Automation of the isolation process by polymerin the manufacture of wired communication cables

Full Text

Наряду с волоконно-оптическими линиями связи (ВОЛС) в структурирован- ных кабельных системах (СКС) в качестве передающих сред широко использу- ются проводные кабели связи (КС). Во-первых, это LAN-кабели на основе витых пар. К ним относятся кабели без экранирующего покрытия - UTP (Unshielded Twisted Pair), кабели с общим внешним экраном - STP (Shielded Twisted Pair), а также кабели SSTP (Screened Shielded Twisted Pair), отличающиеся от послед- них наличием двух защитных экранов: как экранирующих каждую витую пару, так и являющихся общим внешним экраном [1]. Во-вторых, радиочастотные ко- аксиальные кабели (КК) с соосным расположением внутреннего проводника, изоляции и внешнего проводника-экрана [2]. В третьих, используемые значи- тельно реже симметричные кабели на основе, например, звездной четверки скру- ченных изолированных жил [3]. Технологический процесс изготовления проводных КС является сложным, непрерывным, многооперационным процессом, в котором качество изготавлива- емого кабеля как линии связи определяется неким обобщенным эксплуатацион- ным показателем качества [4]. Показатель качества выпускаемой продукции формируется на всех стадиях производства и может быть измерен лишь на гото- вом изделии. Этот факт вызывает необходимость выбора неких показателей качества на каждой промежуточной операции изготовления кабеля, регулирование (или ста- билизация) которых гарантирует в конечном итоге получение готовой продукции 1 Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ (проект 18-08-00506-а). Владимир Николаевич Митрошин (д.т.н.), зав. кафедрой «Автоматика и управление в технических системах». Сергей Александрович Колпащиков (к.т.н.), доцент кафедры «Автоматика и управ- ление в технических системах». с требуемыми эксплуатационными свойствами. Как будет показано ниже, реше- ние этой задачи зависит от вида выпускаемой продукции (LAN-кабеля, КК, сим- метричного кабеля), типа накладываемой полимерной изоляции (сплошной, пе- нопластовой с химическим вспениванием, пенопластовой с физическим вспени- ванием), рабочей полосы частот сигнала, передаваемого по изготавливаемому кабелю. Отдельной задачей является гарантированное обеспечение поддержания эксплуатационных показателей выпускаемого изделия в требуемом рабочем диа- пазоне в течение всего срока его эксплуатации. Процессы производства различных видов проводных КС имеют как одина- ковые технологические операции (изолирование медного проводника полимер- ным материалом, волочение медного провода, наложение внешней защитной по- лимерной оболочки кабеля, изготовление экранов), так и свойственные только конкретным видам кабеля. Так, операции скрутки (парной, четверочной и груп- повой) используются при изготовлении только симметричных и LAN-кабелей. А изготовление экранов, например, даже для кабелей одного вида может суще- ственно отличаться. Экраны могут изготавливаться из гладкой или гофрирован- ной медной фольги, путем повива из медной проволоки и т. д. Поэтому формирование в процессе производства проводных кабелей их экс- плуатационных показателей качества во многом различно и имеет индивидуаль- ные особенности даже для кабелей одного вида, отличающихся различным кон- структивным исполнением. Отмечается [5], что для всех проводных КС важнейшей, в наибольшей сте- пени определяющей качество изготавливаемого изделия, является операция изо- лирования токопроводящей жилы полимером, осуществляемая методом экстру- зии на шнековых прессах [6]. Чаще всего в качестве изоляции при изготовлении кабелей используется полиэтилен высокого давления низкой плотности (ПЭНП) - термопластичный материал, обладающий аномалией вязкости [7]. При изготовлении радиочастотных коаксиальных кабелей RG (Radio Guide) и LAN-кабелей, предназначенных для передачи огромного объема информации на сверхвысоких частотах, «единственной возможностью для удовлетворения новым требованиям является применение