钢丝绳捻股断丝保护仪
本实用新型涉及一种钢丝绳捻股断丝保护仪，用于钢丝绳捻股机上，以便及时可靠地发现断丝、逃头。
钢丝绳捻股机是钢丝绳生产的重要设备。其主要功能是将钢丝捻成股。钢丝的股由面丝捻在中心丝上组成。捻股是钢丝绳生产的重要环节，在实际应用中不可避免地遇到缺丝保护的问题。有的企业采用在面丝出口处套一个相对于钢丝带直流电位的金属圆环，当断丝打在圆环上时停车报警。这种方法不可靠，且不能检测中心丝，今已废弃不用。目前一些企业均采用人工看护方法，这样每人只能看2-4台捻股机。由于工人的疏忽，极易造成缺丝不停车的问题，从而影响生产效率和产品质量。
本实用新型的目的在于提供一种钢丝绳捻股断丝保护仪，以及时可靠地发现断丝、逃头，提高自动化程度，减轻工人的劳动强度，提高看台率，减少废次品。
本实用新型的目的是这样实现的：一种钢丝绳捻股断丝保护仪，它包括面丝信号传感器、中心丝信号传感、原点信号传感器、各自信号处理器、单片机和输出报警器，所述的面丝信号传感器置于钢丝合拢点前；中心丝信号传感器置于中心丝进车身的部位；原点信号传感器置于车身尾部一侧，它采用三个传感器分别获取面丝信号、捻股机原点信号(即捻股机每转一周就发出一个脉冲信号)及中心丝的检测，经信号处理器和单片机判断相邻两个原点信号之间的钢丝信号个数是否与丝数预置值相一致，若一致则表明正常，否则认为缺丝并通过输出报警器报警。
与现有技术相比，本实用新型能及时可靠地发现断丝、逃头，并自动停车报警。可大大提高生产效率、产品质量及生产自动化程度。同时性能稳定，工作可靠。可达到如下指标：
1、可检测捻股机的最高转速达到3000转/分；
2、检测钢丝的有效直径≥0.1mm；
3、检测钢丝根数为1-99根；
4、软件具有抗干扰及容错功能。
本保护仪的钢丝传感器为自己研制。具有检测面小、检测速率高、可靠性高的特点。其具体指标体现为：
用Φ0.04mm的细钢丝，在离开传感器20mm处快速滑过时，传感器能够得到信号。采用这种传感器，可方便地调节传感器与钢丝之间的距离，以利于安装调试，同时可克服捻股时因钢丝张力不均带来误动作的现象。
图1为本实用新型的安装示意图。
图2为本实用新型的原理框图。
图3为红外线反射式光电传感器电路原理框图。
图4为光电传感器电路框图。
下面结合附图对本实用新型作一详细描述：
如图1，一种钢丝绳捻股断丝保护仪。它主要有面丝信号传感器9、中心丝信号传感器6、原点信号传感器8、面丝信号处理器12、中心丝信号处理器13、原点信号处理器11、单片机9、钢丝数设定电路10、系统监视电路8和输出报警器14等部件组成。
一、捻股机缺丝保护仪的组成和原理。
由于缠绕面丝1的工字轮位于高速旋转的筒体内，对面丝根数的测量无法直接进行，这也是测量的难点所在。根据多次反复实验和调查，面丝信号传感器7、中心丝信号传感器4及原点信号传感器5的安装位置如图1所示较合理。即面丝信号传感器7置于钢丝合拢点前，传感器的中心线垂直于钢丝面丝线，调节距离约为15～20mm。中心丝信号传感器4置于中心丝进车身的部位，探头离中心丝约为15mm。原点信号传感器5置于车身2尾部一侧，传感器探头离筒体约2mm。在使用捻股缺丝保护仪之前，先将捻股机的丝数通过面板上的拔码开关预置好。保护仪采用两个传感器分别获取面丝信号和捻股机原点信号(即捻股机每转一周就发出一个脉冲信号)，通信号处理器和单片机判断相邻两个原点信号之间的钢丝信号个数是否与丝数预置值相一致，若一致则表明正常，否则认为缺丝。为保证工作的可靠性，采用了多圈判断的方式，即仅当连续在固定的圈数(经验采用6圈)范围内均出现缺丝标志时方才报警、停车、其电路原理框图见图2。二、相关信号的获取和传感器的安装。
1、原点信号的获取
原点信号传感器5选用霍尔接近开关，将磁钢6镶在捻股机的车身2上，霍尔接近开关的安装见图1。
2、面丝可靠的钢丝传感器7的选择是解决问题的关键，也是一个难点。根据现埸实际情况，为确保检测仪工作的可靠，该传感器应具备如下性能：
a、对灯光(如白炽灯、日光灯等)、阳光电焊弧光等不敏感；
