計算機監控系統在制備絲裝置中的應用

陳楚楠 胡連旭

摘要：實驗證實：拉絲溫度、拉絲張力、預制棒下降速度（棒速）和制備絲的走速（簡稱絲速）是影響拉絲質量的四大關鍵因素。為了提高成絲品質，就必須控制好以上關鍵參數?；诖四康?，我們應用光電等較先進的檢測技術手段，全面引進計算機監控系統，取得了較好的控制效果。

關鍵詞：制備絲（玻璃絲） （拉絲）溫度 （拉絲）張力 棒速 絲速 品質參數（制備絲的參數指標） 關系包 計算機監控

The Application of the Computer Control in the Device of Producing Fiberglass

（Xian Towin Communication Technologies Co.，Ltd CHEN Chunan HU Lian-xu ）

Abstract： It was confirmed by tests that there were four pivotal factors including the temperature， the tension， the prepared-bar speed and the fiberglass velocity which influenced the quality of producing fiberglass. In order to improve the quality of the fiberglass，we must control them well. Basing on the purpose we applied the advanced optical & electrics techniques and the system of the computer controlling from aspects. Then we obtained a satisfactory effect.

Keywords： fiberglass； temperature； tension； prepared-bar-speed； fiberglass velocity

Quality-parameter； relation-system； computer control

1. 前言

制備絲裝置是將直徑為φ15-40mm的玻璃預制棒拉成直徑為φ1.0-2.0mm玻璃絲的成套設備。其主要包括加熱爐系統（控制參數體現為溫度）、預制棒下降系統、絲速控制系統和集絲裝置。

裝置設計完成初期：我們通過結合玻璃的熱力學特性和設備各環節工作特點對大量實驗數據的采集和分析后發現：玻璃軟化溫度、玻璃的表面張力、系統控制速度（包括棒速、絲速和其之間的紐帶--合理的傳動比的控制）對玻璃絲的成型產生非常大的影響。其主要原因如下：首先在玻璃成型過程中黏度往往是最關鍵的控制參數 ，而影響玻璃黏度的主要因素是玻璃的結構成分和溫度，因此在玻璃材質和成型工藝一定的情況下，體現黏度的主要因素就是溫度。其次玻璃的張力也是一個很重要的控制指標，因為玻璃的表面張力的作用就是在玻璃的成型中獲得期望的圓柱度（或圓柱形），第三合理系統控制速度（確定合適的傳動比）是設計整套裝置的機械理論基礎，其是設備硬件聯系的核心，由棒速和絲速決定的，其控制的準確性和傳動系統的平穩性直接影響絲品質的一致性。同時系統速度對玻璃在溫度場中的軟化成錐等動態過程中連續變化影響很大，而玻璃的黏度是隨著溫度的變化而連續變化的，因此系統速度對制備絲絲徑和玻璃的黏度的影響不容忽視。

在明確了對制備絲品質參數（制備絲的參數指標：絲徑、橢圓度、直線度和同軸度）影響的關鍵因素之后，我們必須建立其合理的動態平衡狀態---綜合控制體系，即通過有效的檢測手段和自動控制體系，采集分析數據，建立起它們的關系包（或相應的數學模型，見圖1），這樣才能為計算機自動檢測和自動控制提供有效理想的控制參數指標。

