（4）判断出故障后，对故障处进行检修。若故障未检修完善，则重新进行故障检修；若故障已检修完善，则启动输送系统，同时进行采集信号的下一个循环。

2、检测系统实现的功能

（1）对故障进行反馈和调节。在整个输送系统在线监测系统中，PLC与EM235模拟量模块是连接系统硬件的枢纽装置，PLC通过Rs485接口与主机的RS232接口连接起来，负责输送系统故障信号的接收、执行和传送工作。运用PLC与EM235可分别进行输送系统数字量和模拟量信号的接收和输出工作，对故障进行反馈和调节。

（2）同步监测。为满足井下生产集成化和自动化的要求，该系统将玻纤纱表面的基本故障（撕裂、断裂）有机地结合在一起进行同步监测，可有效达到一机多测的目的。

（3）监测系统信号工作原理由磁铁发出的磁信号加载到玻纤纱输送装置上，滚轮反射该信号到信号处理系统（包括霍尔传感器等电流信号处理装置），信号处理系统进行整合后输出到PLC模拟量模块上，同时滚轮上的跑偏等开关装置输出数字量信号到PLC上，最后由PLC程序判断滚轮的工作情况并执行逆向指令给输送系统电动机。通过PLC与主机的信号互联，监控人员可以在计算机上实时观测到输送系统的运行情况并进行指令发布。

3、在线监测系统的设计

（1）硬件配置

系统硬件的连接顺序为：由玻纤纱输送装置经霍尔传感器（下面配置有防震橡胶，后面配置有3g左右永久磁铁）、电压信号隔离器、低通滤波器到电压变换器，再由采样保持元件、EM235、PLC（RS485接口）到计算机（RS232接口）。

（2）系统原理

滚轮的故障情况分为数字量信号监测与模拟量信号两种情况进行监测：其一为数字量信号监测。由滚轮上的撕裂开关提供数字量信号给PLC，再由PLC进行信号处理及反馈调节，该种监测过程简单，连接方便；其二为模拟量信号监测。该种监测基于电磁感应原理，针对玻纤纱的断裂故障模拟量信号，通过霍尔传感器将模拟量信号输入到模拟量模块EM235上，再通过模数转换进行信号处理。这两种监测方法所得到的信号都统一在PLC和组态系统中进行整合，以实时监测输送系统的工作情况。

1）电磁感应原理。将霍尔传感器放置在输送系统的上滑轮处，在传感器后面放置一块可提供3g以上的磁铁。这样，磁铁在铁芯中产生磁场，铁芯、空气隙（包括玻纤纱层）和玻纤纱中的绳芯形成一个磁路，传感器内磁敏元件的磁通大小与上述三者的磁阻有关。当被测玻纤纱断裂时，玻纤纱绳芯相对截面减小，磁阻变大，通过磁敏元件的磁通量也就随之变小，与之相应的输出电压值U也变小，电压与电流转换后，电流I也随之变小。公式为：

（式中：N为磁动势；Ф为磁通量；L为绳芯长度；s为绳芯截面积， 这样通过检测模拟量电流/值变化大小，可以对玻纤纱中的绳芯的撕裂等情况进行无损在线监测。

2）故障判断原理。EM235只能接收标准电流信号，一般为4~20 mA。由电磁感应原理得到的电流I通过信号处理装置经过滤波、隔离、比例放大后转换成介于4~20 mA之间的标准电流值输入到EM235再进行故障判断。采取电流值对比方法判断玻纤纱输送系统发生何种故障，所要检测的故障量断裂情况是按照顺序发生的，一般情况下玻纤纱发生撕裂，然后才是断裂，故电流信号是按照上述顺序依次减小。按照以往的经验，假设玻纤纱系统正常工作时输入到模拟里模块中的电流是16 mA，这样设当PLC检测到得电流信号是12~16 mA时，玻纤纱发生断裂故障。这样故障可以根据PLC检测到的电流信号反应出来，就完成了输送系统工作情况的监测。

3）模数转换原理。由于PLC内部编程时只能针对数字量进行编程，而输入到EM235的电流值（例如14 mA）是模拟量，为了使编程能够顺利进行，要将模拟量转换成能够编程的对应数字量，再通过比较才能得到开关量1或0，用开关量执行信号对系统电路进行控制。模数转换过程：设模拟量为A，范围即为Ao~Am，实时模拟量量为X；标准数字量是Bo~Bm，实时数字量为Y；A/D转换数值为Co~Cm，实时数值为Z。如此，Bo对应于Ao，Bm对应于Am，Y对应于X，及Y=f（X）。由于是线性关系，得出方程式为Y=（Bm-Bo）x（X-Ao）/（Am-Ao）+Bo。又由于是线性关系，经过A/D转换后的数学方程Z=f（X）可以表示为Z=（Cm-Co）x（X-Ao）/（Am-Ao）+Co。那么就很容易得出逆变换的方程：X=（Am-Ao）x（Z-Co）/（Cm-Co）+Ao。方程中计算出来的X是模数转换完成后的数字量信息，这样便可以进行编程。

（3）系统控制过程

整个控制电路由PLC、电动机、继电器、开关和故障灯组成。PLC接收模拟量电流后通过编程转换为开关量，将PLC的输出接口接入控制电路中，通过开关量来控制线路中电磁开关的开与关，从而控制继电器和电动机的开与关。当PLC接收撕裂或断裂信号时，对应的输出接口用开关量信号控制相对应的继电器KA状态变化，从而继电器KM状态发生变化，最后电动机的开关KM断开，输送系统停止。当PLC接收模数转换后的抽动、脱胶或锈蚀信号时，由于此种情况的严重性不足以使输送系统停止，故障灯亮即可。

4．组态系统

选择组态王软件作为输送系统在线监测系统的组态软件。软件界面配置有滚轮、输送系统、故障开关、传感器、PLC、控制按钮、蜂鸣报警器、信号灯和数据调用系统，监控人员可以通过组态系统的主界面实现对输送系统运行情况的曲线和数据的调用，同时又能对输送系统进行自动和手动的控制。该系统与PLC兼容性好，编程简单，能够实现自动化监测。

四、小结

相对于传统的监控器机构而言存在如下特点:

（1）监控同时监测纺织机多个出线口出现故障，提供精确断线位置，并第一时间可以修复断线情况，避免人工的反复巡查，减少人工成本。

（2）根据plc数据传输技术可以调节监控器所监控设备的输出速度，使数据更加精确。

（3）该监控器可满足不同材料的要求

（4）霍尔感应技术滑轮监测纺织线的走动状况，采用蜂鸣器报警及提示灯光显示来提示，比传统的监控器具有寿命长，更加环保，维修方便等优点。监控器也具有结构简单，使用方便，精确度高等特点。

参考文献

[1]杜晓明，陈岩.无线传感器网络研究现状及应用[J].北京工商大学学报（自然科学版），2015，26（1）：41-43.

[2]孙亭，杨永田，李立宏.无线传感器网络技术发展现状[D],电子技术应用,2021-05-17.

[3]无线传感器网络及应用[EB/OL].2018-12-13.