автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Система автоматического управления процессами вытяжки и намотки оптического волокна

Введение.

Глава 1 Математическое моделирование технологического процесса вытяжки оптического волокна.

1.1 Анализ процесса вытягивания оптического волокна.

1.2 Традиционные способы управления процессом вытяжки оптического волокна.

1.3 Определение дискретных математических моделей объекта управления.

1.3.1 Математическая модель канала скорость подачи — натяжение волокна».

1.3.2 Математическая модель канала скорость вытягивания — диаметр волокна».

1.3.3 Математическая модель канала температура нагрева — натяжение волокна».

1.3.4 Математическая модель канала температура нагрева — диаметр волокна».

1.3.5 Математическая модель канала скорость вытягивания — натяжение волокна».

1.3.6 Математическая модель канала скорость подачи — диаметр волокна».

1.4 Выводы.

Глава 2 Исследование и расчет двумерной системы автоматического управления процессом вытяжки оптического волокна.

2.1 Процедура синтеза дискретной двумерной системы управления процессом вытяжки оптического волокна.

2.1.1 Определение параметров регуляторов.

2.1.2 Определение резонансных частот.

2.1.3 Определение параметров дополнительных корректирующих звеньев.

2.2 Моделирование переходных процессов системы.

2.3 Выводы.

Глава 3 Разработка и исследование макета микропроцессорного электропривода на шаговом электродвигателе.

3.1 Анализ динамических свойств шагового электропривода.

3.1.1 Математическое исследование шагового электродвигателя в имитационной среде Ма1ЬаЬ 81ти1шк

3.2 Разработка принципиальной электрической схемы макета управления шаговым электроприводом.

3.3 Алгоритм и программное обеспечение для управления шаговым двигателем от микропроцессорного устройства.

3.4 Алгоритм управления шаговыми двигателями в блоке намотки и раскладки оптического волокна.

3.5 Выводы.

Глава 4 Информационное обеспечение процесса производства оптического волокна.

4.1 Анализ метода химического осаждения кварцевых частиц из газовой фазы.

4.1.1 Физико-математическая модель процесса производства заготовок методом химического осаждения кварцевых частиц из газовой фазы.

4.2 Система управления изготовлением заготовок для вытяжки оптического волокна.

4.3 Бесконтактное измерение натяжения волокна.

4.4 Разработка структуры микропроцессорной системы управления процессом намотки и раскладки оптического волокна.

4.5 Разработка системы управления координатным столом на основе шагового электропривода.

4.6 Выводы.

Общая характеристика работы. В настоящее время в различных сферах производственной деятельности нашли широкое применение оптические волокна. Наибольшее распространение оптические волокна получили в приборостроении, радиоэлектронике, магистральных линиях связи, телефонии, компьютерной технике и сетях, кабельном и спутниковом телевидении, звуковой и видеотехнике и т.п. В текстильной промышленности оптические волокна в основном применяются в системах контроля и управления технологическими процессами и оборудованием (первичные преобразователи, средства передачи информации в системах управления оборудованием и т.п.).

Существенные достоинства оптических волокон — возможность передачи больших объемов информации, невосприимчивость к электромагнитным помехам, малый объем и масса кабеля и т.п. обеспечивают все более широкое внедрение оптических волокон в технике и военной промышленности. Причем, этот процесс сопровождается существенным повышением требований к качественным характеристикам оптического волокна. Решение проблемы выпуска высококачественных оптических волокон, обладающих низким уровнем оптических потерь и высоким пределом прочности на растяжение, связано в целом с совершенствованием и развитием систем автоматического контроля и управления процессом производства, характеризующимся высокой сложностью, нестационарностью и большим числом возмущающих воздействий.

Одним из способов решения вопроса производства качественных оптических волокон является разработка и внедрение средств автоматизации, разработанных на современном уровне. Поэтому актуальной задачей является разработка системы управления технологическим процессом производства оптических волокон, построенной на основе цифровой концепции управления всем технологическим п роцессом, а также обеспечивающей повышенное качество физико-механических свойств оптических волокон и, следовательно, дающей высокий выход годной продукции.

