5. Система автоматического управления процессом намотки и раскладки оптического волокна

Улучшение качества выпускаемых оптических волокон, а также увеличение объема его производства может быть достигнуто путем использования эффективных средств контроля и управления технологическим процессом.

Одну из важных ролей в повышении выработки и улучшении качества оптических волокон играет система автоматического регулирования намотки и раскладки волокна. Необходимым условием изготовления высококачественных оптических волокон является стабильность заданного значения силы натяжения волокна и недопущение его перегибов при раскладке на бобине.

Система управления процессом намотки-раскладки состоит из двух каналов, один из которых обеспечивает стабилизацию натяжения волокна при намотке на приемную бобину, второй канал – раскладку волокна с определенным шагом. На рисунке 7 показана функциональная схема системы управления намоткой – раскладкой.

Рисунок 7 – Функциональная схема системы управления намоткой – раскладкой оптического волокна.

Оптическое волокно, прошедшее вытяжной барабан направляется к роликовому компенсатору, задающему величину натяжения при намотке. Роликовый компенсатор обеспечивает компенсацию натяжения нити волокна при изменении скорости намотки приёмной бобины. Текущее значение натяжения определяется с помощью “танцующего” ролика, положение которого преобразуется в электрический сигнал. Угол поворота “танцующего” ролика преобразуется в электрический сигнал с помощью схемы, предложенной в работе [10]. Сигнал рассогласования между текущим и заданным значениями натяжения поступает на вход блока управления. Выход линейного регулятора, через блок ключей (устройство управления) соединен с шаговым электроприводом намотки – ШД-1, который осуществляет вращение приемной бобины с заданной частотой и изменяет ее при отклонении положения “танцующего” ролика от заданного. Электродвигатели раскладки и намотки взаимодействуют с блоком управления. На рисунке 8 представлена схема двухканальной системы управления.

Рисунок 8 – схема двухканальной системы управления.

Одновременно после обработки сигнала рассогласования между текущим и заданным значениями натяжения с блока управления по второму каналу идёт управляющий сигнал через блок ключей на электродвигатель раскладки – ШД-2, который начинает своё вращение с заданной частотой приводя в действие раскладчик, осуществляющий раскладку оптического волокна с определённым шагом. Величина шага зависит от диаметра волокна, который задаётся программой блока управления. Блок управления представляет собой программируемый логический контроллер, где с помощью программ задается закон управления данного технологического процесса.

Направляющая раскладки обеспечивает сохранность волокна от перегибов в процессе его раскладки на приемной бобине.

Ширина зоны раскладки задается с помощью датчиков концевых положений ДКП1–ДКП4, которые, при достижении раскладчиком заданных положений, обеспечивают реверс шагового двигателя раскладки.

Из рассмотрения технологической схемы вытяжки волокна следует, что после вытяжного барабана оптическое волокно через задатчик и датчик натяжения поступает на узел намотки и раскладки волокна. Таким образом, при прохождении волокна через контактные средства контрольно-измерительных устройств, а также в процессе его намотки и раскладки, важно не допускать перегибания, пережимания волокна, а необходимо сохранять постоянство натяжения волокна в заданных пределах. Для обеспечения выполнения указанных требований необходимо обеспечить взаимосвязь двигателя намотки с двигателем перемещения раскладчика.

В системе управления используются два однотипных электропривода, реализованных на базе шаговых двигателей типа ШД-FL86STH. В связи с высокими требованиями к динамическим качествам этих приводов в данной схеме, как и в схеме рассмотренной выше, используется двухфазный алгоритм управления переключением фаз двигателя.

Вместе с тем, можно отметить и общий недостаток всех шаговых двигателей – качания ротора, обусловленные импульсным возбуждением обмоток. При низкой частоте коммутации они проявляются в форме свободных колебаний ротора, сопровождающих отработку каждого шага. В области высоких частот имеют место вынужденные колебания скорости относительно ее синхронного значения.

Устойчивость движения можно улучшить, введя дополнительную модуляцию фазных токов. Такой способ управления шаговым двигателем получил название электрического дробления шага. Он эквивалентен увеличению числа фаз шагового двигателя.

Модуляция фазных напряжений (токов) в шаговом двигателе, с малым числом фаз, увеличивает число электрических состояний поля статора и, в пределе, сводится к непрерывному изменению фазных токов в его обмотках. Это позволяет получать низкие и сверхнизкие скорости движения и уменьшать значение основного шага, как в целое, так и в дробное число раз.

На рисунке 9 приведена функциональная схема шагового электропривода с высокочастотной коммутацией фазных токов двигателя. Схема состоит из трех основных узлов. Первый узел – генератор и логический блок, реализуется программно и обеспечивает заданный режим управления процессом переключения фаз двигателя. Как уже указывалось, в данной схеме используется двухфазный режим, при котором в каждый текущий момент времени во включенном состоянии находятся две фазы двигателя.

Рисунок 9 – Функциональная схема шагового электропривода с высокочастотной коммутацией фазных токов двигателя.

Сигналы с выхода логического блока поступают на входы верхнего плеча инвертора, состоящего из набора силовых транзисторов, обеспечивающих подключение соответствующих фаз двигателя к источнику питания. Силовые транзисторы нижнего плеча инвертора находятся в состоянии насыщения. Как только переводится в состояние насыщения транзистор верхнего плеча и через соответствующую фазу двигателя потечет ток, датчик тока, представляющий собой обычный резистор малого номинала и большой мощности, формирует электрический сигнал, который поступает на формирователь и заставляет последний перевести транзистор нижнего плеча в состояние отсечки. Таким образом, начинается режим высокочастотного переключения фазы двигателя в течение времени включения транзистора верхнего плеча.

На рисунке 10 приведена схема инвертора, состоящего из верхнего и нижнего плеча. Между верхним и нижним плечом включены обмотки шагового электродвигателя.

Рисунок 10 – Схема инвертора.

Последовательно с силовыми транзисторами нижнего плеча инвертора включены резисторы, на которых при прохождении фазного тока, формируется падение напряжения. Это напряжение поступает в схему формирователя, где производится компарирование этого сигнала с опорным, в результате чего формируется управляющий сигнал, переводящий соответствующий транзистор нижнего плеча инвертора в режим высокочастотного переключения. Частота переключений фазы двигателя фактически зависит от динамических свойств силового транзистора нижнего плеча и формирователя.

Аналогичный электропривод может с успехом быть использован для выполнения и другой важной операции – регулируемой подачи заготовки в процессе ее вытяжки, в зону нагрева.