материалов с прекрасными диэлектри- ческими свойствами и высокой степенью вспенивания» [8]. В качестве таких изоляционных материалов, отвечающих высоким требованиям стабильности электрических характеристик, в настоящее применяются фторполимеры (PFA, FEP и т. п.). PFA - перфторированный сополимер (перфторалкокси-сополимер), или фторопласт-50. FEP - это сополимер тетрафторэтилена и гексафторпропиле- на, или фторопласт 4МБ (Ф-46). Первичные параметры изолированной кабельной жилы (диаметр изоляции, относительная диэлектрическая проницаемость изоляции, погонная емкость изо- лированной жилы кабеля), формируемые на экструзионной линии при наложе- нии изоляции, в конечном счете в основном и определяют обобщенный эксплуа- тационный показатель качества изготавливаемой продукции. В роли этих показа- телей чаще всего выступают параметры передачи либо параметры влияния кабе- ля в диапазоне его рабочих частот. Для коаксиальных кабелей основными показателями качества являются па- раметры передачи. К обобщенным эксплуатационным показателям качества КК относят такие показатели, которые характеризуют его потребительские свойства как линии связи. Применимость коаксиального кабеля в том или ином частотном диапазоне определяется величиной помех в виде так называемых обратного и попутного потоков. Ввиду сложности измерения непосредственно величин обратного и по- путного потоков качество кабеля принято нормировать по величине входного коэффициента отражения Г ВХ [9]: ГBX  1 2Zo   Zxexp 2γxdx , 0 (1) здесь Z о - номинальное значение волнового сопротивления кабеля; γ  α  jβ - коэффициент распространения электромагнитной волны; β - коэффициент фазы; α - коэффициент затухания; l - длина кабеля. β  2 πf , υ α  ao f , (2) (3) где υ - скорость распространения электромагнитной волны по кабелю; f - частота электрического сигнала; ao - числовой коэффициент, определяемый типом кабеля. В качестве обобщенного эксплуатационного показателя качества чаще всего принимают легко контролируемый на готовом кабеле показатель - регулярность (однородность) его волнового сопротивления [2, 4, 10], который имеет опреде- ляющее влияние на качество коаксиального кабеля (1), а также приращение затухания кабеля αl на частоте передаваемого сигнала, возникающее за счет переотражений волн на случайных нерегулярностях кабеля. Здесь l - длина кабеля. Для коаксиального кабеля со сплошной изоляцией и внешним экраном в виде жесткой трубки со сварным швом выражение для волнового сопротивления кабеля будет иметь вид [11] Z  60 ln D ln D  1  ln Dиз  ln D , (4) Dиз d εп d d где εп - относительная диэлектрическая проницаемость полиэтилена; Dиз - диаметр изолированной жилы; d - диаметр медного проводника; D - внутренний диаметр экрана. Если у КК экран выполнен в виде тонкой металлической ленты, вплотную прилегающей к изоляции, либо в виде оплетки из медных проволок, то и формула (4) преобразуется к виду D  Dиз Z  60 ln Dиз . (5) εп d Так как на экструзионных линиях окончательная вытяжка медной проволоки осуществляется прецизионным способом - через алмазные фильеры, то диаметр медного проводника фактически является постоянной величиной d  const. Относительную диэлектрическую проницаемость сплошного полиэтилена также можно считать постоянной. В этом случае при изготовлении КК с экраном в виде оплетки из медных проволок и изоляцией медного проводника сплошным полимером нерегуляр- ность волнового сопротивления кабеля определяется практически только нерегулярностью диаметра изоляции (5). Объемная производительность шнекового экструдера Qt  может быть легко экспериментально определена по контролируемым величинам: диаметру изо- лированной жилы Dиз t и скорости изолирования V t :  πD2 t  πd2  Отсюда Qt    из  4  V t . 