В диссертационной работе рассматриваются теоретические и прикладные вопросы автоматизации технологического процесса производства оптических волокон.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является синтез дискретной двумерной системы автоматического управления нестационарным процессом перетяжки заготовки в оптическое волокно, обеспечивающей высокоточную стабилизацию диаметра и натяжения оптического волокна в процессе его получения; разработка средств автоматического контроля и регулирования, позволяющих существенно повысить эффективность управления технологическим процессом производства оптического волокна. Техническое решение системы дискретного автоматического управления должно характеризоваться простотой и надежностью своего аппаратного исполнения.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач принципиального характера:

1. Анализ особенностей технологического процесса производства оптического волокна. Математическое моделирование процессов перетяжки заготовки в волоконный световод и процесса изготовления заготовки методом химического осаждения кварцевых частиц из газовой фазы.

2. Получение дискретных математических моделей, описывающих динамику процесса перетяжки заготовки в оптическое волокно.

3. Разработка структуры двумерной системы управления процессом вытяжки оптического волокна.

4. Синтез дискретной двумерной системы управления процессом вытяжки оптического волокна.

5. Разработка, изготовление и исследование макета системы микропроцессорного управления шаговым электроприводом. Составление алгоритмов управления и написание программного обеспечения.

6. Разработка алгоритмов управления связанно взаимодействующих шаговых электродвигателей блока намотки и раскладки оптического волокна.

7. Разработка структуры системы управления процессом изготовления заготовок для вытяжки оптического волокна.

8. Разработка структуры бесконтактного датчика натяжения и алгоритмов преобразования полезной информации.

9. Усовершенствование датчика натяжения оптического волокна, применяемого на стадии намотки волокна.

10. Разработка структуры системы управления намоткой и раскладкой оптического волокна построенной на принципе программного управления процессом.

11. Разработка двухпозиционного релейного регулятора для управления положением заготовки относительно нагревательного элемента.

На защиту выносятся:

1. Дискретные математические модели, описывающие динамику процесса перетяжки заготовки в оптическое волокно.

2. Дискретная двумерная система управления процессом вытягивания оптического волокна, обеспечивающая стационарность истечения стекломассы в зоне формования волокна.

3. Алгоритмы и программное обеспечение для системы микропроцессорного управления шаговым электродвигателем в режиме искусственной коммутации фазных токов.

4. Структура системы автоматического управления процессом изготовления заготовки для вытяжки оптического волокна.

5. Бесконтактный способ измерения натяжения волокна в процессе его вытягивания.

6. Структура программной автоматической системы управления процессом намотки и раскладки волокна.

7. Результаты экспериментально-теоретических исследований и математического моделирования разработанных схем и алгоритмов.

Методика проведения исследований. В работе использованы современные математические и инструментальные методы исследований. При построении математических моделей процессов применялись современные методы компьютерной обработки данных. Теоретические исследования основывались на методах современной теории линейных и дискретных систем автоматического управления с привлечением аппарата 2-преобразования. В рамках практической реализации двумерной системы управления процессом вытяжки оптического волокна рассмотрены исполнительные элементы на базе шаговых электродвигателей. Разработан макет микропроцессорного управления шаговым двигателем с использованием современных регулирующих и измерительных приборов, а также предложены алгоритмы и программное обеспечение необходимое для его управления.

Научная новизна работы. Получены дискретные математические модели каналов связи объекта управления. Синтезирована двумерная дискретная система автоматического управления процессом вытягивания оптического волокна, обеспечивающая стационарность истечения стекломассы в зоне формования волокна. Разработано программное обеспечение для управления шаговым электродвигателем. Получена математическая модель процесса изготовления заготовок методом химического осаждения кварцевых частиц из газовой фазы и на ее основе предложена структура системы автоматического управления процессом производства заготовок для вытяжки оптического волокна. Предложен бесконтактный способ измерения натяжения волокна. Разработана структура автоматической системы программного управления процессом намотки и раскладки оптического волокна. Разработана универсальная система управления положением заготовки относительно нагревательного элемента, позволяющая применять в своем составе любой тип шагового двигателя и любой алгоритм его управления.

