張貴生，朱艷娜，倪廉欽(安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

芳綸被復(fù)線是野外條件下軍隊(duì)用來為野戰(zhàn)指揮所提供野戰(zhàn)通信和應(yīng)急通信信道的電話線[1-2]，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、價(jià)格低廉、柔韌性好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)[3-5].

1 芳綸被復(fù)線工藝簡述

芳綸被復(fù)線由束絲、絕緣擠塑、雙絞、成卷四道工序加工而成，每道工序都包含不同設(shè)備和工藝[6-7].束絲工序負(fù)責(zé)將鍍錫銅絲和芳綸紗線絞合成直徑為0.7 mm左右的束絲芯；絕緣擠塑工序負(fù)責(zé)將絞合出來的束絲芯包覆一層壁厚大于0.4 mm的護(hù)套，形成外徑為1.9～2.1 mm且光滑圓整、壁厚均勻的絕緣單線；雙絞工序負(fù)責(zé)將兩根長度相同的絕緣單線絞合在一起，形成外徑小于4.2 mm且絞距均勻、外觀光潔的雙絞線；最后，通過成卷工序形成標(biāo)準(zhǔn)段長成卷被復(fù)線.

1)束絲工序.束絲是由四根鍍錫銅絲和一根芳綸紗線按照一定的絞距絞合而成，其生產(chǎn)設(shè)備按放線順序依次由放線架、高速絞線機(jī)組合而成.其中，放線架主要包括被動(dòng)式和主動(dòng)式，被動(dòng)式放線架價(jià)格低廉但張力不穩(wěn)、調(diào)節(jié)困難；主動(dòng)式放線架張力穩(wěn)定、調(diào)節(jié)方便但價(jià)格昂貴.高速絞線機(jī)內(nèi)置測速器、絞合模具、絞弓、絞距調(diào)節(jié)輪和收線盤等機(jī)械結(jié)構(gòu)，是最主要設(shè)備.在實(shí)際生產(chǎn)中，由于芳綸紗線長度不均勻、鍍錫銅絲質(zhì)量不過關(guān)，往往會(huì)出現(xiàn)芳綸紗線段長分配不足、高速時(shí)鍍錫銅絲突然斷裂等問題，形成大量非標(biāo)段長，進(jìn)入雙絞工序時(shí)配盤困難，浪費(fèi)嚴(yán)重.

2)絕緣擠塑工序.絕緣擠塑是將束絲芯按照一定的擠塑方式包覆一層絕緣護(hù)套.擠塑方式主要采用擠壓和擠管兩種模式，其中，擠壓式擠塑穩(wěn)定、外徑平穩(wěn)，對束絲芯絞距和絞合緊密度要求較低，但穿線和調(diào)偏心困難、外觀光澤度不夠、壁厚不均勻且不易達(dá)標(biāo)，束絲芯絞距較大時(shí)采用此法較為合適；而擠管式的穿線容易、外觀光澤明亮、壁厚均勻且符合要求，但擠塑不穩(wěn)、錐度難于控制，束絲芯進(jìn)線時(shí)波動(dòng)大、易鼓包，對束絲芯絞距和絞合緊密度要求較高，束絲芯絞距較小時(shí)采用此法較為合適.在實(shí)際生產(chǎn)中，由于工人操作和生產(chǎn)設(shè)備的原因，會(huì)出現(xiàn)擠塑斷裂、束絲抖動(dòng)嚴(yán)重、擠塑錐度不平穩(wěn)、計(jì)米精度低等問題，造成絕緣單線段長不足，雙絞配盤困難.

3)雙絞機(jī).雙絞工序是將兩根絞距相同、長度相等、擠塑方式相同的絕緣擠塑，按照一定絞合方向和絞距絞合在一起.雙絞配盤是提高絕緣單線利用率、減少浪費(fèi)的有效手段，其目的是保證雙絞后被復(fù)線長度為500 m倍數(shù)，絕緣單線的實(shí)際長度是雙絞配盤的關(guān)鍵所在.

4)成卷機(jī).成卷工序是被復(fù)線生產(chǎn)的最后一道工序，主要負(fù)責(zé)將雙絞工序生產(chǎn)出來的大長度雙絞線截?cái)喑蓸?biāo)準(zhǔn)段長捆扎起來，成卷被復(fù)線是否可正常通信、中間是否有斷點(diǎn)，是生產(chǎn)后的必檢項(xiàng)目.

2 巡檢系統(tǒng)測長原理

巡檢系統(tǒng)主要包括絕緣單線測長和斷點(diǎn)測長兩部分功能，用于檢測雙絞前絕緣單線的實(shí)際有效長度和成卷后的斷點(diǎn)長度，便于雙絞配盤和成卷質(zhì)量檢測，提高原材料利用率和檢測精度.

