光纖預(yù)制棒接管的自動(dòng)控制研究

邵金濤 王新箭 滿小忠 沈國(guó)鋒 程 遙

(江蘇通鼎光棒技術(shù)有限公司，江蘇吳江215233)

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和生產(chǎn)力的不斷提高，國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)信息技術(shù)的依賴也在不斷地加強(qiáng)。其中，信息的大規(guī)模傳輸離不開光纖。光纖以其傳輸速度快、損耗低、重量輕、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，不但成為信息技術(shù)的有效運(yùn)輸載體，而且也在傳感器領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。因此，國(guó)內(nèi)的光纖市場(chǎng)出現(xiàn)了供不應(yīng)求的現(xiàn)象。

近幾年，國(guó)內(nèi)的許多光纜公司開始自行拉絲生產(chǎn)光纖，所用的光纖預(yù)制棒均由國(guó)外公司進(jìn)口，其價(jià)格非常昂貴，這就需要在拉絲生產(chǎn)過(guò)程中最大限度地使用好預(yù)制棒。為了使預(yù)制棒在生產(chǎn)過(guò)程中提高使用率、保持拉絲過(guò)程的穩(wěn)定性，需要對(duì)預(yù)制棒的端面對(duì)接延長(zhǎng)尾管，便于機(jī)械裝夾。同時(shí)，為了保持棒面的潔凈度、減小預(yù)制棒的直徑偏差，需要對(duì)棒體進(jìn)行火焰拋光，使外表清潔、直徑均勻。而以上兩步對(duì)火焰溫度的穩(wěn)定性要求很高，溫度過(guò)高會(huì)降低光纖成品的輸出功率，光纖傳輸?shù)脑肼晻?huì)增大，所以需要對(duì)火焰工作溫度和噴燈移動(dòng)的速度進(jìn)行精確控制。為了使溫度能夠在設(shè)定點(diǎn)±50℃內(nèi)變化，需要擯棄先前采用手動(dòng)控溫的方式，引入PLC和觸摸屏控制技術(shù)，保證工作的穩(wěn)定性和預(yù)制棒處理的質(zhì)量［1］。

1 預(yù)制棒接管系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

光纖拉絲生產(chǎn)過(guò)程如圖1所示。接好尾管的預(yù)制棒處于光纖生產(chǎn)過(guò)程的最高層，在拉絲過(guò)程中的垂直部分均要保持光纖同軸。因此，預(yù)制棒的預(yù)處理需要滿足兩個(gè)要求:(1)延長(zhǎng)尾管需要和光棒同軸;(2)光棒的直徑要均勻。為實(shí)現(xiàn)以上要求，本文提出一種預(yù)制棒接管裝置。該裝置由高精度玻璃旋轉(zhuǎn)車床、可控比例氫氧混合燃燒器、自動(dòng)控制系統(tǒng)、專用氣動(dòng)預(yù)制棒裝卸臂和安全防護(hù)隔熱罩組成。該裝置通過(guò)氫氧火焰使光纖預(yù)制棒和延長(zhǎng)尾管的端面融化，并牢牢融合在一起，產(chǎn)生的水蒸氣通過(guò)風(fēng)機(jī)排出;同時(shí)通過(guò)控制伺服電動(dòng)機(jī)的移動(dòng)速度對(duì)預(yù)制棒表面進(jìn)行火焰拋光，使直徑均勻，為光纖拉絲提供良好的質(zhì)量保證。

1.1 系統(tǒng)功能

預(yù)制棒接管系統(tǒng)主要包括主軸控制、拖板伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制和氫氧焰溫度控制，實(shí)現(xiàn)以下基本功能:

(1)氫氧焰溫度控制功能 該功能主要是通過(guò)PLC控制氫氣和氧氣各自的質(zhì)量流量計(jì)(MFC)的流量，從而實(shí)現(xiàn)火焰溫度的穩(wěn)定性。氫氣和氧氣的理論混合比為2∶1，為了保證氫氣的充分燃燒，可以適量增加氧氣的供給。在系統(tǒng)工作初期，PLC控制H2/O2流量為300/0(L/min);系統(tǒng)點(diǎn)火后，H2/O2的流量控制在900/500(L/min)，火焰溫度控制在2 600℃。

