陳楚楠 胡連旭

摘要：實(shí)驗(yàn)證實(shí)：拉絲溫度、拉絲張力、預(yù)制棒下降速度（棒速）和制備絲的走速（簡(jiǎn)稱(chēng)絲速）是影響拉絲質(zhì)量的四大關(guān)鍵因素。為了提高成絲品質(zhì)，就必須控制好以上關(guān)鍵參數(shù)。基于此目的，我們應(yīng)用光電等較先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)手段，全面引進(jìn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，取得了較好的控制效果。

關(guān)鍵詞：制備絲（玻璃絲） （拉絲）溫度 （拉絲）張力 棒速 絲速 品質(zhì)參數(shù)（制備絲的參數(shù)指標(biāo)） 關(guān)系包 計(jì)算機(jī)監(jiān)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(yù)制棒拉成直徑為φ1.0-2.0mm玻璃絲的成套設(shè)備。其主要包括加熱爐系統(tǒng)（控制參數(shù)體現(xiàn)為溫度）、預(yù)制棒下降系統(tǒng)、絲速控制系統(tǒng)和集絲裝置。

裝置設(shè)計(jì)完成初期：我們通過(guò)結(jié)合玻璃的熱力學(xué)特性和設(shè)備各環(huán)節(jié)工作特點(diǎn)對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析后發(fā)現(xiàn)：玻璃軟化溫度、玻璃的表面張力、系統(tǒng)控制速度（包括棒速、絲速和其之間的紐帶--合理的傳動(dòng)比的控制）對(duì)玻璃絲的成型產(chǎn)生非常大的影響。其主要原因如下：首先在玻璃成型過(guò)程中黏度往往是最關(guān)鍵的控制參數(shù) ，而影響玻璃黏度的主要因素是玻璃的結(jié)構(gòu)成分和溫度，因此在玻璃材質(zhì)和成型工藝一定的情況下，體現(xiàn)黏度的主要因素就是溫度。其次玻璃的張力也是一個(gè)很重要的控制指標(biāo)，因?yàn)椴ＡУ谋砻鎻埩Φ淖饔镁褪窃诓ＡУ某尚椭蝎@得期望的圓柱度（或圓柱形），第三合理系統(tǒng)控制速度（確定合適的傳動(dòng)比）是設(shè)計(jì)整套裝置的機(jī)械理論基礎(chǔ)，其是設(shè)備硬件聯(lián)系的核心，由棒速和絲速?zèng)Q定的，其控制的準(zhǔn)確性和傳動(dòng)系統(tǒng)的平穩(wěn)性直接影響絲品質(zhì)的一致性。同時(shí)系統(tǒng)速度對(duì)玻璃在溫度場(chǎng)中的軟化成錐等動(dòng)態(tài)過(guò)程中連續(xù)變化影響很大，而玻璃的黏度是隨著溫度的變化而連續(xù)變化的，因此系統(tǒng)速度對(duì)制備絲絲徑和玻璃的黏度的影響不容忽視。

在明確了對(duì)制備絲品質(zhì)參數(shù)（制備絲的參數(shù)指標(biāo)：絲徑、橢圓度、直線度和同軸度）影響的關(guān)鍵因素之后，我們必須建立其合理的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)---綜合控制體系，即通過(guò)有效的檢測(cè)手段和自動(dòng)控制體系，采集分析數(shù)據(jù)，建立起它們的關(guān)系包（或相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，見(jiàn)圖1），這樣才能為計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制提供有效理想的控制參數(shù)指標(biāo)。

圖1 參數(shù)關(guān)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(guò)檢測(cè)儀器動(dòng)態(tài)測(cè)量，工控計(jì)算機(jī)記錄采集數(shù)據(jù)，匯入計(jì)算機(jī)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，再經(jīng)過(guò)工程師組的糾偏確認(rèn)后，將控制信息反饋給工控機(jī)組對(duì)各參數(shù)分別進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