2.1 雙絞前絕緣單線測長原理

被復(fù)線國標(biāo)規(guī)定成卷段長為(500±5)m，為降低絕緣單線浪費(fèi)量、提高使用率，在雙絞工序前，將絕緣單線進(jìn)行段長匹配，確保額外余量最少.在實(shí)際生產(chǎn)中，絕緣單線長度在絕緣擠塑工序中受計(jì)米誤差、高速延誤、擠塑斷裂等因素影響，成盤米數(shù)誤差較大.因此，通常采用稱重法或直流電阻法重新測量，以實(shí)現(xiàn)段長的最佳匹配.稱重法是稱取成盤絕緣單線的重量來推算其長度，但由于擠塑方式、外徑、壁厚、空盤質(zhì)量等參數(shù)存在較大差異，稱重法對外部條件要求苛刻，準(zhǔn)確度和可靠性較低；直流電阻法是通過測量絕緣單線電阻值的方法來計(jì)算長度，所采用的直流電阻儀體積笨拙、測量后計(jì)算繁瑣，此外，隨環(huán)境溫度而變化的電阻值會(huì)嚴(yán)重影響計(jì)算長度，測量誤差較大.為獲取更加精確的絕緣單線長度，本文設(shè)計(jì)了一種輕便型巡檢系統(tǒng)，測長前先進(jìn)行單位電阻值校準(zhǔn)，有效規(guī)避溫度干擾，通過兩次測量的電阻比值求取絕緣單線長度，提高計(jì)算精度.其測長步驟如下：

1)單位電阻值校準(zhǔn)

取一盤標(biāo)準(zhǔn)段長(即螺旋長度為500 m)的成卷被復(fù)線作為基準(zhǔn)盤，基準(zhǔn)盤為測長實(shí)驗(yàn)專用被復(fù)線，應(yīng)妥善保管.設(shè)雙絞機(jī)絞入率為η，成卷后一根絕緣單線直線長度為Y(含螺旋長度和絞入長度)、兩端施加電壓為U1、電流為I1、直流電阻為R1，則基準(zhǔn)盤中每米絕緣單線電阻值R0的計(jì)算公式為：

(1)

2)待測盤精準(zhǔn)測量.

單位電阻值校準(zhǔn)后，設(shè)待測盤絕緣單線兩端施加電壓為U2、電流為I2、直流電阻為R2、直線長度為x，則：

(2)

其中：U1、U2、I1、I2為測量值，η為已知量.為有效規(guī)避電阻的溫控效應(yīng)，提高測長精度，將計(jì)算公式(2)編入軟件程序中，系統(tǒng)可自動(dòng)計(jì)算出待測盤的絕緣單線直線長度x.

2.2 成卷后斷點(diǎn)測長原理

雙絞、成卷過程中，雙絞機(jī)和成卷機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的諸多不確定因素可能導(dǎo)致絕緣單線內(nèi)部出現(xiàn)斷點(diǎn)，阻斷通信，為準(zhǔn)確推算斷點(diǎn)長度，提出一種電容法斷點(diǎn)測長思路.根據(jù)芳綸被復(fù)線雙絞結(jié)構(gòu)及電容器特性可知，彼此絕緣又相互靠近的兩根絕緣單線可等效為電容器[8]，如圖1所示.

絕緣單線縱向剖面s等效為電容器極板正對有效面積S，絕緣單線有效直線長度l等效為電容器極板長度L，絕緣單線直徑m等效為電容器極板寬度M，則S等效公式為：

s=ml=ML=S

(3)

可推算出等效電容器的電容C計(jì)算公式為：

(4)

其中：絕緣單線直徑m、介電常數(shù)ε、靜電力常量k、極板間距d皆為固定值，因此，電容C與絕緣單線有效直線長度l成正比.

圖1 等效電容器示意圖Figure 1 Schematic diagram of equivalent capacitor

設(shè)定成卷被復(fù)線兩根絕緣單線皆處于完整狀態(tài)時(shí)的電容值為C0、絕緣單線有效直線長度為l0、電容器極板正對有效面積為S0.當(dāng)一根或兩根絕緣單線在某處斷開時(shí)，設(shè)定最短絕緣單線有效直線長度為l1、電容器極板正對有效面積為S1、電容為C1，由式(4)可得出：

(5)

設(shè)β=l0/C0，以基準(zhǔn)盤為測量標(biāo)準(zhǔn)，則β為固定值；此外，將成卷被復(fù)線一端開路，另一端兩根導(dǎo)線分別接入巡檢系統(tǒng)兩輸入端，可測出等效電容C1，根據(jù)公式(5)就可計(jì)算出l1，即接入點(diǎn)到最近斷點(diǎn)的絕緣單線直線長度.再通過最短絕緣單線直線長度l1與對應(yīng)螺旋長度N1之間的計(jì)算公式：N1=l1/(1+η)，可得出：

(6)

N1即為接入點(diǎn)到最近斷點(diǎn)之間的螺旋長度(簡稱斷點(diǎn)長度)，計(jì)算值N1與成卷機(jī)上計(jì)米長度對比可判斷出此盤雙絞線是否為完整品.

