CN116952440A - 碳纤维生产过程中张力在线检测及自动调节系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种碳纤维生产过程中张力在线检测及自动调节系统及方法，包括在线张力检测模块、张力数值显示模块、异常报警模块、集散控制系统和电机控制中心；在线张力检测模块用于实时检测运行丝束张力；张力数值显示模块用于显示张力检测数值；集散控制系统用于运行丝束张力检测数据分析，确定张力值调整范围，并发出调整指令到电机控制中心，检测数据异常时触发异常报警模块报警；电机控制中心用于通过张力值调整范围控制变频电机速度，进而调整牵伸辊转速。本发明可以精确控制生产产品所需张力值，降低运行丝束张力值离散系数，提高张力均衡性，消除手持式张力检测系统对纤维的损伤，排除人为因素造成的工艺偏差，提高张力的控制精准度。

Description

碳纤维生产过程中张力在线检测及自动调节系统及方法

技术领域

本发明涉及张力测量，具体涉及一种碳纤维生产过程中张力在线检测及自动调节系统及方法。

背景技术

在碳纤维生产过程中，其质量和性能由上百个工艺参数控制，其中纤维丝束张力直接影响着碳纤维的化学反应程度和结构变化，而碳纤维成型结构的好坏也表明了纤维存在的内外部缺陷，同时也反映了碳纤维表面质量和力学性能。目前，国内碳纤维生产过程中，采用手持式纤维张力检测仪进行检测，根据运行根数按比例抽检，后取所检平均张力来进行工艺评估，如有需要则进行相应工艺调整，这种方法不仅不能快速反映出生产线丝束张力数据，而且手持式张力仪的构造也会对所测纤维造成损伤，同时检测手法的不同也会在一定程度上导致所测纤维张力的差异。张力控制是由生产设备各驱动速度比控制，通过小范围调节变频电机转速来调节张力的大小，在张力控制精度上存在一定差异。因此，亟需一种可以在线检测张力，并根据实时张力数据来控制驱动牵伸的系统装置，以此提高张力的可控性、精确性和及时性，从而提高成品碳纤维的结构均质化，保证碳纤维生产及力学性能稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纤维生产过程中张力在线检测及自动调节系统及方法，可以实时监控张力数据，通过对比所采集的张力数据来平衡驱动牵伸，降低人为检测和主观调整带来的干扰，精准监控张力数据，最大程度减小张力参数变化对碳纤维成型结构和力学性能的影响，提升了生产碳纤维流程中自动化控制工艺参数的水平。

为达到上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种碳纤维生产过程中张力在线检测及自动调节系统，包括在线张力检测模块、张力数值显示模块、异常报警模块、集散控制系统和电机控制中心；

所述在线张力检测模块用于实时检测运行丝束张力；

所述张力数值显示模块用于显示运行丝束张力检测数值；

所述集散控制系统用于运行丝束张力检测数据分析，确定张力值调整范围，并发出调整指令到电机控制中心，运行丝束张力检测数据异常时触发异常报警模块；

所述异常报警模块用于对异常张力值进行报警；

所述电机控制中心用于通过张力值调整范围控制变频电机速度，进而调整牵伸辊转速；

在线张力检测模块的两侧安装有高值限位开关和低值限位开关，与集散控制系统、异常报警模块、电机控制中心形成连锁控制，当运行丝束张力异常时，高值限位开关或低值限位开关打开，集散控制系统连锁异常报警模块，并启动指令传输任务，发出调整指令到电机控制中心，控制变频电机速度。

进一步地，所述在线张力检测模块包括张力检测辊、弹性元件、运算放大器和A/D转换器，张力检测辊安装在两组牵伸辊之间，其与弹性元件相连，当丝束张力发生变化时，弹性元件发生位移变化连锁张力检测辊沿水平方向移动，将弹性元件作为可变电阻接入桥式电路的一分支电路中，将弹性元件的位移变化转换成电阻的变化，桥式电路与运算放大器连接获取弹性元件两端电压的电信号，将电信号输入到A/D转换器得到电压数字信号，电压数字信号输出至集散控制系统。