Достоверность результатов работы. Идентичность полученных математических моделей процессов производства оптического волокна, а также адекватность систем автоматического управления подтверждается удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных исследований методами физического и математического моделирования. Предложенные алгоритмы и программное обеспечение управления шаговым двигателем подтвердили свою адекватность поставленным в настоящей работе цели и задачам при проведении испытаний макета системы микропроцессорного управления шаговым электроприводом. Научные решения диссертации строго обоснованы и аргументированы в рамках принятых автором допущений, теоретические положения и экспериментальные выводы многократно уточнялись.

Практическая ценность работы. Полученные результаты внедрены на технологическом оборудовании лаборатории РМ - 5 Всероссийского научно-исследовательского института химических технологий (ВНИИХТ). Разработанное программное обеспечение, принципиальные электрические схемы систем управления и описания к ним, переданы для практического использования лаборатории РМ - 5 ВНИИХТа.

Полученные научные результаты могут служить для создания систем управления объектами со взаимосвязанными регулируемыми величинами. Предложенные методы контроля и управления процессами производства оптического волокна позволят уменьшить неточность стабилизации диаметра волокна, обеспечить стационарность процесса формования волокна и также повысить физико-механические характеристики световодов. 7

Полученные данные могут быть использованы для автоматизации сходных операций в производстве химических волокон, а также и других изделий, получаемых путем перетягивания заготовки.

Результаты работы будут полезны в учебном процессе и при подготовке учебных и методических пособий для студентов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждены и получили положительную оценку на Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль — 98), Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль — 99), Всероссийской научной конференции «Современные информационные технологии в образовательной и научной деятельности», Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль — 2001), проходивших в 1998-2001 годах.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано шесть печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на ста шестидесяти восьми страницах печатного текста и состоит из введения, четырех глав, выводов по главам и общих основных выводов, списка использованной литературы из ста одиннадцати наименований, четырех приложений, одной таблицы, шестидесяти двух иллюстраций.

Общие выводы по диссертационной работе

1.Разработана дискретная математическая модель процесса перетяжки заготовки в волоконный световод.

2. Разработана рациональная структура двумерной системы управления процессом вытяжки оптического волокна из заготовки.

3. Осуществлен синтез двумерной системы управления, обеспечивающей стационарный режим истечения стекломассы из зоны формования волокна.

4. Предложена структура щагового электропривода с организацией принудительной коммутации фазных токов, предложенная структура обеспечивает повышенную плавность хода двигателя.

5. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для системы микропроцессорного управления шаговым электроприводом.

6. Разработана математическая модель метода химического осаждения кварцевых частиц из газовой фазы в процессе изготовления заготовок для вытяжки оптического волокна.

7. Предложен способ измерения натяжения оптического волокна на участке между зоной формования волокна и фильерой с защитным покрытием.

8. Разработана релейная система автоматического управления процессом центровки заготовки относительно нагревательного элемента.

9. Полученные результаты внедрены на технологическом оборудовании лаборатории РМ - 5 Всероссийского научно-исследовательского института химических технологий (ВНИИХТ). Разработанное программное обеспечение, принципиальные электрические схемы систем управления и описания к ним, переданы для практического использования лаборатории РМ - 5 ВНИИХТа.

1. Баушев В.Н., Смекалов П.Р. Технология производства оптических волокон: учеб. пособие. Л., 1987. - 51 с.

2. Волокна для оптической связи: изготовление и свойства / ВЦП. -№ КГ-72948. 20 с.

3. Высокоскоростная вытяжка высокопрочных оптических волокон / ВЦП. -№ Н-57892. 34 с.

4. Высокоскоростное формирование волокон / Под ред. Зябицкого А., Каваи X.: Пер. с англ. / Под ред. Перепелкина К.Е. М.: Химия, 1988. - 488 с.

5. Вытягивание волокон и управление процессом / ВЦП. № М-13370. - 46 с.

6. Вытягивание оптических волокон / ВЦП. № Б-5382. - 15 с.

7. Вытягивание оптических волокон / ВЦП. № Н-20453. - 37 с.

8. Изготовление оптических волокон с маленькими потерями и широкой полосой пропускания на длине волны 1,3 мкм методом парафазного аксиального осаждения / ВЦП. № Е-20559. - 44 с.

