Методы автоматического управления процессом наложения кабельной изоляции на экструзионных линиях Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.315.1; 681.51 В.Н. Митрошин

Самарский государственный технический университет

МЕТОДЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ НАЛОЖЕНИЯ КАБЕЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИИ НА ЭКСТРУЗИОННЫХ ЛИНИЯХ

Предлагается комплекс методов и алгоритмов для построения автоматических систем управления технологическими процессами наложения кабельной изоляции на экструзионных линиях при непрерывном производстве кабелей связи, позволяющий обеспечивать выполнение необходимых требований к кабелям по частотной полосе пропускания.

It is offered the methods and algorithms of engineering of automatic control systems of extrusion process of foam communications cables, which allows obtaining requirements fulfillment on the frequency pass zone of coaxial cables.

В информационных системах в качестве канала связи наряду с волоконно-оптическими кабелями используются электрические кабели связи с пластмассовой изоляцией: коаксиальные -радиочастотные, дальней, зоновой связи; симметричные, а также LAN-кабели.

Основным конструктивным элементом коаксиальных кабелей является коаксиальная пара, а симметричных и LAN-кабелей - скрученная пара изолированных токопроводящих жил.

Технологический процесс производства кабеля является сложным многооперационным процессом. На каждой операции кабельного производства формируются и контролируются промежуточные (частные) параметры качества кабеля.

Одной из важнейших технологических операций производства кабелей с пластмассовой изоляцией, на которой формируются основные параметры, в конечном итоге определяющие качество кабеля как канала связи, является операция изолирования. При изготовлении кабелей с использованием термопластических материалов, например, полиэтилена, наложение изоляции осуществляется на экструзионных линиях, содержащих одночервячный экструдер и охлаждающие ванны, обеспечивающие постепенное охлаждение полиэтиленовой изоляции.

На операции изолирования формируются такие частные параметры качества, как погонная емкость и диаметр изоляции кабельной жилы, которые контролируются непосредственно на технологической линии с помощью специальных датчиков.

Наряду с контролируемыми параметрами на операции изолирования формируются и другие параметры качества, которые могут быть оценены только косвенно на основе измерений. К таким параметрам относятся масса изоляции на единицу длины проводника, степень пористости (при наложении пористой изоляции), относительная диэлектрическая проницаемость изоляции, удельный вес изоляции и другие.

Кроме того, на технологических установках контролируется множество режимных параметров: скорость изолирования, обороты шнека, температуры зон нагрева цилиндра экструдера и головки, температура охлаждающей воды в первой и второй ванне охлаждения, давление в головке экструдера, температура предварительно нагретого внутреннего проводника и другие.

Применимость коаксиального кабеля в том или ином частотном диапазоне определяется величиной помех в виде так называемых обратного и попутного потоков. Ввиду сложности измерения непосредственно величин обратного и попутного потоков однородность кабеля принято нормировать по величине входного коэффициента отражения /ду, косвенно оцениваемого по доступной измерению величине коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) в рабочем диапазоне частот [1]. Однако измерение КСВН возможно только в готовом кабеле.

Известно соотношение, связывающее КСВН с величиной входного коэффициента отражения [2]:

ксвн = 1+\Г>}Х-\

здесь 2 о - среднее (номинальное) значение волнового сопротивления кабеля; I ~ длина кабеля;

у = а + - коэффициент распространения электромагнитной волны;

а - коэффициент затухания;

Р - коэффициент фазы;

х - осевая координата по длине кабеля.

где / - частота электрического сигнала;

Уе - скорость распространения электромагнитной волны по кабелю; а 0 - числовой коэффициент, определяемый типом кабеля.

Выражение (1) записано для входного коэффициента отражения (х = 0). Тогда входной коэффициент отражения для произвольной точки кабеля с координатой х для бесконечно длинного кабеля определяется выражением

где <р - вспомогательная переменная.

Внедрение международного стандарта системы управления качеством ИСО-9000 требует "прозрачности” качественных показателей на всех этапах технологического цикла и прогнозируемое™ эксплуатационных свойств продукции на всех этапах ее изготовления.

Декомпозиция эксплуатационного критерия приводит к обоснованным технологическим показателям качества для отдельных технологических операций производственного цикла изготовления кабеля.

Выбор основного эксплуатационного критерия обусловлен необходимостью достижения максимальной пропускной способности кабельных линий связи, определяемой параметрами передачи в заданном диапазоне частот [4]. Так, свойства коаксиальных пар в широкой области частот оцениваются по частотной зависимости затухания, которую можно разделить на две части. Первая, связанная с потерями в проводниках и диэлектрике, зависит от свойств материалов, из которых изготавливается кабель. Вторая, вызываемая отражениями сигналов от внутренних нерегулярностей коаксиальной пары, может быть минимизирована путем оптимизации управления параметрами кабеля, формируемыми в ходе технологических процессов его изготовления. Эта составляющая характеризуется также частотной характеристикой входного коэффициента отражения, связанной с функцией изменения волнового сопротивления коаксиального кабеля 2 по его длине *.