4  (6) Dиз t   d 1  k Qt  . V t  (7) Здесь k  4 πd2 , м-2  постоянный коэффициент. Следовательно, основной задачей автоматического управления процессом изготовления КК со сплошной полимерной изоляцией медной жилы является стабилизация объемной производительности шнекового экструдера и скорости изолирования, что обеспечит стабилизацию диаметра изолированной жилы, а в конечном итоге и эксплуатационный показатель качества - волновое сопро- тивление кабеля. Для гарантированного обеспечения необходимого эксплуатационного пока- зателя качества выпускаемого кабеля в качестве линии связи во всем рабочем частотном диапазоне рекомендуется выбирать для оценки эффективности управляемого технологического процесса изготовления проводных кабелей связи обобщенный стохастический показатель - спектральную плотность SZ g фор- мируемого волнового сопротивления кабеля. σ Это объясняется тем, что основные эксплуатационные показатели качества КК - модуль входного коэффициента отражения и приращение затухания кабеля на частоте передаваемого сигнала f - выражаются через величину спектральной плотности волнового сопротивления кабеля на соответствующей пространствен- ной частоте go нерегулярностей изготавливаемого кабеля. Дисперсия модуля входного коэффициента отражения 2 определяется ве- Г личиной спектральной плотности функции волнового сопротивления кабеля Z на соответствующей пространственной частоте go [12]: o 2  4  ππ2  g 2    o σГ 16Z 2 α f  SZ go . (8) Связь пространственной частоты нерегулярности волнового сопротивления кабеля go и частоты передаваемого по нему сигнала f определяется выражением g  2 f , (9) o υ где Zo - номинальное значение волнового сопротивления кабеля; υ - скорость распространения сигнала по кабелю. Математическое ожидание модуля входного коэффициента отражения опре- деляется величиной спектральной плотности волнового сопротивления на про- странственной частоте go [13]: mГ  π 4 - πσГ . (10) Приращение затухания кабеля αl на частоте передаваемого сигнала также выражается через величину спектральной плотности волнового сопротивления кабеля на соответствующей пространственной частоте go [14]:     1  e4αl  2   αl Ko f α f SZ go , (11) где Ko - частотно-зависимый коэффициент, определяемый конкретными особенностями кабеля; SZ go - величина двухсторонней спектральной плотности волнового сопротивления на пространственной частоте нерегулярности кабеля go , связан- ной с частотой f передаваемого по кабелю сигнала выражением (9); l - длина кабеля; f - частота передаваемого сигнала. Для улучшения электрических характеристик проводных кабелей, как коак- сиальных, так и LAN-кабелей, рассчитанных на передачу высокочастотных сиг- налов, на медную жилу накладывается пенопластовая (пористая) полимерная изоляция. Существуют два вида пористой изоляции. Первая накладывается на шнековых прессах экструзионных линий методом химического вспенивания [15, 16], а вторая - методом физического вспенивания [8]. Применение в проводных кабелях изоляции со степенью пористости (отно- шением объема газовых включений к общему объему изоляции)  = 0,5, с одной стороны, дает значительную экономию полимерного изоляционного материала (до 50 %) и существенное улучшение диэлектрических характеристик изоляции. С другой стороны, становится особенно актуальной задача управления процес- сом наложения пенопластовой изоляции с целью поддержания высокой степени однородности электрических свойств пористой изоляции [17]. Для случая наложения химически вспененной изоляции формула (5) преоб- разуется к виду Z  60 εпп ln Dиз , d (12) где εпп - относительная диэлектрическая проницаемость пенопластовой изоля- ции. Из (12) видно, что к факторам, влияющим на эксплуатационные характери- стики коаксиального кабеля с пористой изоляцией, добавляется еще один пара- метр - однородность пористой изоляции (ее относительная диэлектрическая проницаемость). Относительная диэлектрическая проницаемость пенопластовой изоляции влияет на показатели затухания и отражения в кабеле. На рис. 1 пред- ставлена схема многосвязного многомерного звена - экструдера для наложения химически вспененной изоляции на медную жилу кабеля как объекта автомати- ческого управления. Как видно из рис. 1, наложение вспененной изоляции на экструзионных ли- ниях является