Исследование процесса регулирования технологических параметров при изготовлении оптических модулей с целью оптимизации эксплуатационных характеристик волоконно-оптических кабелей

Во всём мире наблюдается стремительный рост протяжённости волоконно-оптических кабелей, и Россия — не исключение. Однако развитие производства волоконно-оптических кабелей в России имеет ряд особенностей.

Наблюдающееся в последнее время значительное улучшение качества отечественного волоконно-оптического кабеля связано не только с накоплением опыта. Несколько лет назад полностью прекратился выпуск отечественного оптического волокна, качество которого оставляло желать лучшего. Отечественные фирмы-производители оптического кабеля стали потреблять импортное оптическое волокно таких признанных лидеров в этой области, как «Corning», «OFS» (бывший «Lusent»), «Fujikura», «Plasma Optic» и т. д.

С применением импортного оптического волокна связано отчасти и некоторое ослабление интереса к собственным исследованиям в этой области, хотя следует отметить возрождение отечественного производства оптического волокна фирмой «Лисма». Российские потребители приняли как должное такие достижения как рекордно низкий уровень оптических потерь и малую дисперсию сигнала. Сегодня исследования перешли на качественно более высокий уровень. В центре внимания разработчиков волоконно-оптических линий связи проблемы, связанные с дальнейшим увеличением скорости передачи, оптическое усиление, спектральное уплотнение. Безусловно, многообещающими являются и разработки новых типов оптических волокон.

Другая проблема — понимание тонкостей изготовления сердечника оптического кабеля, и в частности оптического модуля, — стала основной для производителей оптического кабеля [1 — 2]. До настоящего времени, хотя и фрагментарно, но многие стороны этой проблемы достаточно хорошо изучены [3−5]. Однако, целостные работы, которые бы отслеживали процесс изготовления оптического кабеля от оптического волокна до готового кабеля, не известны.

Общеизвестно, во всяком случае, среди производителей волоконно-оптического кабеля, что возможность применения последнего в диапазоне температур или силовых воздействий обеспечивается «избыточной длиной» оптического волокна в оптическом кабеле [6−8]. Часто по значению «избыточной длины» предпринимаются попытки оценки эксплуатационных характеристик изделий или сравнения параметров технологических процессов их изготовления. Подобный подход не всегда корректен, а иногда просто недопустим [9 — 12].

Можно утверждать, что понятие «избыточной длины» является хорошей иллюстрацией для объяснения механизма функционирования элементов конструкции кабеля, обеспечивающего неизменность параметров каналообразующе-го элемента — оптического волокна при переменных силовых и температурных воздействиях. Однако, значение «избыточной длины» в качестве параметра для сравнения технологических процессов или оценки диапазона допустимых воздействий, за редким исключением, необходимо применять с осторожностью. Связать напрямую характеристики всех используемых в конструкции кабеля материалов, технологические параметры всех операций изготовления кабеля с его эксплуатационными характеристиками возможно лишь при условии использования мощной, предельно автоматизированной базы данных и экспертных систем [13 — 14].

Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов для управления технологическим процессом изготовления оптических модулей, реализующих возможности оптимизации эксплуатационных параметров оптических кабелей с помощью регулирования технологических параметров изготовления оптических модулей и дальнейших технологических операций изготовления оптического кабеля, а также для автоматизации этого процесса на базе специализированного программного обеспечения.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

— анализ функционирования оптического модуля в составе конструкции оптического кабеля;

— определение, расчёт и исследование значения «избыточной длины» как обобщённого параметра технологической предыстории оптического модуля с целью оценки эксплуатационных характеристик оптического кабеля;

— разработка корректной методики измерения «избыточной длины» оптического волокна в оптическом модуле в условиях производства оптического кабеля;

— исследование зависимости значения «избыточной длины» от характеристик материала оболочки оптического модуля, условий его переработки, от технологических параметров изготовления оптического модуля;

— исследование изменения значения «избыточной длины» по стадиям технологического процесса изготовления оптического кабеля;

— разработка развёрнутой базы данных, накапливающей информацию по всем стадиям технологического процесса изготовления оптического кабеля;

— разработка и создание интерфейса пользователя для ввода информации в базу данных и выборки из базы данных информации о технологическом процессе производства оптического кабеля, состоянии, параметрах изделий и движении материалов по этапам технологического процесса;

Научная новизна и значимость результатов работы состоят в следующем:

1. Предложен новый подход к оценке эффективности технологического процесса изготовления оптических модулей и эксплуатационных характеристик волоконно-оптического кабеля. В качестве такого параметра выступает значение «избыточной длины» оптического волокна в оптическом модуле.