b、测量距离至少应大于1cm，否则容易刮断高速旋转且振动剧烈的钢丝；
c、体积小，应能有效测量排列紧密的钢丝；
d、能有效测量直径为0.1mm的钢丝；
e、响应时间快，至少应能满足300r/min的转速下测量36根钢丝的需要；
f、抗电磁干扰能力强；
g、价格便宜，容易安装。
解决好这些问题是保护仪在复杂恶劣的工业现埸中能否实用和可靠工作的关键。
由于钢丝排列紧密，线速度很高，电磁式接近开关的灵敏度、体积及响应时间很难满足要求，且价格昂贵；光电传感器是一种比较理想的选择，但是对光的干扰问题需要彻底解决。
我们选用了红外线反射式光电传感器，其电路原理框图如图3所示。
图3电路中，R1和R2的选取直接关系到工频光源的抑制问题。R1限制流入发射二极管的电流，当R1减小时(在光电传感器发射极允许通过最大电流的范围之内)，传感器的发射功率提高，这将有助于提高传感器的灵敏度。随着R2阻值的增加，输出信号的幅值也将增大，从而传感器的灵敏度随之提高。但是传感器的灵敏度与抗干扰性之间存在矛盾，图3中R1、R2的选值要根据不同的传感器和具体情况经过实验得出，以保证能有效抑制工频日光灯和一般杂散光的干扰。当有1cm的钢丝通过时，后级比较器能够输出可靠的低电平脉冲信号。另外由于传感器输出信号的能量与钢丝的粗细、速度及钢丝距传感器的远近也有很大关系；钢丝越细，运动速度越快，距传感器的距离越远，输出的信号越弱。因而交流放大器的放大倍数较高，这时需要对放大器的信号输入端进行良好的屏蔽。
3、中心丝检测
一般捻股机中心丝工字轮是最靠近收线机(即出股处)的工字轮，位于旋转的筒体内，且出丝位于中心，故用检测面丝的方法无法直接检测到。我们将中心丝的工字轮移至最后(图1)，使其不在旋转的筒体内，采用光电传感器如图4的方式进行调制(调制频率为7KHZ)。当有钢丝接近时，锁相环将输出低电平信号，该信号与面丝断丝检测输出信号一同控制继电器的动作。
适当增大R1’阻值，减小通过发射二极管的电流，可以提高调制频率，使该频率远离周围如阳光、日光灯、白炽灯及电网等干扰源的频率，从而有效地消除了来自外界环境的干扰；增大R2’阻值，则提高了传感器的灵敏度，使得检测距离较远，测量锥度范围较大，适合于中心丝的检测。大量实验结果表明：该传感器至少可在5cm以内有效地检测到中心丝是否存在。
三、恶劣工业环境中抗干扰问题的解决
在现埸调试中，我们发现钢丝绳捻股断丝保护仪存在如下问题：
1、电网干扰严重，尤其在捻股机启停时电压波动较大，高频干扰极为强烈，电网电流波形畸变率较大，容易造成直流稳压电源的尖峰干扰，从而使得单片机系统误动作或程序跑飞。
2、捻股机频繁启停时，继电器吸合时产生电火花的干扰，尤其在潮湿的环境下干扰更为强烈。
针对上述问题，我们对电源、接地、信号输入和输出及软件抗干扰方面采取了如下对策：
A、电源问题的解决：保护仪供电电源采用开关电源，并在交流电网输入端增加了EMI滤波装置；电源的高频部分采用单点接地，并将电源的高频电路部分远离单片机测量系统，以避免高频辐射对单片机的影响。
B、系统接地、屏蔽问题：系统良好的接地能大大增强系统工作的可行性，注意测量系统的地线分布，减小地线回路的干扰，将保护仪用金属外壳屏蔽，并将其接大地，有效地防止地线回路电流和静电的干扰。
C、信号通道的屏蔽和电气隔离：由于钢丝和原点的连线较长，需要用屏蔽电缆线，并将屏蔽层接地；为进一步减少外界对单片机系统的影响，需将单片机系统浮置，输入信号和单片机之间加光耦隔离；单片机控制继电器的管脚与继电器之间也加光耦隔离，或选用固态继电器。
D、为防止程序跑飞后能可靠地复位，加入了硬件“看门狗”电路；软件中加入抗干扰功能(如在程序存储器的空白区域加入“NOP，NOP，LJMP，0000H”程序跑飞软件自动复位语句等)。
该实用新型在现埸经受住了长期考验，性能稳定，工作可靠，对0.1mm钢丝的有效检测距离为1.5cm以上，最大检测丝数可达99根，并且在3000r/min转速、18根丝的捻股机上已通过生产考验。