Поэтому важнейшим параметром коаксиального кабеля, определяющим его качество как канала связи, является однородность его волнового сопротивления по длине кабеля [3].

Известная детерминированная модель [1] формирования волнового сопротивления построена на основании аналитической зависимости

где I - погонная индуктивность коаксиального кабеля;

С - погонная емкость коаксиального кабеля;

1Л0- абсолютная магнитная проницаемость вакуума;

[лг- относительная магнитная проницаемость среды между проводниками; е0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума;

£г - относительная диэлектрическая проницаемость среды между проводниками; В - внутренний диаметр внешнего проводника;

(2)

наружный диаметр внешнего проводника; кл - толщина ленты (внешнего проводника); ё - диаметр внутреннего проводника.

Данная формула справедлива в области высоких частот от 60 кГц и выше, которые практически используются в коаксиальных кабелях. В формуле (2)

-9

10 , ео=~ [Ф-м-1]; ц0 = А л 10-7 [Гн. м-1]; Зо ж

I = ёяВ.\Г1—-,

2 к А

с = 2к£,.£г

А

При производстве коаксиальных кабелей (при отсутствии явного брака - непроваров на внешнем проводнике) всегда соблюдается условие О >23/, что обеспечивается отрицательным допуском на диаметр изоляции Д на операции изолирования. Тогда погонная емкость коаксиального кабеля может быть определена как емкость двухслойного цилиндрического конденсатора:

с=______2л£-е-_______• т

,0.0,' (3>

1П-----Ь 1п —-

пп Д й

здесь £пп - относительная диэлектрическая проницаемость пенопластовой изоляции;

Д - диаметр изоляции.

Выражение (2) с учетом (3) определяет связь эксплуатационного параметра качества коаксиального кабеля - волнового сопротивления с технологическими параметрами качества П которые могут контролироваться и управляться на отдельных операциях изготовления коаксиального кабеля: диаметром внутреннего проводника, относительной диэлектрической проницаемостью и диаметром изоляции, внутренним диаметром внешнего проводника.

„ , , „ 32

С учетом коэффициентов чувствительности л} волнового сопротивления к техно-

логическим параметрам качества П] имеем для полной производной зависимости 2(х):

А2=^зг_ ал;

Ах дП1 Ах

Отсюда получаем выражение для линейного приближения вариации волнового сопротивления при достаточно малых воздействиях по приращениям частных параметров качества относительно номинального режима, характеризуемого «-мерным вектором

Пн = (П]Н), ; = 1,и :

82

£ ап,

■ДЯД*) = £*,ДЛ,00. (4)

;=1

Зависимость (4) характеризует взаимосвязь отклонения А2(х) волнового сопротивления кабеля от своего номинального значения, рассматриваемого в качестве эксплуатационного показателя качества, с отклонениями технологических параметров качества кабеля от своих номинальных значений.

Коэффициенты чувствительности Щ волнового сопротивления по технологическим параметрам качества рассчитываются при номинальных значениях параметров.

Полученная модель является основой для формулирования комплексных критериев качества, используемых при синтезе систем управления процессами производства коаксиальных кабелей, в частности, при синтезе систем автоматизации наложением изоляции. Цель контроля и законы регулирования всех контуров многоконтурной системы управления технологическими процессами кабельного производства должны формироваться с учетом математических мо-

делей как управляемого технологического процесса, так и эксплуатационных показателей качества изготавливаемых кабелей, формируемых в его ходе.

Отличительными особенностями коаксиальных кабелей связи является их широкополое-ность, наличие высоких требований к однородности волнового сопротивления. Все это накладывает жесткие ограничения на нерегулярности электрических и геометрических параметров кабеля, формируемых, в частности, на операции изолирования. Выполнение указанных требований возможно только при широком применении автоматизации контроля и управления качеством на всех операциях кабельного производства [5, 6, 7].

Существующие системы управления процессом изолирования [6], как правило, строятся:

- как системы стабилизации, в которых регулирование осуществляется по отклонению контролируемого параметра от уставки;

- как системы подчиненного регулирования, в которых внешний контур регулирования используется, чтобы регулировать уставку внутреннего контура регулирования;

- как многоконтурные системы регулирования двух и более взаимозависимых величин, в которых используются развязывающие звенья, компенсирующие взаимное влияние отдельных контуров регулирования.

Особенностью экструзионной линии как объекта управления является наличие ванны охлаждения - звена с большим транспортным запаздыванием. Величина транспортного запаздывания т в общем случае является переменной и определяется по формуле

где - расстояние от головки пресса до места установки датчиков (обычно - общая длина

ванн охлаждения);

V - скорость изготовления кабеля.