многосвязным многомерным процессом. В этом его принципиаль- ное отличие от процесса наложения сплошной полимерной изоляции. Рис. 1. Схема многосвязного многомерного объекта - экструдера для наложения химически вспененной изоляции Входными переменными процесса изолирования медного проводника тер- мопластическим полимером, накладываемым методом химического вспенивания, являются: Tр - температура расплава полимера в зоне дозирования экструдера; N - скорость вращения шнека экструдера; L - расстояние от кабельной головки до первой ванны охлаждения; Р - давление расплава полимера на выходе зоны дозирования экструдера; Р - перепад давлений расплава полимера на выходе зоны дозирования и в формующем инструменте экструдера (кабельной головке); V - скорость протягивания изолированной жилы (скорость изолирования); Fн - натяжение изолируемой жилы; tцi - температура зон нагрева цилиндра экструдера (i = 15). Некоторые входные переменные должны быть выбраны в качестве управля- ющих воздействий. Остальные необходимо рассматривать в качестве контроли- руемых возмущений. К возмущениям, которые невозможно стабилизировать в процессе наложения изоляции, обычно относят: n - индекс течения полимера; μ - вязкость расплава перерабатываемого полимера. Непосредственно измеряемыми показателями качества процесса наложения химически вспененной изоляции являются: Dиз - диаметр изолированной жилы; C - погонная емкость изолированной жилы. Ряд выходных переменных процесса наложения химически вспененной изо- ляции могут быть лишь косвенно оценены по непосредственно измеряемым по- казателям процесса изолирования. К косвенно оцениваемым показателям отно- сятся: ции; εпп - относительная диэлектрическая проницаемость пенопластовой изоля- δ - степень пористости (вспенивания) пенопластовой изоляции; Q - объемная производительность шнекового экструдера; mиз - масса изоляции на единицу длины проводника; ρпп - плотность пенопластовой изоляции. Процесс наложения химически вспененной изоляции технологически мало отличается от процесса наложения сплошного полимера. Различием является ис- пользование порофора - порошка, засыпаемого в экструдер вместе с гранулами полиэтилена. Под действием температуры порофор разлагается с выделением газа, растворенного в расплаве полимера. Степень разложения порофора нели- нейно увеличивается от температуры. После выхода изолированной жилы из ка- бельной головки растворенный в полимере газ расширяется с образованием внутри изоляции газовых пузырьков. Достоинством технологического процесса химического вспенивания изоляции является его простота, а главным недостат- ком - плохая стабильность процесса, невысокая степень пористости изоляции (до 50 %), значительный размер пор, неравномерность газовых включений по сечению изоляции. Рис. 2. Срез изолированной пенополиэтиленом методом химического вспенивания жилы коаксиального кабеля зоновой связи ВКПАП с диаметром по жиле 2,14 мм, диаметром по изоляции 9,7 мм и средним размером пор 257 мкм На рис. 2 показан срез наложенной методом химического вспенивания пено- пластовой изоляции жилы коаксиального кабеля зоновой связи ВКПАП. Нало- жение изоляции осуществлялось на экструзионной линии МЕ-90 фирмы Maillefer. Средний размер пор достаточно велик - 257 мкм, поры распределены по сечению изоляции с невысокой степенью равномерности. Это приводит к су- щественной нерегулярности относительной диэлектрической проницаемости наложенной вспененной изоляции. Как показали проведенные эксперименты, нерегулярность относительной диэлектрической проницаемости пенопластовой изоляции составила ±0,025, или 1,63 %. Измерения осуществлялись с помощью оригинального измерителя относительной диэлектрической проницаемости пе- нопластовой изоляции, разработанного в СамГТУ [18]. Главным недостатком управления процессом наложения химически вспе- ненной изоляции является сложность синтеза системы управления. Использова- ние для управления многосвязным многомерным процессом наложения химиче- ски вспененной изоляции многоконтурных