Структурный синтез системы управления процессом вытяжки градиентных оптических волокон

Размещено на http://www.allbest.ru/

Структурный синтез системы управления процессом вытяжки градиентных оптических волокон

Д.Б. Чостковский Чостковский Дмитрий Борисович - заместитель директора по информатизации.

Башня вытяжки оптического волокна рассмотрена как объект управления. Выявлены управляющие и возмущающие воздействия. Предложена система управления башней вытяжки, которая обеспечивает необходимую эффективность управления как в стационарном режиме вытяжки, так и в переходных режимах.

Ключевые слова: оптическое волокно, башня вытяжки, натяжение вытяжки, диаметр волокна, автоматическое управление.

Современные волоконно-оптические линии связи обладают максимальной полосой пропускания, которая линейно зависит от длины кабеля и измеряется в удельных единицах, обычно в МГц/км (мегагерц на километр). Так, оптоволоконный кабель с характеристикой 100 МГц/км при длине 100 метров будет иметь полосу пропускания 1 ГГц.

Основой оптоволоконного кабеля является диэлектрический волновод, так называемое оптическое волокно (ОВ). Во многих оптоволоконных системах, например в локальных сетях, используются многомодовые градиентные ОВ.

Градиентные волокна вытягиваются из цилиндрической заготовки (преформы), которая за счёт сложного легирования имеет плавное уменьшение показателя преломления от центра к внешней поверхности по параболическому закону.

Такой профиль показателя преломления получает и вытягиваемое ОВ, что определяет минимальную величину затухания передаваемого светового луча, например, 0,22 дБ/км.

Существенное влияние на оптические характеристики ОВ оказывает процесс вытяжки волокна из преформы, осуществляемый на установке, которую обычно называют башней вытяжки.

На рис. 1 показана функциональная схема башни вытяжки фирмы Heathway, оснащённой средствами контроля и управления.

Преформа зажимается в патроне узла подачи 1, который подаёт её в графитовую высокотемпературную печь 7; температура печи измеряется пирометром 8 и с помощью управляемого источника питания 2 может изменяться до 2200 °С.

Газовые инжекторы бесконтактного датчика натяжения 3 обеспечивают знакопеременный поток инертного газа (азота), обусловливающего поперечные перемещения ОВ, размах которых Н(t) и позволяет выполнять косвенную оценку натяжения вытяжки в соответствии с алгоритмом [1]:

, (1)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1. Функциональная схема АСУ ТП вытяжки волокна:

1 - узел подачи и позиционирования заготовки; 2 - генератор тока нагревательного элемента;

3 - узел питания газовых инжекторов датчика натяжения; 4 - узел питания и позиционирования фильеры первичного покрытия; 5 - узел питания и позиционирования фильеры вторичного покрытия; 6 - электропривод тягового устройства; 7 - высокотемпературная печь; 8 - оптический пирометр; 9 - лазерный измеритель диаметра и осевого положения волокна; 10 - охлаждающая камера; 11 - лаковая фильера первичного покрытия; 12 - ультрафиолетовая печь первичного покрытия; 13 - лазерный измеритель диаметра; 14 - измеритель эксцентричности покрытия; 15 - лаковая фильера вторичного покрытия; 16 - ультрафиолетовая печь вторичного покрытия; 17 - измеритель натяжения; 18 - тяговое устройство; 19 - приёмное устройство

где с - константа, определяемая сечением сопла инжекторов и величиной газового потока Q (5 л/мин); d(t) - текущий диаметр вытягиваемого ОВ, измеряемый лазерным датчиком диаметра и поперечного положения ОВ; Н(t) - размах поперечных перемещений ОВ за счёт знакопеременного газового потока, измеряемый тем же датчиком.

Для обеспечения прочности ОВ в условиях изгиба оно покрывается акриловым лаком, проходя лаковые фильеры первичного 11 и вторичного покрытия 15. вытяжка стационарный управление разгон

Нанесённый слой покрытия подвергается обработке ультрафиолетовым облучением в низкотемпературных печах 12 и 16.

Диаметр и эксцентричность лакового покрытия измеряется соответствующими датчиками 13 и 14.

Скорость вытяжки ОВ задаётся скоростью вращения тянущего колеса тягового устройства 16, после которого ОВ поступает на катушку приёмного устройства 19.