进一步地，所述集散控制系统用于运行丝束张力检测数据分析具体包括：根据输入的电压数字信号确定弹性元件的位移，根据位移确定且对应的张力值。

进一步地，所述弹性元件量程为40mm，位移x从初始位置开始每次增加1mm，张力在原有基础上增加1N，共采集40个数据点，张力调整范围0-40N。

进一步地，所述异常报警模块采用声光报警。

一种碳纤维生产过程中张力在线检测及自动调节方法，包括步骤：

在线张力检测模块获取运行丝束张力的测量值并传输至集散控制系统；

集散控制系统对于输入值进行分析确定张力值并传输至张力数值显示模块显示，当张力值超过允许的最高值时，高值限位开关被打开，连锁异常报警模块报警，发出调整指令到电机控制中心，驱动变频电机经变速使牵伸辊转速降低，张力随之减小，当张力达到最佳值时，变频电机保持当前速度运行，张力调节停止；反之当张力值低于允许的最低值时，低值限位开关被打开，启动信号发出调整指令到电机控制中心，驱动变频电机经变速使牵伸辊转速提高，张力随之增加，当张力达到最佳值时，变频电机保持当前速度运行，张力调节停止。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过在线张力检测模块实时检测运行丝束张力，通过集散控制系统准确分析判断测得的张力值归属相应的张力范围，通过所设定的张力值归属范围控制牵伸；当张力值异常时进行报警，在线张力检测模块的两侧安装有高值限位开关和低值限位开关，与集散控制系统、异常报警模块、电机控制中心形成连锁控制。本发明可以精确控制生产产品所需张力值，降低运行丝束张力值离散系数，提高张力均衡性，消除手持式张力检测系统对纤维的损伤，排除人为因素造成的工艺偏差，提高张力的控制精准度。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为本发明方法张力检测调整原理图。

图3为本发明电阻式位移传感器原理图。

图4为本发明张力显示桥式电路图。

图5为本发明连锁控制流程图。

具体实施方式

本发明为了能精确控制运行丝束张力，降低碳纤维生产过程中因张力不稳定、不均匀导致的碳纤维性能波动，提供了一种用于碳纤维生产时张力在线检测及自动调整装置，可以实时监控张力数据，通过对比所采集的张力数据来平衡驱动牵伸，降低人为检测和主观调整带来的干扰，精准监控张力数据，最大程度减小张力参数变化对碳纤维成型结构和力学性能的影响，提升了生产碳纤维流程中自动化控制工艺参数的水平，对监控碳纤维生产工艺有一定的贡献。下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图2，一种用于碳纤维生产过程中张力在线检测及自动调节系统，包括在线张力检测模块、张力数值显示模块、异常报警模块、集散控制系统和电机控制中心；

所述在线张力检测模块用于运行丝束张力实时检测；

所述张力数值显示模块用于运行丝束张力检测数值显示；

所述集散控制系统包括数据分析单元、调节单元，数据分析单元用于准确分析所测张力值归属设定张力范围，调节单元确定张力值调整范围，并发出调整指令到电机控制中心；

所述异常报警模块，用于对异常张力值进行报警；

所述电机控制中心用于通过张力值调整范围控制变频电机速度，进而调整牵伸辊转速。

在线张力检测模块的两侧安装有高值限位开关和低值限位开关，与集散控制系统、异常报警模块、电机控制中心形成连锁控制，当运行丝束张力异常时，高值限位开关或低值限位开关打开，集散控制系统连锁异常报警模块，并启动指令传输任务，发出调整指令到电机控制中心，控制变频电机速度。