2. Разработана оригинальная методика измерения «избыточной длины» оптического волокна в оптическом модуле и оптическом кабеле в производственных условиях. Отличие методики состоит в том, что измерение длины оптического волокна и оптического модуля происходит при приложении нагрузки, значение которой определяется технологическим процессом изготовления оптического кабеля.

3. Разработана оригинальная методика оценки изменения значения «избыточной длины» оптического волокна в оптическом модуле через оценку остаточных напряжений в оболочках оптических модулей, скрученных в сердечник оптического кабеля.

4. Определён набор технологических параметров изготовления оптических модулей и оптических кабелей, позволяющий обеспечить прослеживаемость по этапам производственного процесса параметров, свойств и характеристик оптического модуля и оптического кабеля, а также накопление информации о предыстории изготовления оптического кабеля для последующей статистической обработки. Разработана структура базы данных производственного процесса изготовления оптического кабеля, в качестве основы для построения автоматизированных систем управления. Разработан графический интерфейс пользователя и создано уникальное программное обеспечение ввода, вывода и обработки информации в процессе изготовления кабеля. Все исследования, разработки и методики выполнены и внедрены на конкретном действующем кабельном предприятии ЗАО «НФ «Электропровод» в процессе работы над диссертацией в период с 1998 года по настоящее время, а именно:

— методика измерения «избыточной длины» оптического волокна в оптическом модуле в условиях производства оптического кабеля;

— параметры технологических режимов изготовления оптического кабеля, оформленные в виде карт эскизов и технологических указаний;

— база данных, накапливающая информацию по всем стадиям технологического процесса изготовления оптического кабеля;

— уникальное программное обеспечение, используемое для мониторинга технологического процесса изготовления оптического кабеля.

Материалы, включенные в диссертацию, по мере их разработки докладывались и и обсуждались на 5-й научно-технической конференции студентов и аспирантов, 1999 г., МЭИ, III международной конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», 1999 г., Россия, Клязьма, 6-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», 2000 г., МЭИ, IV международной конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», 2000 г., Россия, Клязьма, 7-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, 2001 г., МЭИ, IV международной конференции по физико-техническим проблемам электротехнических материалов и компонентов, 2001 г., Россия, Клязьма, 8-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов 2002 г. МЭИ.

Основные положения диссертации опубликованы в 15 печатных работах, указанных в списке литературы. Разработанная база данных и программное обеспечение зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ Российским Агентством по патентам и товарным знакам (Роспатент).

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Работа изложена на 221 странице, содержит 56 рисунков, 35 таблиц, 4 приложения и список цитируемой литературы из 112 наименований.

Выводы по главе.

Реализация на предприятии возможности оценки параметров оптического кабеля на этапе его изготовления может быть осуществлена только при условии создания на предприятии системы, накапливающей информацию обо всех технологических операциях изготовления оптического кабеля. В данной главе была представлена разработанная в рамках работы технологических операциях над диссертацией структура базы данных параметров производственного процесса изготовления оптического кабеля на ЗАО «НФ «Электропровод». Отдельные части разработанной базы данных могут быть использованы для реализации на предприятии систем автоматизированного управления материальными потоками, в том числе и для проведения инвентаризации, нормирования, диспетчеризации и статистического анализа производственного процесса, мониторинга технологического процесса, автоматизированного оформления финансовых документов, накопления результатов входного, операционного контроля и приемо-сдаточных испытаний. Подход, изложенный в разделе 6.3, может быть использован для построения базы данных на любом предприятии, при этом требуется корректировка обозначения объектов, участвующих в производственном процессе, набора технологических операций и параметров, регистрируемых при проведении технологических операций.

Заключение

.