Башня имеет 3 режима работы: заправка, разгон, вытяжка.

При заправке преформы производится её закрепление в патроне узла подачи 1. Нижний конец преформы вводится в разогретую до 2100 °С графитовую высокотемпературную печь (ВТП); после появления на конце преформы капли расплава она протягивается вниз и отрезается. Далее волокно протягивается через все устройства башни, включая фильеры первичного покрытия 11 и вторичного покрытия 15 акриловым лаком.

Устанавливается начальный режим работы с небольшими начальными значениями скорости разгона преформы V_п и скорости вытяжки V_тн (обычно 10 м/мин).

Далее следует режим разгона башни.

По стандартной технологии ведущих фирм оператор башни ступенчато увеличивает скорость подачи преформы V_п и, наблюдая за индикатором датчика диаметра, вручную увеличивает скорость вытяжки V_т, добиваясь поддержания текущего диаметра на уровне 125мm.

Рис. 2. Диаграмма режима разгона вытяжки:

1 - диаметр волокна; 2 - скорость вытяжки

Такая процедура приводит к длительному времени разгона и уменьшению «выхода годного» вплоть до 70%.

На рис. 2 показаны диаграммы изменения скорости вытяжки и диаметра ОВ, зарегистрированные в штатном режиме разгона башни Heathway. Эти диаграммы позволили рассчитать временную зависимость поступления расплава из луковицы в вытягиваемое оптическое волокно Q(t):

. (2)

Данная зависимость, показанная на рис. 3, может рассматриваться как кривая разгона зоны перетяжки, рассматриваемой, в свою очередь, как объект управления, входным воздействием которого является изменение скорости подачи преформы V_п, а выходным воздействием - величина потока расплава Q(t).

Рис. 3. Кривая разгона зоны перетяжки

Предлагается принципиальное изменение управления башни в режиме разгона путём перехода от ручного управления к автоматическому, с введением в систему управления, показанную на рис. 4, блока Модель, формирующего задающее воздействие привода тяги, подаваемого через коммутатор К. Временная зависимость данного воздействия следует из выражения (2) как функция V_т(t), которая при переменном потоке расплава Q(t) обеспечивает равенство диаметра волокна его заданному номинальному значению d₀.

Кроме статической зависимости (2), отражающей связь желаемой функции

V_т (t) c Q(t), алгоритм функционирования блока Модель должен учитывать и динамический характер зависимости Q(t) от величины задающего воздействия скорости подачи преформы V_п0, которое формируется оператором башни.

Эта динамическая зависимость описана в форме передаточной функции, построенной по кривой разгона (рис. 3).

Учитывая дискретный характер автоматического управления процессом вытяжки с интервалом квантования по времени Т₀, адекватной следует считать ту математическую модель формирования потока Q(t), в соответствии с которой объёмы расплава, поступающего из зоны перетяжки в вытягиваемое волокно в течение каждого интервала времени Т₀, должны соответствовать этим же объёмам, определяемым как площади под кривой Q(t) на каждом такте Т₀.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Функциональная схема САУ диаметра волокна

Отсюда следует, что наилучшим методом построения динамической модели является метод М.П. Симою [2].

Данным методом выполнена оценка параметров дифференциального уравнения, которому соответствует передаточная функция

, (3)

где S_n - коэффициент передачи в статике, равный площади поперечного сечения вытягиваемой преформы.

С учетом того, что блок Модель реализуется как некоторый цифровой алгоритм, по кривой разгона методом наименьших квадратов построена нормированная дискретная модель:

. (4)

При введении в состав системы автоматического управления блока Модель его выходное воздействие подается на вход коммутатора К с начала разгона до достижения величиной скорости вытяжки заданного номинального значения .

Данная структура системы управления обеспечивает нужную эффективность управления как в стационарном режиме вытяжки, так и в переходных режимах, когда без остановки башни меняется скорость подачи преформы. Эксплуатация системы способствует увеличению «выхода годного» до 90%.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент РФ №2154812, МПК G 01 L 5/10. Устройство измерения натяжения вытяжки оптического волокна / Б.К. Чостковский, Д.Б. Чостковский, Г. Штайнике, М. Виттманн. - БИ №23, 2000.

2. Стефани Е.П. Основы расчета настройки регуляторов теплоэнергетических процессов. - М.: Энергия, 1972. - 376 с.

Размещено на Allbest.ru