圖1 參數關系包示意圖

2. 控制方案確立：

控制總原則：集中采集，分散控制。

2.1 方案目的：

通過檢測儀器動態測量，工控計算機記錄采集數據，匯入計算機中心進行數據處理分析，再經過工程師組的糾偏確認后，將控制信息反饋給工控機組對各參數分別進行實時控制。

2.2 方案結構圖（見圖2）

圖2 計算機監控系統方案圖

2.3 方案說明：

依據控制參數關系包和生產需求，本控制系統共分5個組成部分：

2.3.1 絲徑的測量與控制（控制的核心參數，即品質參數）

測量項目：絲徑、橢圓度和絲徑的一致性

測量精度：±0.001mm

控制要求：動態測量數據真實可信。

數據驗證：間隔一定時段，人工用同精度的千分尺隨機校驗。

2.3.2 速度的測量與控制

其包括三部分：

a）.棒速的測量與控制；

b）.絲速的測量與控制；

c）.設備傳動系統總傳動比的控制（依據等質原理，建立設備理想狀態下的棒速和絲速的關系）。

2.3.3 溫度的測量與控制

溫度的測量和控制通過PID溫度調節控制器進行的，在其輸出終端有計算機接口。

2.3.4 張力的測量與控制

目前通過間接方式進行測量。其在一個動態平衡中應是一個恒定的數值。我們通過建立玻璃軟化質量遞減過程的數學模型，計算出張力的大小，然后通過其他參數的變動來控制。

2.3.5 斷絲集絲裝置的控制

其是制備絲裝置中一個不可缺少的控制環節，盡管對絲的品質沒有任何影響，但其保證制備絲的優選收集和合理絲長的切割。

3. 方案實施（應用）：

3.1 三向絲徑動態測量

3.1.1測量裝置組成：

PC工控機 一臺；圖像采集卡（1個，北京微視V3A）、CCD攝像頭（3個，VC232）、 LED光源（3個，φ6）、開合式攝像鏡頭固定調節裝置（機械裝置）。

3.1.2 裝置測量原理：

3個沿在360°方向均布的CCD攝像鏡頭，在一定光照條件下（LED提供光源），依次動態捕捉絲的同一截面的三個不同方向（互成120°）的絲徑a，b，c，然后由計算機計算其加權平均值，即1/R2=1/a2+1/b2+1/c2 ，這樣通過計算機比較不同截面的絲徑大小，即可得出絲圓柱度的變化和絲徑的一致性情況；通過比較同一截面上不同絲徑的大小，即可得到絲的圓柱度。這樣絲的品質參數）—絲徑、橢圓度和圓柱度由PC工控機集中采集，分別計算，再與預設值進行比較，然后反饋一個信息給關系包（由工程師組控制），關系包經過糾偏確認后，反饋信息給操作控制臺（工控機組），進行實時動態控制。

3.1.3 注意事項：

a）.由于用3臺攝像機依次捕捉絲的同一截面的三個不同方向，為了避免干擾，因此三個攝像鏡頭并不放置在同一水平面上，按照攝像次序從上到下有一定的間距（依據絲速通過計算可獲得），且間距可調，布置示意圖見圖3.

圖3 三向動態測量攝像頭布置示意圖

b）.圖像的采集采用一塊圖像卡的方式，軟件程序在實時采樣時定時輪流切換3個通道。

3.2 速度的測量與控制：

速度的檢測與絲徑的檢測是同步進行的。其包括棒速和絲速兩部分，都是通過測速碼盤直接與計算機接口對接直接采集數據的，且采集的數據是同步的，在操作窗口顯示棒速和絲速的線速度。

棒速和絲速的控制均是通過步進電機控制調節減速器實現的。

3.3 溫度的測量和控制：

溫度場的測試是通過在爐子里插入多頭溫度測量傳感器—熱點偶來進行的。其控制和顯示是通過PID溫度調節控制儀來實施的。

3.4 張力的測量：

張力測量的目的：判斷制備絲成型過程中錐尖的形成位置和張力穩定性。

3.4.1 張力測量裝置：

張力傳感器（1個，量程5kg）；

張力數值顯示儀表（1個，顯示精度：0.1%）；

杠桿橋（固定傳感器并通過橋比的變化而變化稱重重量的范圍）；

球關節掉卡（夾持預制棒）。

3.4.2 張力測量原理：

依據預制棒拉絲的程序和對預制棒出絲過程進行受力分析，

則P張=G測-G棒-G塊-G絲；

當預制棒未出絲時，通過張力傳感器采集的數據，記為G棒；當預制棒開始軟化出錐頭塊，操作人員開始掰頭引絲建張。我們將絲掰斷的一瞬間記錄的數據減去G棒，就是我們所需求的G塊；當絲開始因入拉絲輪建張以后，通過計算機實時計算掰走的絲的質量，記為G絲，這樣我們可由計算機實時動態計算出張力大小，并輸出數據，供工程師組控制人員判斷張力的穩定性，隨時將現場張力反饋給關系包，由關系包再控制調節相關量。

3.5 斷絲集絲裝置的控制

3.5.1 裝置組成：電磁鐵、光柵傳感器和斷絲的機械機構

3.5.2 裝置的控制原理：

通過大量實驗我們發現：玻璃斷絲時，用硬質合金刀片在玻璃上輕劃一個痕跡，然后用手在此痕跡下輕推一下，玻璃絲即可斷，且端面光滑?；诖税l現，我們設計了一個機構：通過電磁鐵控制兩個互為90°的動作，以實現絲的切斷；絲長的控制式通過光柵捕捉絲的下端，然后將此信號發給計算機控制系統，其再發出斷絲命令給電磁鐵控制系統，電磁鐵開始執行斷絲動作。

4. 應用計算機監控的優點：

自從制備絲裝置實現計算機監控以來，確實給我們的工作帶來很大的方便，絲的品質也達到預期的目的，其優點如下：

a）.實時采集數據，數據充足而有效，避免了人為誤差，為數據分析的準確性提供很大的保障；

b）.通過計算機的集中采集，分散控制，提高監控系統的實時反饋靈敏度，提高工作效率；

c）.通過計算機的監控，使關系包中多元化的參數通過建立較合理的數學模型得到統一協調的控制反饋，從而保證制備絲參數控制的適宜性和有效性。

d）.通過計算機的監控，生產過程穩定性增強，絲的品質參數得到有效提高。

e）.盡管在實現計算機監控過程中，由于儀表的誤差和其之間的相互干擾，給我們采集數據和有效分析帶來一定的偏差，但隨著設備的完善和改進，通過大量的實踐生產，系統偏差和誤差會有效修正的。

5. 結語：

為實現玻璃制備絲的全面自動監控，我們必須豐富和完善我們的關系包，建立更為合理和有效的數學模型 ，為絲的品質穩定和提高進行持續不斷的質量改進。

參考資料：

[1]《玻璃工藝學》 趙彥釗 殷海榮主編----北京：化學工業出版社，2006.7

[2]《關于玻璃制備絲監控方案的討論報告》—— 西安同維通訊技術有限責任公司 胡連旭

[3]《關于玻璃制備絲監控方案的軟件設計》—— 西安同維通訊技術有限責任公司 任榮