Итак, задача обеспечения эксплуатационных характеристик изготавливаемого оптического кабеля в настоящее время стоит достаточно остро. Причём как показано в работе, искомые допустимые интервалы внешних воздействий зависят не только от конструкционных параметров оптического кабеля и применяемых материалов, но и от технологических параметров его изготовления. С этой точки зрения, задача обеспечения и контроля эксплуатационных характеристик оптического кабеля ложится целиком на производителя, поскольку потребитель обладает только малым количеством данных. Поскольку цельных работ такого плана, прослеживающих все зависимости эксплуатационных параметров от параметров конструкции оптического кабеля, применяемых материалов и технологии изготовления, не публиковалось, а отдельные исследования, в том числе и зарубежных фирм, причислялись к ноу-хау, то каждая из отечественных фирм-производителей оптического кабеля была вынуждена идти своим путём. Путём теоретических и экспериментальных исследований, было установлено, что значительную роль в обеспечении эксплуатационных характеристик играет конструкция сердечника оптического кабеля, и как основного его составляющего в большинстве конструкций — оптического модуля. В качестве основного параметра, определяющего эксплуатационные характеристики оптического кабеля, была отмечено значение избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле. Однако в силу сложившихся традиций и номенклатура изготавливаемых оптических модулей (их конструкций) и методики измерения избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле у отечественных производителей значительно различаются. Поэтому рассмотрение вопросов изготовления оптических модулей, измерения избыточной длины и влияние параметров последующих технологических операций изготовления оптического кабеля было необходимым для решения задачи диссертации.

Одним из первых были рассмотрены следующие вопросы конструирования оптического модуля: зависимость избыточной длины оптических волокон от геометрических параметров оптического модуля, числа волокон и их укладкираспределение значения избыточной длины в пучке оптических волоконрасположение оптического волокна внутри оптического модуля. Кроме того, для проведения последующих экспериментальных исследований чрезвычайно важной оказалась разработка методики измерения избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле. Полученные зависимости теоретических исследований на предмет конструирования оптического модуля представлены в главе 2. Предлагаемая методика измерения избыточной длины, разработанная в ходе работы над диссертацией, приведена в приложениях.

Чтобы перейти к экспериментальным зависимостям были рассмотрены особенности технологического процесса и технологические параметры изготовления оптических модулей, а также вопросы формирования избыточной длины оптического волокна в процессе изготовления оптического модуля. В качестве примера технологического процесса выступило оборудование ЗАО «НФ Электропровод». Разработанные в ходе работы над диссертацией технологические параметры изготовления оптических модулей различных конструкций приведены в приложениях. Определены технологические параметры изготовления оптических модулей, оказывающие влияние на значение избыточной длины и приведены зависимости от них значения избыточной длины (см. главу 3). Однако большинство указанных параметров связаны между собой, и изменение одного параметра требует перестройки всей системы и поиск режима. При этом может происходить существенное изменение механических свойств оптического модуля, что вносит неконтролируемую погрешность при измерении избыточной длины.

Кроме того, значение избыточной длины оптического волокна, сформированное при изготовлении оптического модуля, не остаётся неизменной в течение всего технологического процесса изготовления оптического кабеля. Её изменению способствуют как фундаментальные свойства полимеров, применяемых в производстве, и особенности некоторых технологических операций, так и особенности отечественного технологического процесса. В четвёртой главе приведён уникальный экспериментальный материал с использованием брюллиеновского рефлектометра AQ 8603 фирмы «ANDO». Приведён теоретический расчёт удлинения оптического модуля при скрутке их в сердечник кабеля. Воздействие на оптический модуль при скручивании и изменение значение избыточной длины оптического волокна, подтверждает наличие в оболочках оптических модулей остаточных напряжений. Для исследования этого явления была специально разработана методика измерения остаточных напряжений в оболочках оптических модулей сердечника кабеля (см. приложения). Получены зависимости, позволяющие оценить время релаксации остаточных напряжений для оптических модулей с оболочками из различных материалов.

Изготовление модульного сердечника оптического кабеля определяет часть эксплуатационных параметров, однако дальнейшие технологические операции, такие как изготовление оболочек и армирование оптического кабеля, также имеют большое значение для обеспечения эксплуатационных характеристик оптического кабеля. Рассмотрению того вопроса посвящена пятая глава. Однако в ряде случае эксплуатационные параметры оптического кабеля можно напрямую связать с параметрами изготовления не только оптических модулей, но и последующих технологических операций. В пятой главе приведены примеры подобных зависимостей.