9. Изготовление световодных волокон для оптической связи / ВЦП. -№ В-57623. 16 с.

10. Методы вытягивания оптических волокон / ВЦП. № Г-46015. - 17 с.

11. Методы вытягивания оптических волокон / ВЦП. № Г-46015. - М., 29.01.82. -17 с. - Пер. ст. Nakahara М. из журнала: Electrical communication laboratories review. - 1978. - Vol. 26, № 3 - 4. - P. 476 - 482.

12. Непрерывное стеклянное волокно. Основы технологии и свойства. / Под ред. Черняка М.Г. М.: Химия, 1965. - 320 с.

13. Оптические волокна процессы изготовления и направления развития / ВЦП.-№Л-7674.- 1 7 с.

14. Промьшшенное изготовление оптических волокон / ВЦП. № Е-16635. - 24 с.

15. Технология прядения оптического волокна / ВЦП. № А-79553. - 24 с.

16. Изготовление одномодовых волокон с низкими потерями / ВЦП. -№ Б-34027. 19 с.

17. Изготовление стекловолокна для оптических линий связи / ВЦП. -№ А-3 1 5 84. 22 с.

18. Методы изготовления оптических волокон для оптических систем передачи информации средней и малой емкости / ВЦП. № Л-20222. - 22 с.

19. Новые разработки в области технологии производства оптических волокон / Информэлектро № 47667. - 28 с.

20. Обзор методов изготовления оптических волокон / ВЦП. № Г-46017. - 26 с.

21. Оптические волокна для передачи информации / ВЦП. № А-42123. - 34 с.

22. Положение дел с проектированием, материалами и характеристиками одномодовых волокон в «Бэлл лабораториз» / ВЦП. № И-18006. - 21 с.

23. Автоматизация процессов изготовления и измерения параметров оптического волокна / Яно К. и др.; ВЦП. -149 А-79538. 17 с.

24. Асланова М.С. Стеклянные волокна. М.: Химия, 1979. - 256 с.

25. Использование микроЭВМ для управления станком для вытягивания оптических волокон / ВЦП. № Н-22885. - 16 с.

26. Лазерное устройство контроля диаметра оптических волокон фирмы «ВЕХА» / ВЦП. Хо КР-77171. - 5 с.

27. Материалы и технология производства волоконных оптических волноводов / ВЦП. № Б-16190. - 30 с.

28. Определение оптимальных условий вытягивания стеклянных волокон / ВЦП. № И-6741. - 38 с.

29. Производство и свойства волокон для оптической связи / ВЦП. -№ Б-38685. 33 с.

30. Румянцев Ю.Д. Система управления процессом производства волоконных световодов с адаптацией на скользящих режимах. Дис. канд. техн. наук. М., 1990. - 208 с.

31. Способы вытяжки оптических волокон / ВЦП. № Б-34025. - 16 с.

32. Техника изготовления оптического волокна: Сообщение 2 / ВЦП. -№ А-63104. 50 с.3 3. Тимохин А.Н. Электротехническая система управления процессом вытяжки оптического стекловолокна. Дис. канд. техн. наук. М., 1999. - 118 с.

33. Установки для производства оптического волокна / ВЦП. № Р-03637. - 21 с.

34. Оптические волокна в волоконно-оптической технике / ВЦП. -№ А-37835. 30 с.

35. Оптические волокна. Ч. П. / ВЦП. № С-63763. - 11 с.

36. Производство стекловолокон для систем оптической связи / ВЦП. -№ Т-46012. 37 с.

37. Технология изготовления оптического волокна для сверхдлинноволнового диапазона / ВЦП. № С-66553. - 16 с.

38. Адаме. Введение в теорию оптических волноводов. М.: Мир, 1984. - 258 с.

39. Мидвинтер Дж. Волоконные световоды для передачи информации: Пер с англ. М.: Радио и связь, 1983. - 336 с.

40. Новое оптическое волокно / ВЦП. № А-74050. - 9 с.

41. Технология и области применения оптических волокон типа кварц-полимер / Информэлектро. № 47662. - 27 с.

42. Технология и характеристики оптических волокон для дальней связи / ВЦП.-№Е- 1 852.-3 1 с.44.