2.2 方案結(jié)構(gòu)圖（見(jiàn)圖2）

圖2 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)方案圖

2.3 方案說(shuō)明：

依據(jù)控制參數(shù)關(guān)系包和生產(chǎn)需求，本控制系統(tǒng)共分5個(gè)組成部分：

2.3.1 絲徑的測(cè)量與控制（控制的核心參數(shù)，即品質(zhì)參數(shù)）

測(cè)量項(xiàng)目：絲徑、橢圓度和絲徑的一致性

測(cè)量精度：±0.001mm

控制要求：動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)可信。

數(shù)據(jù)驗(yàn)證：間隔一定時(shí)段，人工用同精度的千分尺隨機(jī)校驗(yàn)。

2.3.2 速度的測(cè)量與控制

其包括三部分：

a）.棒速的測(cè)量與控制；

b）.絲速的測(cè)量與控制；

c）.設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比的控制（依據(jù)等質(zhì)原理，建立設(shè)備理想狀態(tài)下的棒速和絲速的關(guān)系）。

2.3.3 溫度的測(cè)量與控制

溫度的測(cè)量和控制通過(guò)PID溫度調(diào)節(jié)控制器進(jìn)行的，在其輸出終端有計(jì)算機(jī)接口。

2.3.4 張力的測(cè)量與控制

目前通過(guò)間接方式進(jìn)行測(cè)量。其在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡中應(yīng)是一個(gè)恒定的數(shù)值。我們通過(guò)建立玻璃軟化質(zhì)量遞減過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出張力的大小，然后通過(guò)其他參數(shù)的變動(dòng)來(lái)控制。

2.3.5 斷絲集絲裝置的控制

其是制備絲裝置中一個(gè)不可缺少的控制環(huán)節(jié)，盡管對(duì)絲的品質(zhì)沒(méi)有任何影響，但其保證制備絲的優(yōu)選收集和合理絲長(zhǎng)的切割。

3. 方案實(shí)施（應(yīng)用）：

3.1 三向絲徑動(dòng)態(tài)測(cè)量

3.1.1測(cè)量裝置組成：

PC工控機(jī) 一臺(tái)；圖像采集卡（1個(gè)，北京微視V3A）、CCD攝像頭（3個(gè)，VC232）、 LED光源（3個(gè)，φ6）、開(kāi)合式攝像鏡頭固定調(diào)節(jié)裝置（機(jī)械裝置）。

3.1.2 裝置測(cè)量原理：

3個(gè)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(dòng)態(tài)捕捉絲的同一截面的三個(gè)不同方向（互成120°）的絲徑a，b，c，然后由計(jì)算機(jī)計(jì)算其加權(quán)平均值，即1/R2=1/a2+1/b2+1/c2 ，這樣通過(guò)計(jì)算機(jī)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(guò)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(zhì)參數(shù)）—絲徑、橢圓度和圓柱度由PC工控機(jī)集中采集，分別計(jì)算，再與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，然后反饋一個(gè)信息給關(guān)系包（由工程師組控制），關(guān)系包經(jīng)過(guò)糾偏確認(rèn)后，反饋信息給操作控制臺(tái)（工控機(jī)組），進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制。

3.1.3 注意事項(xiàng)：

a）.由于用3臺(tái)攝像機(jī)依次捕捉絲的同一截面的三個(gè)不同方向，為了避免干擾，因此三個(gè)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(jù)絲速通過(guò)計(jì)算可獲得），且間距可調(diào)，布置示意圖見(jiàn)圖3.

圖3 三向動(dòng)態(tài)測(cè)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(shí)時(shí)采樣時(shí)定時(shí)輪流切換3個(gè)通道。

3.2 速度的測(cè)量與控制：

速度的檢測(cè)與絲徑的檢測(cè)是同步進(jìn)行的。其包括棒速和絲速兩部分，都是通過(guò)測(cè)速碼盤(pán)直接與計(jì)算機(jī)接口對(duì)接直接采集數(shù)據(jù)的，且采集的數(shù)據(jù)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(guò)步進(jìn)電機(jī)控制調(diào)節(jié)減速器實(shí)現(xiàn)的。

3.3 溫度的測(cè)量和控制：

溫度場(chǎng)的測(cè)試是通過(guò)在爐子里插入多頭溫度測(cè)量傳感器—熱點(diǎn)偶來(lái)進(jìn)行的。其控制和顯示是通過(guò)PID溫度調(diào)節(jié)控制儀來(lái)實(shí)施的。