(2)手自動(dòng)切換功能 在系統(tǒng)正常工作時(shí)采用自動(dòng)模式，當(dāng)需要進(jìn)行設(shè)備維護(hù)和檢修時(shí)采用手動(dòng)模式。

(3)實(shí)時(shí)報(bào)警和歷史記錄功能 系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，PLC會(huì)將故障點(diǎn)的報(bào)警信息反饋給觸摸屏。主軸電動(dòng)機(jī)、拖板電動(dòng)機(jī)、氫氣和水壓4個(gè)部分的任何一處發(fā)生異常，觸摸屏與之相應(yīng)的報(bào)警顯示及控制柜聲光報(bào)警燈就會(huì)動(dòng)作。提醒操作人員及時(shí)切斷生產(chǎn)，進(jìn)行設(shè)備的維修。

(4)綜合急停功能 控制柜和觸摸屏上均配有綜合急停復(fù)位按鈕，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異?；蛘咴O(shè)備掉電后，按下該按鈕可以使系統(tǒng)初始化。

1.2 控制系統(tǒng)的組成

預(yù)制棒接管系統(tǒng)中，決定溫度控制(即兩種氣體的流量控制)和電動(dòng)機(jī)速度控制的主要部件為可編程邏輯控制器(PLC)和人機(jī)交互界面(HMI)。本設(shè)備的PLC選用三菱公司的FX2N系列，該控制器開發(fā)簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉，同時(shí)其擴(kuò)展模塊FX2N－4AD和FX2N－1PG可穩(wěn)定地接收溫度傳感信號(hào)，發(fā)出指令脈沖;HMI采用深圳威綸通公司的MT6100iv觸摸屏設(shè)計(jì)開發(fā)，其用戶界面友好、操作穩(wěn)定。以控制器和觸摸屏為主要部件的預(yù)制棒接管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，箭頭方向表示控制的順序流程方向。

系統(tǒng)包括輸入、程序控制運(yùn)算和控制信號(hào)輸出3個(gè)部分。輸入部分包括MFC工作時(shí)的瞬時(shí)流量信號(hào)反饋、觸摸屏界面操作按鈕的輸入和各部分報(bào)警信號(hào)的回饋;程序控制運(yùn)算部分是通過(guò)梯形圖程序完成信號(hào)的讀取、處理和控制動(dòng)作的輸出;信號(hào)輸出部分包括報(bào)警顯示和記錄、速度信號(hào)和流量信號(hào)的控制等。

為了控制氫氧焰混合氣體的供給量，需要提供氫氧焰溫度來(lái)對(duì)比溫度和流量之間的比例關(guān)系。本系統(tǒng)在設(shè)備二期改造過(guò)程中加入CCD成像技術(shù)來(lái)獲取火焰中心溫度信息。具體的檢測(cè)過(guò)程是將CCD視頻信號(hào)通過(guò)圖像卡量化處理送入計(jì)算機(jī)，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理，最后將火焰溫度分布情況顯示出來(lái)。CCD溫度檢測(cè)的加入，不但可以精確完成接棒工作，同時(shí)也解決了一期生產(chǎn)中出現(xiàn)的火焰溫度不穩(wěn)定，造成預(yù)制棒爆裂的問(wèn)題。

2 預(yù)制棒接管系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 PLC基本功能程序設(shè)計(jì)

