光缆护套壁厚测量控制系统设计探析

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［摘要］针对现有生产线不具有对光缆外护套的壁厚及偏心度进行检测和实时控制的能力，仅以外径控制来代替壁厚间接控制而导致的护套壁厚偏差较大且调整不及时的问题，展开了光缆护套壁厚测量控制系统的设计。该系统采用先进的超声检测技术，选用国外成熟的传感器产品，能够广泛适配新接入监测设备的通信接口，硬件的采集精度、采集周期、采样范围等指标能满足实际生产需要。该系统的软件功能模块可重用、可配置、可拆卸，采用图形化的显示方式，能够直观地显示壁厚监测数据、状态，并能够记录、存储整个生产过程数据，具有数据分析、数据导出等功能，有支持与其他系统数据互通的能力。该系统采用结构化的工装将4个超声波传感器安装在冷却水槽中。该系统能够满足对光缆外护套壁厚、偏心度的实时在线测量的实际需要，实现生产过程的优化和数字化改造，提高光缆产品的成品率。

［关键词］光缆；护套壁厚；测量；控制系统

0引言

在光缆生产过程中的外护套挤塑环节，虽然客户对光缆外护套壁厚及偏心度有明确要求，但现有的生产线都不具有对光缆外护套的壁厚及偏心度进行检测和实时控制的能力，仅以外径控制来代替壁厚间接控制，只有待单位产品生产完成后，采用两端切片的方式检测，这样的控制方式不仅误差很大，且调整不及时。另外，还可能存在单位产品内、外护套不均匀的情况，而且对光缆护套的偏心度仅能依靠两端观测获得，对实际生产数据无法获知。技术手段不足带来光缆产品质量无法提高且具有很大使用风险隐患，同时也存在原材料浪费等问题（例如生产中存在实际壁厚远大于工艺要求的情况）。为此，本文设计了一套光缆护套壁厚测量控制系统，实现对光缆外护套壁厚、偏心度的实时在线测量，通过对生产过程的优化和数字化改造，以提高光缆产品的成品率和市场竞争力。

1光缆护套壁厚测量控制系统工作原理

在光缆护套壁厚测量控制系统设计时，遵循了有关国家和行业标准，利用超声检测技术对现有生产线的外护套挤塑环节进行技术改进。该系统工作原理如图1所示，通过超声探头发射超声波，超声波脉冲在透过被测物体到达材料分界面时会发生反射，反射的超声波被探头接收，通过高速数字信号处理（DSP）系统，快速精准提取发射脉冲，并精确测量二次超声波发射波在材料中传播的时间差，从而达到精确测量护套壁厚的目的［1－2］。光缆护套壁厚测量控制系统利用超声检测技术可以完成超薄的壁厚测量、最小和最大直径测量、偏心度测量以及不规则几何产品测量。

2光缆护套壁厚测量控制系统架构设计

光缆护套壁厚测量控制系统架构设计为5层，如图2（a）所示，分别是设备层、传输层、数据处理层、基础服务层和应用层［3］。设备层主要负责接入各种接口的设备，传输层负责将设备中的各种信息通过RS485总线或者以太网传输到数据处理层进行数据分发，基础服务层主要负责应用里面的一些基础服务。设计的光缆护套壁厚测量控制系统的组成和连接关系如图2（b）所示，该系统的测量频率可达2000次／s，为进一步提高测量精度，将超声波探头布放在冷却水槽远离挤塑机的末端。光缆护套壁厚测量控制系统的组成部件如表1所示。

3光缆护套壁厚测量控制系统功能实现

该光缆护套壁厚测量控制系统将采集的信息通过RS485总线，上报到工控机上进行界面显示，同时通过以太网互联技术，把整个生产线的设备进行互联，用来监视管理控制生产过程中的每条生产线及生产产品的过程数据信息，显示、统计每个产品线的工作状态。此外，该光缆护套壁厚测量控制系统利用大屏显示系统对实时生产数据、各条生产线的实时任务排单及任务完成进度做可视化展示，建立数据库，对产品实时生产数据记录，并实现记录数据与最终交付产品的对应存储的扩展能力［4］。该光缆护套壁厚测量控制系统的功能主要包括：a．精准测量光缆外护套的壁厚、偏心度；b．实时图形化显示当前壁厚、偏心度数据及状态；c．可选择存储生产过程中采集的壁厚数据；d．对壁厚出现超差情况进行提示预警；e．具有数据分析功能，能够统计分析当前生产过程中是否存在超出门限的记录、平均壁厚值与标准要求的偏差等，为现场壁厚参数调整提供依据。同时，该系统还具有良好的可扩展性，未来北向可对接制造执行系统（MES），南向可对接其他生产设备（如喷码机），实现生产数据互通。该光缆护套壁厚测量控制系统主要以实时质量控制（QC）数据进行过程监控，包括趋势图、统计过程控制（SPC）数据、统计图表等。图3（a）示出了系统实时测试的壁厚数据，图形化直观显示了最大壁厚、最小壁厚、偏心度等关键指标值，可对生产过程中壁厚出现超差情况提示预警［5－6］。图3（b）示出了正常和异常工作显示图。当系统测得壁厚数据正常时工作状态为：画面用红色显示最小壁厚，超声波传感器采样周期大于1000次／s，画面更新频率为1次／s，显示值为1s内的平均值，系统测量误差小于0．005mm。当系统测得壁厚数据异常时工作状态为：对于实际最小壁厚小于最小壁厚预警值的情况，最小壁厚两侧30°区域黄色高亮显示并声光报警；对于实际最小壁厚小于最小壁厚下限值的情况，最小壁厚两侧30°区域红色高亮显示并声光报警。图3（c）示出了系统统计分析实时生产过程中是否存在超出门限的记录、平均壁厚值与标准要求的偏差的结果。经长期跟踪，利用该系统可将较大的护套平均壁厚值与标准要求的偏差缩小0．05～0．10mm（例如由1．68mm降低至1．63mm），则可带来3％～7％的护套材料节省，显著提高光缆良品率和效益。

4总结

光缆护套壁厚测量控制系统采用先进的超声检测技术，选用国外成熟的传感器产品，能够广泛适配新接入监测设备的通信接口。系统硬件的采集精度、采集周期、采样范围等指标都能满足用户实际生产需要。系统软件功能模块可重用、可配置、可拆卸，采用图形化的显示方式，能够直观地显示壁厚监测数据、状态，并能够记录、存储整个生产过程数据，具有数据分析功能、数据导出功能等，有支持与其他系统数据互通的能力。系统采用结构化的工装将4个超声波传感器安装在冷却水槽中。此外，系统采用多种防范措施，防止误操作、漏操作和随意破坏。该光缆护套壁厚测量控制系统设计具有一定的超前性，不但能够满足当前的实际需要，实现生产过程的优化和数字化改造，而且还可满足将来进一步发展的需要。

作者:李仲杰 冯朝晖 张伟 单位:西安西古光通信有限公司 西安科杉智能科技有限公司