3.4 張力的測(cè)量：

張力測(cè)量的目的：判斷制備絲成型過(guò)程中錐尖的形成位置和張力穩(wěn)定性。

3.4.1 張力測(cè)量裝置：

張力傳感器（1個(gè)，量程5kg）；

張力數(shù)值顯示儀表（1個(gè)，顯示精度：0.1%）；

杠桿橋（固定傳感器并通過(guò)橋比的變化而變化稱(chēng)重重量的范圍）；

球關(guān)節(jié)掉卡（夾持預(yù)制棒）。

3.4.2 張力測(cè)量原理：

依據(jù)預(yù)制棒拉絲的程序和對(duì)預(yù)制棒出絲過(guò)程進(jìn)行受力分析，

則P張=G測(cè)-G棒-G塊-G絲；

當(dāng)預(yù)制棒未出絲時(shí)，通過(guò)張力傳感器采集的數(shù)據(jù)，記為G棒；當(dāng)預(yù)制棒開(kāi)始軟化出錐頭塊，操作人員開(kāi)始掰頭引絲建張。我們將絲掰斷的一瞬間記錄的數(shù)據(jù)減去G棒，就是我們所需求的G塊；當(dāng)絲開(kāi)始因入拉絲輪建張以后，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算掰走的絲的質(zhì)量，記為G絲，這樣我們可由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算出張力大小，并輸出數(shù)據(jù)，供工程師組控制人員判斷張力的穩(wěn)定性，隨時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)張力反饋給關(guān)系包，由關(guān)系包再控制調(diào)節(jié)相關(guān)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(jī)械機(jī)構(gòu)

3.5.2 裝置的控制原理：

通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)：玻璃斷絲時(shí)，用硬質(zhì)合金刀片在玻璃上輕劃一個(gè)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。基于此發(fā)現(xiàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)構(gòu)：通過(guò)電磁鐵控制兩個(gè)互為90°的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)絲的切斷；絲長(zhǎng)的控制式通過(guò)光柵捕捉絲的下端，然后將此信號(hào)發(fā)給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其再發(fā)出斷絲命令給電磁鐵控制系統(tǒng)，電磁鐵開(kāi)始執(zhí)行斷絲動(dòng)作。

4. 應(yīng)用計(jì)算機(jī)監(jiān)控的優(yōu)點(diǎn)：

自從制備絲裝置實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控以來(lái)，確實(shí)給我們的工作帶來(lái)很大的方便，絲的品質(zhì)也達(dá)到預(yù)期的目的，其優(yōu)點(diǎn)如下：

a）.實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)充足而有效，避免了人為誤差，為數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性提供很大的保障；

b）.通過(guò)計(jì)算機(jī)的集中采集，分散控制，提高監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)反饋靈敏度，提高工作效率；

c）.通過(guò)計(jì)算機(jī)的監(jiān)控，使關(guān)系包中多元化的參數(shù)通過(guò)建立較合理的數(shù)學(xué)模型得到統(tǒng)一協(xié)調(diào)的控制反饋，從而保證制備絲參數(shù)控制的適宜性和有效性。

d）.通過(guò)計(jì)算機(jī)的監(jiān)控，生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性增強(qiáng)，絲的品質(zhì)參數(shù)得到有效提高。

e）.盡管在實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控過(guò)程中，由于儀表的誤差和其之間的相互干擾，給我們采集數(shù)據(jù)和有效分析帶來(lái)一定的偏差，但隨著設(shè)備的完善和改進(jìn)，通過(guò)大量的實(shí)踐生產(chǎn)，系統(tǒng)偏差和誤差會(huì)有效修正的。

5. 結(jié)語(yǔ)：

為實(shí)現(xiàn)玻璃制備絲的全面自動(dòng)監(jiān)控，我們必須豐富和完善我們的關(guān)系包，建立更為合理和有效的數(shù)學(xué)模型 ，為絲的品質(zhì)穩(wěn)定和提高進(jìn)行持續(xù)不斷的質(zhì)量改進(jìn)。

參考資料：

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

[2]《關(guān)于玻璃制備絲監(jiān)控方案的討論報(bào)告》—— 西安同維通訊技術(shù)有限責(zé)任公司 胡連旭

[3]《關(guān)于玻璃制備絲監(jiān)控方案的軟件設(shè)計(jì)》—— 西安同維通訊技術(shù)有限責(zé)任公司 任榮