Поставленную задачу, с учётом постоянно расширяющейся номенклатуры оптического кабеля, под силу решить в полном объёме только при условии использования мощной, предельно автоматизированной базы данных. Примеры применения экспертных систем с элементами логического выбора в областях, близких к обсуждаемой, уже известны, несмотря на то, что производители не очень охотно делятся успехами в этой области, предпочитая предлагать поставку этих дорогостоящих систем «под ключ». Однако применение подобных систем осложнено значительным отличием производственных традиций отечественных и зарубежных предприятий, да и на отечественных предприятиях они далеко не одни и те же. И если системы анализа информации и логического выбора более или менее универсальны, то системы накопления информации о технологическом процессе изготовления оптического кабеля если и существуют, то значительно отличаются друг от друга. Автоматизация отечественных предприятий кабельной отрасли ещё оставляет желать лучшего, отечественных разработок практически не существует, а внедрение зарубежных аналогов затруднительно из-за высокой стоимости и отличия производственных традиций. В шестой главе дано краткое описание зарубежных систем мониторинга технологического процесса изготовления оптического кабеля, а также разработанная в рамках работы над диссертацией база данных, накапливающая информацию по всем стадиям технологического процесса изготовления волоконно-оптического кабеля, и уникальное программное обеспечение, часть которого используется для мониторинга технологического процесса изготовления волоконно-оптического кабеля на ЗАО «НФ Электропровод». Основные выводы диссертационной работы:

1. Понятие избыточной длины является хорошей иллюстрацией для объяснения механизма функционирования элементов конструкции кабеля, обеспечивающего неизменность параметров каналообразующего элемента — оптического волокна при переменных силовых и температурных воздействиях. Однако, избыточную длину в качестве параметра для сравнения технологических процессов или оценки диапазона допустимых воздействий, за редким исключением, необходимо применять с осторожностью.

2. При наличии какой-либо методики измерения значения избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле полученное значение избыточной длины целесообразно использовать только для контроля технологического процесса изготовления оптических модулей, а не для сравнения технологических процессов с другими изготовителями оптического кабеля или оценки эксплуатационных параметров оптического кабеля.

3. Эксплуатационные параметры оптического кабеля определяются не только значением избыточной длины оптического волокна в кабеле, но и конструкцией оптического кабеля и свойствами применяемых материалов.

4. Задача регулирования эксплуатационных параметров оптического кабеля на этапе его изготовления является типичной неформализуемой задачей в силу большого объёма данных и отсутствия чётких алгоритмов. Поэтому эта задача может быть решена путём анализа больших массивов данных с применением элементов логического выбора. Подобные задачи решаются, например, при помощи нейронных сетей или развивающихся экспертных систем. Для реализации любого из указанных подходов необходимо разработать базу данных, накапливающую информацию о технологических режимах изготовления оптического кабеля.

К результатам работы можно отнести следующее:

1. Определён перечень параметров изготовления наиболее распространённых конструкций ВОК, оказывающих влияние на величину избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле.

2. Разработана оригинальная методика измерения избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле на разных этапах производства оптического кабеля.

3. На основе разработанных методов получен и статистически обработан экспериментальный материал об избыточной длине и её распределении в зависимости от конструкции оптического модуля, технологических параметров его изготовления и дальнейших операций;

4. Определён набор технологических параметров изготовления оптических модулей и оптических кабелей, позволяющий обеспечить прослеживае-мость по этапам производственного процесса параметров, свойств и характеристик оптических модулей и оптических кабелей, а также накопление информации о предыстории изготовления оптического кабеля для последующей статистической обработки с целью оптимизации эксплуатационных характеристик оптических кабелей.

5. Разработана структура базы данных производственного процесса изготовления оптического кабеля, позволяющая построение на её основе автоматизированных систем управления процессом.

6. Разработан графический интерфейс пользователя и создано уникальное программное обеспечение для указанной выше базы данных, позволяющее существенно снизить время, затрачиваемое на проведение операций в базе данных по вводу, выводу и обработке информации в процессе изготовления оптического кабеля.