计算机监控系统在制备丝装置中的应用

陈楚楠 胡连旭

摘要：实验证实：拉丝温度、拉丝张力、预制棒下降速度（棒速）和制备丝的走速（简称丝速）是影响拉丝质量的四大关键因素。为了提高成丝品质，就必须控制好以上关键参数。基于此目的，我们应用光电等较先进的检测技术手段，全面引进计算机监控系统，取得了较好的控制效果。

关键词：制备丝（玻璃丝） （拉丝）温度 （拉丝）张力 棒速 丝速 品质参数（制备丝的参数指标） 关系包 计算机监控

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

制备丝装置是将直径为φ15-40mm的玻璃预制棒拉成直径为φ1.0-2.0mm玻璃丝的成套设备。其主要包括加热炉系统（控制参数体现为温度）、预制棒下降系统、丝速控制系统和集丝装置。

装置设计完成初期：我们通过结合玻璃的热力学特性和设备各环节工作特点对大量实验数据的采集和分析后发现：玻璃软化温度、玻璃的表面张力、系统控制速度（包括棒速、丝速和其之间的纽带--合理的传动比的控制）对玻璃丝的成型产生非常大的影响。其主要原因如下：首先在玻璃成型过程中黏度往往是最关键的控制参数 ，而影响玻璃黏度的主要因素是玻璃的结构成分和温度，因此在玻璃材质和成型工艺一定的情况下，体现黏度的主要因素就是温度。其次玻璃的张力也是一个很重要的控制指标，因为玻璃的表面张力的作用就是在玻璃的成型中获得期望的圆柱度（或圆柱形），第三合理系统控制速度（确定合适的传动比）是设计整套装置的机械理论基础，其是设备硬件联系的核心，由棒速和丝速决定的，其控制的准确性和传动系统的平稳性直接影响丝品质的一致性。同时系统速度对玻璃在温度场中的软化成锥等动态过程中连续变化影响很大，而玻璃的黏度是随着温度的变化而连续变化的，因此系统速度对制备丝丝径和玻璃的黏度的影响不容忽视。

在明确了对制备丝品质参数（制备丝的参数指标：丝径、椭圆度、直线度和同轴度）影响的关键因素之后，我们必须建立其合理的动态平衡状态---综合控制体系，即通过有效的检测手段和自动控制体系，采集分析数据，建立起它们的关系包（或相应的数学模型，见图1），这样才能为计算机自动检测和自动控制提供有效理想的控制参数指标。

图1 参数关系包示意图

2. 控制方案确立：

控制总原则：集中采集，分散控制。

2.1 方案目的：

通过检测仪器动态测量，工控计算机记录采集数据，汇入计算机中心进行数据处理分析，再经过工程师组的纠偏确认后，将控制信息反馈给工控机组对各参数分别进行实时控制。

2.2 方案结构图（见图2）

图2 计算机监控系统方案图

2.3 方案说明：

依据控制参数关系包和生产需求，本控制系统共分5个组成部分：

2.3.1 丝径的测量与控制（控制的核心参数，即品质参数）

测量项目：丝径、椭圆度和丝径的一致性

测量精度：±0.001mm

控制要求：动态测量数据真实可信。

数据验证：间隔一定时段，人工用同精度的千分尺随机校验。

2.3.2 速度的测量与控制

其包括三部分：

a）.棒速的测量与控制；

b）.丝速的测量与控制；

c）.设备传动系统总传动比的控制（依据等质原理，建立设备理想状态下的棒速和丝速的关系）。

2.3.3 温度的测量与控制

温度的测量和控制通过PID温度调节控制器进行的，在其输出终端有计算机接口。

2.3.4 张力的测量与控制

目前通过间接方式进行测量。其在一个动态平衡中应是一个恒定的数值。我们通过建立玻璃软化质量递减过程的数学模型，计算出张力的大小，然后通过其他参数的变动来控制。

2.3.5 断丝集丝装置的控制

其是制备丝装置中一个不可缺少的控制环节，尽管对丝的品质没有任何影响，但其保证制备丝的优选收集和合理丝长的切割。

3. 方案实施（应用）：

3.1 三向丝径动态测量

3.1.1测量装置组成：

PC工控机 一台；图像采集卡（1个，北京微视V3A）、CCD摄像头（3个，VC232）、 LED光源（3个，φ6）、开合式摄像镜头固定调节装置（机械装置）。

3.1.2 装置测量原理：

3个沿在360°方向均布的CCD摄像镜头，在一定光照条件下（LED提供光源），依次动态捕捉丝的同一截面的三个不同方向（互成120°）的丝径a，b，c，然后由计算机计算其加权平均值，即1/R2=1/a2+1/b2+1/c2 ，这样通过计算机比较不同截面的丝径大小，即可得出丝圆柱度的变化和丝径的一致性情况；通过比较同一截面上不同丝径的大小，即可得到丝的圆柱度。这样丝的品质参数）—丝径、椭圆度和圆柱度由PC工控机集中采集，分别计算，再与预设值进行比较，然后反馈一个信息给关系包（由工程师组控制），关系包经过纠偏确认后，反馈信息给操作控制台（工控机组），进行实时动态控制。