3 巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 總體設(shè)計(jì)方案

巡檢系統(tǒng)硬件電路總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，包括控制單元、測量單元和人機(jī)界面.在單片機(jī)的協(xié)調(diào)處理下，首先通過參數(shù)錄入窗口將雙絞機(jī)絞入率η、基準(zhǔn)盤比值β等已知參數(shù)錄入系統(tǒng)作為軟件程序中初始定義值.然后通過功能選擇鍵選取絕緣單線測長或斷點(diǎn)測長功能，當(dāng)選取前者時(shí)，單片機(jī)通過軟件程序打開定時(shí)器T1，無限循環(huán)輸出高電平脈沖，將電阻測量電路中的MOS管接通，點(diǎn)亮指示燈L6，之后運(yùn)用測量筆分別接入基準(zhǔn)盤和雙絞前待測盤，電壓表和電流表將測出的U1、U2、I1、I2模擬信號(hào)經(jīng)外置ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換后，傳輸至單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算與處理，最終將待測盤絕緣單線直線長度x的計(jì)算值顯示在LCD顯示窗口上；當(dāng)選取后者時(shí)，單片機(jī)輸出同樣的高電平脈沖信號(hào)將電容檢測儀表主電路內(nèi)安裝的MOS管導(dǎo)通，同時(shí)點(diǎn)亮儀表中自帶指示燈，之后將成卷被復(fù)線一端開路、另一端兩根線頭分別接入測量筆，測出的電容C1模擬信號(hào)同樣經(jīng)外置ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換后，傳輸至單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算與處理，最終將斷點(diǎn)長度N1的計(jì)算值顯示在LCD顯示窗口上.

圖2 巡檢系統(tǒng)硬件電路總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Figure 2 Overall structure design diagram of hardware circuit of inspection system

單片機(jī)具有低功耗、控制能力強(qiáng)、易編程等特點(diǎn)[9-11]，適用于電路結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)計(jì)算量少的控制系統(tǒng).結(jié)合單片機(jī)使用經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮復(fù)雜度、控制量和硬件成本，選用AT89C51單片機(jī)作為巡檢系統(tǒng)控制核心，51單片機(jī)內(nèi)設(shè)兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，具有空閑待機(jī)、掉電保護(hù)功能[12-15]；供電電源模塊提供兩條供電線路，一條將220 V交流市電直接供給電容檢測儀表，另一條采用開關(guān)電源電路將220 V交流市電轉(zhuǎn)換為5VDC供給單片機(jī)；ADC0809轉(zhuǎn)換器主要負(fù)責(zé)將測量出的電流、電壓、電容模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)提供給51單片機(jī)，其與51單片機(jī)連接電路如圖3所示.

圖3 51單片機(jī)與ADC0809轉(zhuǎn)換器連接電路圖Figure 3 51 single chip microcomputer and ADC0809 converter connection circuit diagram

電阻測量電路中直流電源為20VDC，電壓表和電流表量程分別為0～5 V、0～50 mA，精度為1‰，MOS管的選型要求最大瞬間電壓要遠(yuǎn)高于20VDC；功能選擇鍵主要包括絕緣單線測長鍵、斷點(diǎn)測長鍵、復(fù)位鍵和開關(guān)鍵，為節(jié)省51單片機(jī)I/O引腳，采用2×2矩陣鍵盤；LCD顯示窗口采用2 MHz時(shí)鐘頻率、5V供電的12864彩色液晶顯示屏，可同時(shí)控制4行16字中文顯示，其數(shù)據(jù)引腳DB0～DB7分別接入51單片機(jī)P0.0～P0.7引腳，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)傳輸.

3.2 巡檢系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

巡檢系統(tǒng)軟件依托Keil Sofeware公司研發(fā)的兼容51單片機(jī)C語言編程的Keil5開發(fā)環(huán)境，編程時(shí)須將使用者連續(xù)測長、中途暫停、節(jié)約能耗等實(shí)際情況納入程序中，以期實(shí)現(xiàn)不同工況下的自適應(yīng)狀態(tài)，提高操作便捷性和穩(wěn)定性.