預(yù)制棒接管控制系統(tǒng)的PLC控制過(guò)程采用順序控制，在設(shè)備上電后首先進(jìn)行PLC參數(shù)(速度運(yùn)算寄存器、定時(shí)器、中間繼電器等)的初始化;第二步是在人機(jī)界面中對(duì)主軸電動(dòng)機(jī)和拖板伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度設(shè)定，將設(shè)定好的速度送入PLC進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并將信號(hào)輸出給伺服電動(dòng)機(jī);第三步是將工作過(guò)程中兩次不同的氫、氧氣體流量按時(shí)間順序輸送給MFC;最后是通過(guò)CCD比較實(shí)際溫度和設(shè)定溫度的差別，通過(guò)PID算法調(diào)整混合氣體的整體流量［2］。控制功能流程圖如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)主要部分的程序設(shè)計(jì)細(xì)則

2.2.1 氫氧焰工作溫度的PID控制程序設(shè)計(jì)

玻璃車床設(shè)備的三菱FX2N系列控制器采用FX2N－4AD特殊功能模塊，將通過(guò)CCD采集得到的火焰被測(cè)溫度和所期望的給定值作比較，得到的偏差值進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出的控制信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)MFC，控制氣體流量，使實(shí)際溫度接近期望溫度，達(dá)到自動(dòng)控制的恒定效果［3－4］。PLC首先對(duì)目標(biāo)值和PID控制的主要參數(shù)進(jìn)行上電后一次性賦值，為后續(xù)的自動(dòng)調(diào)諧控制和PID控制做好準(zhǔn)備。賦值程序如圖4所示。

FX2N－4AD特殊功能模塊具有4路模擬量通道，本設(shè)備采用通道2作為溫度傳感器的輸入口。對(duì)模塊的模式設(shè)定和溫度數(shù)據(jù)的讀取程序如圖5所示。

2.2.2 預(yù)制棒表面拋光設(shè)計(jì)

對(duì)清洗、預(yù)熱后的預(yù)制棒進(jìn)行表面拋光主要是在玻璃車床上完成的，氫氧焰的溫度需達(dá)到預(yù)制棒表面的熔化溫度以上，預(yù)制棒的本體溫度不可超過(guò)軟化溫度，因此對(duì)氫氧焰的溫度和移動(dòng)速度都有較高的要求，需要根據(jù)預(yù)制棒的具體情況調(diào)整火焰溫度范圍和移動(dòng)速度。本設(shè)備采用三菱FX2N－1PG定位模塊和松下伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制，從而達(dá)到火焰移動(dòng)速度的調(diào)節(jié)。根據(jù)工藝要求，首先對(duì)驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，在歐姆龍∑－Ⅱ型驅(qū)動(dòng)器中設(shè)定控制模式為位置控制，電子齒輪比Pn202=2 048×4，Pn203=360;然后通過(guò)PLC編程，對(duì)FX2N－1PG的參數(shù)進(jìn)行PLC上電工作一次性設(shè)定［5］。具體的設(shè)定步驟如圖6所示。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)了將可編程邏輯控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器技術(shù)應(yīng)用于光纖預(yù)制棒接棒處理的玻璃車床設(shè)備中，不僅可完成對(duì)氫氧焰溫度的PID控制和噴燈速度的控制，且大大提高了整個(gè)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)將威綸通觸摸屏引入設(shè)備的工作中，可以為操作人員提供一個(gè)方便快捷的可操作人機(jī)交互界面。玻璃車床設(shè)備設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、通訊可靠、維護(hù)方便，大大減少了設(shè)備的內(nèi)外部接線，并可以通過(guò)改變程序來(lái)改變生產(chǎn)工藝和控制流程。

［1］沈小平，滿小忠，王檣.光纖預(yù)制棒接管裝置［P］.中國(guó):201020696195:2011－08－17.

［2］陶永華，尹怡欣，葛蘆生.新型PID控制［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［3］陳遠(yuǎn)琪，李勝勇，趙堂忠，等.FX2N可編程控制器溫度檢測(cè)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2005(15).

［4］宋伯生.PLC編程及實(shí)用指南［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［5］李宏勝.數(shù)控機(jī)床用伺服系統(tǒng)性能測(cè)試裝置的研究［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2001(8).