(1)检测原理：在线张力检测模块主要由张力检测辊和弹性元件构成，如图1，纤维的张力变化是由两组牵伸辊转速比实现，弹性元件压力与其长度的变化成线性关系，当纤维的张力发生变化时，纤维向张力检测辊和弹性元件产生力，使弹性元件长度发生变化，通过电阻式位移传感器将此位移量转换成电阻δR的变化，转换原理如图3，设δR电阻体的长度为l，电阻值为R，两端所加电压为5V的U_i，则滑动端输出电压为x为位移量；将δR接入如图4所示的桥式电路图中，δR在弹性元件的变化下发生变化，使运算放大器的电压发生变化，将电信号输入到A/D转换器输出数字信号，数字信号至DCS，通过数据分析确定张力值，通过张力数值显示模块显示出张力的大小。

(2)张力自动调节系统及原理：如纤维张力过大，张力检测辊发生张力变化信号，计算机得到传达的信号后即控制变频电机转动，通过传动系统，使牵伸辊转速比调低。此时纤维弹力减小，张力检测辊在弹性元件的作用下向右移动，所测纤维丝束张力降低。反之，如纤维张力过小，张力检测辊发生张力变化信号，DCS计算得到信号后即控制变频电机转动，通过传动系统，使牵伸辊转速调高，此时弹力增大，张力检测辊在弹性元件的作用下向左移动，所测纤维丝束张力提高。

(3)数据异常报警模块在数据进行分析后，高于张力数据上限值进行高值报警，低于张力数据下限范围进行低值报警，并通过DCS(集散控制系统)显示输出当前报警类型，进行相应驱动牵伸辊速度调整。同时在现场安装声光报警装置与DCS报警同步运行，方便现场及控制人员一同处理。

(4)连锁控制：张力检测系统将所检测张力值传输至DCS，经DCS报警及张力调整的自动处理，控制变频电机频率的变化，最终控制牵伸辊转速。驱动牵伸辊由变频电机驱动，变频电机启动的信号由限位开关提供，张力可在一定的范围内波动，把两只限位开关装在张力检测辊两侧。流程图如图5，当张力检测值超过允许的最高值时，高值限位开关被打开，信号传输至Y2通道，DCS连锁报警，启动信号传到MCC，驱动变频电机经变速使驱动牵伸辊转速降低，张力随之减小，当张力达到最佳值时，变频电机保持当前速度运行，张力检测信号传输N通道，张力调节停止。反之，当张力低于允许的最低值时，低值限位开关被打开，信号传输至Y1通道，启动信号传到MCC，驱动变频电机经变速使驱动牵伸辊转速提高，张力随之增加，当张力达到最佳值时，变频电机保持当前速度运行，张力检测信号传输N通道，张力调节停止。

(5)数据分析单元主要由数据管理模块和数据分析模块构成，属于DCS：数据管理模块采集生产过程中检测及调整张力的数据；数据分析模块针对数据管理模块采集的数据进行分析，并发出指令到MCC对偏离设定张力范围值进行相应的调整。

系统中的数据管理模块进行调整过程中的数据采集，由在线张力检测模块中弹性元件的位移x和输出电压U₀的变化进行数据处理。此弹性元件量程为40mm，位移x从基础位置(弹簧初始状态)开始每次增加1mm，以1mm为范围值进行采集，每增加1mm，张力在原有基础上增加1N，共采集40个数据点，张力调整范围0-40N；输出电压U₀数据如表1所示。

由于生产过程中纤维张力的变化，电阻式位移传感器的位移随纤维张力改变而改变，进而改变电路中电压的大小，数据管理模块采集的数据由数据分析模块根据设定张力值给控制系统发送相应的指令进行调整。生产过程共有5组牵伸辊装置，各组牵伸辊设定张力、检测张力、控制系统调节张力和对应碳纤维性能如表2所示。

根据数据管理模块采集的张力数据，发送至数据分析模块，由数据分析模块对所测张力值进行分析并依据设定张力值范围判定，若出现偏离发送指令到连锁控制子系统进行相应的调整。