систем управления с развязывающи- ми звеньями [15, 19, 20] не обеспечивает решения задачи эффективного управле- ния автоматизируемым процессом в условиях реального производства. Выход заключается в использовании интеллектуальных (нейросетевых) си- стем управления данным многосвязным многомерным техпроцессом. С точки зрения гарантированного обеспечения необходимого эксплуатационного показа- теля качества изготавливаемых проводных кабелей связи (например, требуемой спектральной плотности волнового сопротивления КК) предлагается использо- вать также системы усовершенствованного управления (АРС-системы) на основе применения прогнозирующих моделей формирования показателя качества кабе- ля как линии связи [21]. В настоящее время для наложения пенопластовой изоляции проводных кабе- лей связи, как правило, используется технология физического вспенивания рас- плава полимера в экструдере азотом, отличающаяся существенно лучшей управ- ляемостью и стабильностью по сравнению с технологией химического вспенива- ния. При физическом вспенивании на медный проводник обычно последователь- но накладываются три слоя изоляции: сначала тонкий слой сплошного полимера, затем слой физически вспененного термопластичного полимера, а сверху - еще один слой сплошного полимера. Такая изоляция называется skin-foam-skin и ис- пользуется в проводных кабелях с верхней граничной частотой свыше 100 МГц [1]. Применение skin-foam-skin изоляции позволяет значительно снизить коэф- фициент затухания кабеля. У кабелей с химически вспененной изоляцией зату- хание выше более чем на 20 %, а у кабелей со сплошной изоляцией - еще выше. В настоящее время системы связи согласно действующим стандартам могут работать с проводными кабелями со сплошной изоляцией. Но в будущем «един- ственным способом достичь необходимых электрических характеристик кабелей при меньших размерах будет вспенивание изоляции» до степени ее пористости порядка 70 % для полиэтилена и фторопластов и максимального размера пор ме- нее 20 мкм. При использовании экструзионной группы, оборудованной системой непрерывного впрыска азота под высоким давлением, удалось получить степень вспенивания изоляции из полиэтилена до 82 %, а из фторопластов - до 70 % [8]. Ведущим производителем экструдеров для изолирования кабельной продук- ции методом физического вспенивания является компания Maillefer SA (Швей- цария). Она производит широкий диапазон специализированных и многофунк- циональных экструзионных линий для изолирования как различных типов коак- сиальных кабелей, включая микрокоаксиальные кабели, радиочастотные коакси- альные кабели RG (Radio Guide), кабели для систем кабельного телевидения - CATV и крупные радиочастотные кабели, так и жил LAN-кабелей. Для производства крупногабаритных коаксиальных кабелей с изоляцией из физически вспененного полиэтилена компания Maillefer использует метод нало- жения всех трех слоев пленко-пористо-пленочной изоляции через одну многослойную головку, что делает экструзионную группу более компактной. Для этих целей разработаны экструдеры NMB 80-30D, NMC 100-36D и NMC 120-36D. При построении структурированных кабельных систем (СКС) для передачи данных в настоящее время наиболее широко используются LAN-кабели катего- рий 5е, 6 и 7 (рис. 3). Основным конструктивным элементом таких кабелей явля- ется витая пара, состоящая из двух скрученных изолированных кабельных жил. Для LAN-кабелей основными показателями качества наряду с параметрами передачи являются параметры влияния, например переходные затухания меду соседними витыми парами. У SSTP LAN-кабелей (категории 7), отличающихся наличием двух типов защитных экранов (экранирующие каждую витую пару и общий внешний экран) параметры влияния не имеют существенного значения. Рис. 3. Конструкция LAN-кабелей различных категорий: 1 - токопроводящая жила; 2 - пенопластовая изоляция; 3 - витая пара; 4 - полимерная обо- лочка; 5 - крестообразный профиль; 6 - экран витых пар из алюмо-полиэтилена; 7 - внешний общий экран (оплетка из медной проволоки) Для LAN-кабелей категории 7 (с экранированной витой парой) показателями качества являются параметры передачи: величина волнового сопротивления Zв в данном сечении кабеля и величина собственного затухания α f  кабеля на ча- стоте f [22]. 