Но, как известно [8], время регулирования систем с транспортным запаздыванием при использовании ПИД-регуляторов можно получить порядка (4-н6)г, что соответствует пространственным неоднородностям контролируемых параметров по длине кабеля Ь = (4-^-6) Для

уменьшения времени регулирования, чтобы система была в состоянии отрабатывать неодно-

родности параметров качества с меньшими пространственными периодами, необходимо размещать датчики контролируемых параметров по возможности ближе к головке пресса. Обычно они размещаются в конце последней ванны охлаждения, где контролируемые параметры считаются полностью сформировавшимися.

Известно, что максимальная частота передаваемого по кабелю электрического сигнала (верхняя частота рабочего диапазона кабеля) /я определяет максимальную частоту взаимодействующих с ним пространственных неоднородностей gm^ регулируемых параметров кабеля следующим образом [3]:

g ='М±1 (5)

о шах у ' V*'/

е

Соответственно, минимальный пространственный период неоднородностей, которые должны быть устранены системой регулирования, можно представить в виде

Аы,-------— . (6)

3 тах

С другой стороны, как отмечается в [5], неоднородности контролируемых параметров с пространственным периодом менее шестикратного расстояния от головки пресса до контролирующих датчиков не могут быть скорректированы системой управления, т.е.

ЬкЩ1Я>6£в=6Г-т. (7)

Тогда с учетом (5) (7) может быть сформулировано требование к величине максимально-

го транспортного запаздывания в системе управления процессом изолирования:

К

т<-------2—.

12/лУ

Например, распределительные коаксиальные кабели для систем кабельного телевидения (CATV) имеют верхнюю частоту полосы пропускания 300 МГц. В соответствии с (5) и (6) период пространственных неоднородностей контролируемых параметров, которые должны быть отработаны системой регулирования, составляет 0,35 м. Расстояние же от головки пресса до датчиков, измеряющих погонную емкость жилы и диаметр ее по изоляции, составляет порядка 15 м. Следовательно, система стабилизации может отработать неоднородности контролируемых параметров с пространственным периодом не менее 60 м, а потому непригодна доя управления процессом изготовления кабеля с требуемой частотной полосой пропускания.

Предлагается управлять процессом изолирования по параметрам, контролируемым в кабельной головке: по давлению и температуре расплава изоляции. Эти параметры формируют непосредственно не контролируемые переменные состояния технологического процесса наложения изоляции: массу изоляции на единицу длины кабельной жилы - g и относительную диэлектрическую проницаемость изоляции - £пп [7], которые в существующих системах управления лишь косвенно оцениваются по измеряемым на линии с помощью соответствующих датчиков диаметру изоляции и ее погонной емкости.

Функциональная схема системы управления процессом наложения кабельной изоляции

В соответствии с вышеизложенным предлагается следующая функциональная схема системы управления процессом наложения изоляции (см. рисунок). На схеме Pt ,Р — регуляторы,

а ИМ( ИМ i - исполнительные механизмы контуров регулирования, ОУ- объект управления,

ФНЧ- фильтр низкой частоты.

Предлагаемый подход к синтезу многоконтурной системы управления экструзионной линией позволит осуществить изготовление изолированной кабельной заготовки гарантированного качества, обеспечивающей формирование требуемого эксплуатационного показателя качества готового коаксиального кабеля - волнового сопротивления в заданной частотной полосе пропускания.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИ СПИСОК

1. Гроднев И.И., Фролов П.А. Коаксиальные кабели связи. М.: Радио и связь, 1983. 208 с,

2. Дорезюк Н.И., Попов М. Ф Радиочастотные кабели высокой регулярности. М.: Связь, 1979. 104 с.

3. Дорезюк Н.И. Гармонический анализ периодических неоднородностей волнового сопротивления коаксиальных кабелей. Электротехническая промышленность. Сер. Кабельная техника, 1974, № 6. С. 18-22.

4. Чостковскгш S.K.. Попов М.Ф., Булъхин А. К. Методы и средства автоматизированного контроля и управления в технологических процессах производства кабелей связи. // Вестн. Самар, гос. техн. ун-та. Сер. Технические науки. Самара, 2000. Вып. 8. С. 50-62.

5. Merki И.А. Control of diameter and capacitance of products with cellular insulation. Wire Ind., 1983. V. 50. Na 389.

P. 39-42.

6. Steeber C.F. Proccss control for extrusion of foam communications cables. Wire and Wire Prod,, 197). V. 46. № 10. P. 86-91.

7. Митрошш В. Я, К синтезу систем управления процессом наложения пористой кабельной изоляции на одно чер-

вячном экструдере // Вестн. Самар, гос. техн. ун-та. Сер. Технические науки. 1998. Вып. 5. С. 157-158.

8. Гурецкий X. Анализ и синтез систем управления с запаздыванием. М.: Машиностроение, 1974. 328 с.