3.1.3 注意事项：

a）.由于用3台摄像机依次捕捉丝的同一截面的三个不同方向，为了避免干扰，因此三个摄像镜头并不放置在同一水平面上，按照摄像次序从上到下有一定的间距（依据丝速通过计算可获得），且间距可调，布置示意图见图3.

图3 三向动态测量摄像头布置示意图

b）.图像的采集采用一块图像卡的方式，软件程序在实时采样时定时轮流切换3个通道。

3.2 速度的测量与控制：

速度的检测与丝径的检测是同步进行的。其包括棒速和丝速两部分，都是通过测速码盘直接与计算机接口对接直接采集数据的，且采集的数据是同步的，在操作窗口显示棒速和丝速的线速度。

棒速和丝速的控制均是通过步进电机控制调节减速器实现的。

3.3 温度的测量和控制：

温度场的测试是通过在炉子里插入多头温度测量传感器—热点偶来进行的。其控制和显示是通过PID温度调节控制仪来实施的。

3.4 张力的测量：

张力测量的目的：判断制备丝成型过程中锥尖的形成位置和张力稳定性。

3.4.1 张力测量装置：

张力传感器（1个，量程5kg）；

张力数值显示仪表（1个，显示精度：0.1%）；

杠杆桥（固定传感器并通过桥比的变化而变化称重重量的范围）；

球关节掉卡（夹持预制棒）。

3.4.2 张力测量原理：

依据预制棒拉丝的程序和对预制棒出丝过程进行受力分析，

则P张=G测-G棒-G块-G丝；

当预制棒未出丝时，通过张力传感器采集的数据，记为G棒；当预制棒开始软化出锥头块，操作人员开始掰头引丝建张。我们将丝掰断的一瞬间记录的数据减去G棒，就是我们所需求的G块；当丝开始因入拉丝轮建张以后，通过计算机实时计算掰走的丝的质量，记为G丝，这样我们可由计算机实时动态计算出张力大小，并输出数据，供工程师组控制人员判断张力的稳定性，随时将现场张力反馈给关系包，由关系包再控制调节相关量。

3.5 断丝集丝装置的控制

3.5.1 装置组成：电磁铁、光栅传感器和断丝的机械机构

3.5.2 装置的控制原理：

通过大量实验我们发现：玻璃断丝时，用硬质合金刀片在玻璃上轻划一个痕迹，然后用手在此痕迹下轻推一下，玻璃丝即可断，且端面光滑。基于此发现，我们设计了一个机构：通过电磁铁控制两个互为90°的动作，以实现丝的切断；丝长的控制式通过光栅捕捉丝的下端，然后将此信号发给计算机控制系统，其再发出断丝命令给电磁铁控制系统，电磁铁开始执行断丝动作。

4. 应用计算机监控的优点：

自从制备丝装置实现计算机监控以来，确实给我们的工作带来很大的方便，丝的品质也达到预期的目的，其优点如下：

a）.实时采集数据，数据充足而有效，避免了人为误差，为数据分析的准确性提供很大的保障；

b）.通过计算机的集中采集，分散控制，提高监控系统的实时反馈灵敏度，提高工作效率；

c）.通过计算机的监控，使关系包中多元化的参数通过建立较合理的数学模型得到统一协调的控制反馈，从而保证制备丝参数控制的适宜性和有效性。

d）.通过计算机的监控，生产过程稳定性增强，丝的品质参数得到有效提高。

e）.尽管在实现计算机监控过程中，由于仪表的误差和其之间的相互干扰，给我们采集数据和有效分析带来一定的偏差，但随着设备的完善和改进，通过大量的实践生产，系统偏差和误差会有效修正的。

5. 结语：

为实现玻璃制备丝的全面自动监控，我们必须丰富和完善我们的关系包，建立更为合理和有效的数学模型 ，为丝的品质稳定和提高进行持续不断的质量改进。

参考资料：

[1]《玻璃工艺学》 赵彦钊 殷海荣主编----北京：化学工业出版社，2006.7

[2]《关于玻璃制备丝监控方案的讨论报告》—— 西安同维通讯技术有限责任公司 胡连旭

[3]《关于玻璃制备丝监控方案的软件设计》—— 西安同维通讯技术有限责任公司 任荣