120 D  D  d 4 d 2  D  D 2 Zв  ln из1 из2  э из1 из2 . (13) ε d 4 d 2  D  D 2 экв э из1 из2   2,6 f ε 103 экв  1 2d  5 α f  lgD  D d  d   d  D  D 2   9,08 f εэкв tgδ 10 . из1 из2  из1 из2  (14) Здесь d  const - диаметр медных проводников; Dиз1 , Dиз2 - диаметры изолированных жил; εэкв - эквивалентная относительная диэлектрическая проницаемость скрученной пары; ских потерь изоляции. d э - диаметр экрана; tgδ - тангенс угла диэлектриче- Формируемые на операции наложения физически вспененной изоляции и непосредственно измеряемые параметры - диаметр Dиз и погонная емкость С изолированной жилы - являются взаимосвязанными величинами [2]: C  2πεoεr , ln Dиз d (15) где εo - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; εr - эквивалентная относительная диэлектрическая проницаемость комбинированной (skin-foam-skin) изоляции. Для регулирования процесса наложения физически вспененной изоляции предлагается использовать программируемый логический контроллер [8]. При этом регулирование диаметра изоляции осуществляется за счет изменения ли- нейной скорости линии, а регулирование емкости - за счет изменения давления вакуумного насоса, меняющего количество подаваемого азота, и за счет переме- щения мобильной части первой ванны охлаждения. Одной из важнейших задач при изолировании проводных кабелей является выбор режима охлаждения наложенной изоляции. Охлаждение наложенной ме- тодом экструзии расплавленной пластмассовой изоляции происходит в процессе непрерывного движения кабельной жилы через водяные ванны охлаждения с за- данной постоянной скоростью. На существующих экструзионных линиях длина ванн охлаждения составляет порядка 15 м и более. Выбор режима охлаждения во многом определяет последующие эксплуатационные свойства изготавливаемого кабеля. Термические процессы в экструдированной изоляции влияют на молеку- лярную структуру, механическое напряженное состояние полимера [23, 24], ад- гезию изоляции и металлического проводника, образование пустот в изоляции [25, 26] и качество ее граничной поверхности. Необходимо обеспечить стабиль- ность электрических характеристик кабеля при старении изоляции. Несоблюде- ние оптимальных температурных режимов охлаждения кабельной изоляции мо- жет вызвать ее ускоренное старение, что приводит к выходу кабеля из строя, например при растрескивании изоляции. Необходимо знание не только конечной температуры полимерной изоляции по окончании охлаждения, но и распределе- ние температурного поля вдоль всего охлаждаемого участка. При этом проблема оптимизации режима охлаждения изоляции сводится к выбору управления по граничным условиям за счет изменения температуры воды в ваннах охлаждения, обеспечивающего в условиях заданных ограничений получение требуемого распределения температуры изоляции на выходе из участ- ка охлаждения с заданной точностью при экстремальном значении выбранного критерия качества. Данная проблема рассматривалась в классе задач управления с распределен- ными параметрами. Оптимальное охлаждение наложенной изоляции, с одной стороны, гарантированно обеспечило охлаждение полимерной изоляции без возникновения в ней внутренних напряжений, а с другой - позволило значительно снизить затраты энергоресурсов на подогрев воды [27]. В заключение можно констатировать, что постановка задачи автоматическо- го управления наложением полимерной изоляции при изготовлении проводных кабелей связи принципиально отличается в зависимости от вида выпускаемой продукции, типа накладываемой изоляции и рабочей полосы частот изготавлива- емого кабеля.

About the authors

Vladimir N Mitroshin

Samara State Technical University

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Sergey A Kolpashchikov

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files