光纜護套壁厚測量控制系統設計探析

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［摘要］針對現有生產線不具有對光纜外護套的壁厚及偏心度進行檢測和實時控制的能力，僅以外徑控制來代替壁厚間接控制而導致的護套壁厚偏差較大且調整不及時的問題，展開了光纜護套壁厚測量控制系統的設計。該系統采用先進的超聲檢測技術，選用國外成熟的傳感器產品，能夠廣泛適配新接入監測設備的通信接口，硬件的采集精度、采集周期、采樣范圍等指標能滿足實際生產需要。該系統的軟件功能模塊可重用、可配置、可拆卸，采用圖形化的顯示方式，能夠直觀地顯示壁厚監測數據、狀態，并能夠記錄、存儲整個生產過程數據，具有數據分析、數據導出等功能，有支持與其他系統數據互通的能力。該系統采用結構化的工裝將4個超聲波傳感器安裝在冷卻水槽中。該系統能夠滿足對光纜外護套壁厚、偏心度的實時在線測量的實際需要，實現生產過程的優化和數字化改造，提高光纜產品的成品率。

［關鍵詞］光纜；護套壁厚；測量；控制系統

0引言

在光纜生產過程中的外護套擠塑環節，雖然客戶對光纜外護套壁厚及偏心度有明確要求，但現有的生產線都不具有對光纜外護套的壁厚及偏心度進行檢測和實時控制的能力，僅以外徑控制來代替壁厚間接控制，只有待單位產品生產完成后，采用兩端切片的方式檢測，這樣的控制方式不僅誤差很大，且調整不及時。另外，還可能存在單位產品內、外護套不均勻的情況，而且對光纜護套的偏心度僅能依靠兩端觀測獲得，對實際生產數據無法獲知。技術手段不足帶來光纜產品質量無法提高且具有很大使用風險隱患，同時也存在原材料浪費等問題（例如生產中存在實際壁厚遠大于工藝要求的情況）。為此，本文設計了一套光纜護套壁厚測量控制系統，實現對光纜外護套壁厚、偏心度的實時在線測量，通過對生產過程的優化和數字化改造，以提高光纜產品的成品率和市場競爭力。

1光纜護套壁厚測量控制系統工作原理

在光纜護套壁厚測量控制系統設計時，遵循了有關國家和行業標準，利用超聲檢測技術對現有生產線的外護套擠塑環節進行技術改進。該系統工作原理如圖1所示，通過超聲探頭發射超聲波，超聲波脈沖在透過被測物體到達材料分界面時會發生反射，反射的超聲波被探頭接收，通過高速數字信號處理（DSP）系統，快速精準提取發射脈沖，并精確測量二次超聲波發射波在材料中傳播的時間差，從而達到精確測量護套壁厚的目的［1－2］。光纜護套壁厚測量控制系統利用超聲檢測技術可以完成超薄的壁厚測量、最小和最大直徑測量、偏心度測量以及不規則幾何產品測量。

2光纜護套壁厚測量控制系統架構設計

光纜護套壁厚測量控制系統架構設計為5層，如圖2（a）所示，分別是設備層、傳輸層、數據處理層、基礎服務層和應用層［3］。設備層主要負責接入各種接口的設備，傳輸層負責將設備中的各種信息通過RS485總線或者以太網傳輸到數據處理層進行數據分發，基礎服務層主要負責應用里面的一些基礎服務。設計的光纜護套壁厚測量控制系統的組成和連接關系如圖2（b）所示，該系統的測量頻率可達2000次／s，為進一步提高測量精度，將超聲波探頭布放在冷卻水槽遠離擠塑機的末端。光纜護套壁厚測量控制系統的組成部件如表1所示。

3光纜護套壁厚測量控制系統功能實現

該光纜護套壁厚測量控制系統將采集的信息通過RS485總線，上報到工控機上進行界面顯示，同時通過以太網互聯技術，把整個生產線的設備進行互聯，用來監視管理控制生產過程中的每條生產線及生產產品的過程數據信息，顯示、統計每個產品線的工作狀態。此外，該光纜護套壁厚測量控制系統利用大屏顯示系統對實時生產數據、各條生產線的實時任務排單及任務完成進度做可視化展示，建立數據庫，對產品實時生產數據記錄，并實現記錄數據與最終交付產品的對應存儲的擴展能力［4］。該光纜護套壁厚測量控制系統的功能主要包括：a．精準測量光纜外護套的壁厚、偏心度；b．實時圖形化顯示當前壁厚、偏心度數據及狀態；c．可選擇存儲生產過程中采集的壁厚數據；d．對壁厚出現超差情況進行提示預警；e．具有數據分析功能，能夠統計分析當前生產過程中是否存在超出門限的記錄、平均壁厚值與標準要求的偏差等，為現場壁厚參數調整提供依據。同時，該系統還具有良好的可擴展性，未來北向可對接制造執行系統（MES），南向可對接其他生產設備（如噴碼機），實現生產數據互通。該光纜護套壁厚測量控制系統主要以實時質量控制（QC）數據進行過程監控，包括趨勢圖、統計過程控制（SPC）數據、統計圖表等。圖3（a）示出了系統實時測試的壁厚數據，圖形化直觀顯示了最大壁厚、最小壁厚、偏心度等關鍵指標值，可對生產過程中壁厚出現超差情況提示預警［5－6］。圖3（b）示出了正常和異常工作顯示圖。當系統測得壁厚數據正常時工作狀態為：畫面用紅色顯示最小壁厚，超聲波傳感器采樣周期大于1000次／s，畫面更新頻率為1次／s，顯示值為1s內的平均值，系統測量誤差小于0．005mm。當系統測得壁厚數據異常時工作狀態為：對于實際最小壁厚小于最小壁厚預警值的情況，最小壁厚兩側30°區域黃色高亮顯示并聲光報警；對于實際最小壁厚小于最小壁厚下限值的情況，最小壁厚兩側30°區域紅色高亮顯示并聲光報警。圖3（c）示出了系統統計分析實時生產過程中是否存在超出門限的記錄、平均壁厚值與標準要求的偏差的結果。經長期跟蹤，利用該系統可將較大的護套平均壁厚值與標準要求的偏差縮小0．05～0．10mm（例如由1．68mm降低至1．63mm），則可帶來3％～7％的護套材料節省，顯著提高光纜良品率和效益。

4總結

光纜護套壁厚測量控制系統采用先進的超聲檢測技術，選用國外成熟的傳感器產品，能夠廣泛適配新接入監測設備的通信接口。系統硬件的采集精度、采集周期、采樣范圍等指標都能滿足用戶實際生產需要。系統軟件功能模塊可重用、可配置、可拆卸，采用圖形化的顯示方式，能夠直觀地顯示壁厚監測數據、狀態，并能夠記錄、存儲整個生產過程數據，具有數據分析功能、數據導出功能等，有支持與其他系統數據互通的能力。系統采用結構化的工裝將4個超聲波傳感器安裝在冷卻水槽中。此外，系統采用多種防范措施，防止誤操作、漏操作和隨意破壞。該光纜護套壁厚測量控制系統設計具有一定的超前性，不但能夠滿足當前的實際需要，實現生產過程的優化和數字化改造，而且還可滿足將來進一步發展的需要。

作者:李仲杰 馮朝暉 張偉 單位:西安西古光通信有限公司 西安科杉智能科技有限公司