数据分析单元对连锁控制子系统发送指令，从而控制变频电机，实现牵伸驱动辊转速比调节，检测系统再次对纤维张力进行再检测再调整，直至纤维张力处于设定标准状态，从而实现碳纤维张力自动调节。

表1

表2

备注：碳纤维性能等级A＞B。

本发明提供了一种能实时检测碳纤维生产过程中的张力，并对所需张力值设置范围，进而通过电信号传导实现自动调整驱动牵伸的方法来对张力进行实时调节，从而降低因张力不稳定导致的成品碳纤维质量问题。

Claims (7)

1.一种碳纤维生产过程中张力在线检测及自动调节系统，其特征在于，包括在线张力检测模块、张力数值显示模块、异常报警模块、集散控制系统和电机控制中心；

所述在线张力检测模块用于实时检测运行丝束张力；

所述张力数值显示模块用于显示运行丝束张力检测数值；

所述集散控制系统用于运行丝束张力检测数据分析，确定张力值调整范围，并发出调整指令到电机控制中心，运行丝束张力检测数据异常时触发异常报警模块；

所述异常报警模块用于对异常张力值进行报警；

所述电机控制中心用于通过张力值调整范围控制变频电机速度，进而调整牵伸辊转速；

在线张力检测模块的两侧安装有高值限位开关和低值限位开关，与集散控制系统、异常报警模块、电机控制中心形成连锁控制，当运行丝束张力异常时，高值限位开关或低值限位开关打开，集散控制系统连锁异常报警模块，并启动指令传输任务，发出调整指令到电机控制中心，控制变频电机速度。

2.根据权利要求1所述的碳纤维生产过程中张力在线检测及自动调节系统，其特征在于，所述在线张力检测模块包括张力检测辊、弹性元件、运算放大器和A/D转换器，张力检测辊安装在两组牵伸辊之间，其与弹性元件相连，当丝束张力发生变化时，弹性元件发生位移变化连锁张力检测辊沿水平方向移动，将弹性元件作为可变电阻接入桥式电路的一分支电路中，将弹性元件的位移变化转换成电阻的变化，桥式电路与运算放大器连接获取弹性元件两端电压的电信号，将电信号输入到A/D转换器得到电压数字信号，电压数字信号输出至集散控制系统。

3.根据权利要求2所述的碳纤维生产过程中张力在线检测及自动调节系统，其特征在于，所述集散控制系统用于运行丝束张力检测数据分析具体包括：根据输入的电压数字信号确定弹性元件的位移，根据位移确定且对应的张力值。

4.根据权利要求2所述的碳纤维生产过程中张力在线检测及自动调节系统，其特征在于，所述弹性元件量程为40mm，位移x从初始位置开始每次增加1mm，张力在原有基础上增加1N，共采集40个数据点，张力调整范围0-40N。

5.根据权利要求2所述的碳纤维生产过程中张力在线检测及自动调节系统，其特征在于，所述电压数字信号与弹性元件的位移关系为：

6.根据权利要求1所述的碳纤维生产过程中张力在线检测及自动调节系统，其特征在于，所述异常报警模块采用声光报警。

7.一种碳纤维生产过程中张力在线检测及自动调节方法，其特征在于，包括步骤：

在线张力检测模块获取运行丝束张力的测量值并传输至集散控制系统；

集散控制系统对于输入值进行分析确定张力值并传输至张力数值显示模块显示，当张力值超过允许的最高值时，高值限位开关被打开，连锁异常报警模块报警，发出调整指令到电机控制中心，驱动变频电机经变速使牵伸辊转速降低，张力随之减小，当张力达到最佳值时，变频电机保持当前速度运行，张力调节停止；反之当张力值低于允许的最低值时，低值限位开关被打开，启动信号发出调整指令到电机控制中心，驱动变频电机经变速使牵伸辊转速提高，张力随之增加，当张力达到最佳值时，变频电机保持当前速度运行，张力调节停止。