程序初始化將必用資源加載至內(nèi)存待用，初值η、β給定后進(jìn)入main函數(shù)主程序，通過功能選擇開啟定時(shí)程序，設(shè)定無限循環(huán)輸出高電平脈沖信號(hào)；此時(shí)，設(shè)置無限延時(shí)程序，待系統(tǒng)獲取測定參數(shù)后自動(dòng)解除，順序進(jìn)入計(jì)算公式編輯程序，并將計(jì)算值N1或x帶入LCD顯示程序中；之后，系統(tǒng)等待是否復(fù)位選擇，當(dāng)使用者獲取計(jì)算值后，若點(diǎn)擊復(fù)位按鈕，則系統(tǒng)關(guān)閉定時(shí)程序后返回main函數(shù)主程序起點(diǎn)，依次循環(huán)；若無復(fù)位指令，系統(tǒng)再次進(jìn)入延時(shí)程序，時(shí)長1 h，此時(shí)系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，延時(shí)過程中，若系統(tǒng)獲取復(fù)位指令，則關(guān)閉定時(shí)程序并返回main函數(shù)起點(diǎn)，若延時(shí)結(jié)束指令獲取失敗，則結(jié)束程序、自動(dòng)關(guān)機(jī).巡檢系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示.

圖4 巡檢系統(tǒng)主程序流程圖Figure 4 Main program flow chart of patrol inspection system

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證本巡檢系統(tǒng)測長精度和穩(wěn)定性，進(jìn)行了實(shí)測實(shí)驗(yàn)，地點(diǎn)選擇在安徽理工大學(xué)采動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，設(shè)定絕緣測長和斷點(diǎn)測長兩次獨(dú)立實(shí)驗(yàn).

1)絕緣測長實(shí)驗(yàn).隨機(jī)選用兩盤雙絞前絕緣單線(編號(hào)1、2)，分別在室內(nèi)10 ℃恒溫和室外隨機(jī)變溫兩種條件下測量，室溫范圍5～10 ℃(與生產(chǎn)車間實(shí)際變溫環(huán)境一致)，為實(shí)驗(yàn)具備對比性，采用本巡檢系統(tǒng)、直流電阻測長法、生產(chǎn)計(jì)米三種方法.

2)斷點(diǎn)測長實(shí)驗(yàn).隨機(jī)選用兩盤成卷被復(fù)線(編號(hào)A、B)，分別在室內(nèi)10 ℃恒溫和室外隨機(jī)變溫兩種條件下測量，室溫范圍5～10 ℃(與生產(chǎn)車間實(shí)際變溫環(huán)境一致)，為實(shí)驗(yàn)具備對比性，采用本巡檢系統(tǒng)、生產(chǎn)計(jì)米兩種方法.

根據(jù)鍍錫銅絲溫控特性可知，每升溫1 ℃，電阻值增加約0.4%，此外，經(jīng)驗(yàn)獲知成卷被復(fù)線單線電阻值約為75 Ω.按上述操作步驟準(zhǔn)確操作，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，兩次實(shí)驗(yàn)在恒溫條件下，本巡檢系統(tǒng)測長數(shù)據(jù)穩(wěn)定，絕緣測長實(shí)驗(yàn)中與直流電阻法測量的長度基本一致，說明本巡檢系統(tǒng)測長準(zhǔn)確度較高，測量精度低于1‰，但絕緣測長實(shí)驗(yàn)中變溫環(huán)境下，后者測量數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，而前者數(shù)據(jù)穩(wěn)定，表明了本巡檢系統(tǒng)的原理與計(jì)算公式對溫度變化所帶來的影響具有較好的抑制效果.

5 結(jié) 語

本文在簡述芳綸被復(fù)線加工工藝的基礎(chǔ)上，為解決實(shí)際生產(chǎn)中所遇到的雙絞配盤和成卷質(zhì)量檢測問題，研發(fā)了本巡檢系統(tǒng).通過對系統(tǒng)整體布局，推導(dǎo)了雙絞前絕緣單線測長和成卷后斷點(diǎn)測長原理及其計(jì)算公式，設(shè)計(jì)了包含控制單元、測量單元和人機(jī)界面的硬件電路總體結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)描述了電路運(yùn)行流程、芯片參數(shù)和連接方式；此外，依托Keil5開發(fā)環(huán)境對51單片機(jī)編寫程序，繪制了主程序流程圖，實(shí)現(xiàn)了不同工況下的自適應(yīng)狀態(tài)；通過設(shè)置絕緣測長和斷點(diǎn)測長兩次獨(dú)立實(shí)測實(shí)驗(yàn)，對比分析了多組測量數(shù)據(jù)，得出本巡檢系統(tǒng)對環(huán)境溫度變化所帶來的測長影響具有較好的抑制效果，測長準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性較高.