张贵生，朱艳娜，倪廉钦(安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001)

芳纶被复线是野外条件下军队用来为野战指挥所提供野战通信和应急通信信道的电话线[1-2]，具有结构简单、重量轻、价格低廉、柔韧性好、强度高等优点[3-5].

1 芳纶被复线工艺简述

芳纶被复线由束丝、绝缘挤塑、双绞、成卷四道工序加工而成，每道工序都包含不同设备和工艺[6-7].束丝工序负责将镀锡铜丝和芳纶纱线绞合成直径为0.7 mm左右的束丝芯；绝缘挤塑工序负责将绞合出来的束丝芯包覆一层壁厚大于0.4 mm的护套，形成外径为1.9～2.1 mm且光滑圆整、壁厚均匀的绝缘单线；双绞工序负责将两根长度相同的绝缘单线绞合在一起，形成外径小于4.2 mm且绞距均匀、外观光洁的双绞线；最后，通过成卷工序形成标准段长成卷被复线.

1)束丝工序.束丝是由四根镀锡铜丝和一根芳纶纱线按照一定的绞距绞合而成，其生产设备按放线顺序依次由放线架、高速绞线机组合而成.其中，放线架主要包括被动式和主动式，被动式放线架价格低廉但张力不稳、调节困难；主动式放线架张力稳定、调节方便但价格昂贵.高速绞线机内置测速器、绞合模具、绞弓、绞距调节轮和收线盘等机械结构，是最主要设备.在实际生产中，由于芳纶纱线长度不均匀、镀锡铜丝质量不过关，往往会出现芳纶纱线段长分配不足、高速时镀锡铜丝突然断裂等问题，形成大量非标段长，进入双绞工序时配盘困难，浪费严重.

2)绝缘挤塑工序.绝缘挤塑是将束丝芯按照一定的挤塑方式包覆一层绝缘护套.挤塑方式主要采用挤压和挤管两种模式，其中，挤压式挤塑稳定、外径平稳，对束丝芯绞距和绞合紧密度要求较低，但穿线和调偏心困难、外观光泽度不够、壁厚不均匀且不易达标，束丝芯绞距较大时采用此法较为合适；而挤管式的穿线容易、外观光泽明亮、壁厚均匀且符合要求，但挤塑不稳、锥度难于控制，束丝芯进线时波动大、易鼓包，对束丝芯绞距和绞合紧密度要求较高，束丝芯绞距较小时采用此法较为合适.在实际生产中，由于工人操作和生产设备的原因，会出现挤塑断裂、束丝抖动严重、挤塑锥度不平稳、计米精度低等问题，造成绝缘单线段长不足，双绞配盘困难.

3)双绞机.双绞工序是将两根绞距相同、长度相等、挤塑方式相同的绝缘挤塑，按照一定绞合方向和绞距绞合在一起.双绞配盘是提高绝缘单线利用率、减少浪费的有效手段，其目的是保证双绞后被复线长度为500 m倍数，绝缘单线的实际长度是双绞配盘的关键所在.

4)成卷机.成卷工序是被复线生产的最后一道工序，主要负责将双绞工序生产出来的大长度双绞线截断成标准段长捆扎起来，成卷被复线是否可正常通信、中间是否有断点，是生产后的必检项目.

2 巡检系统测长原理

巡检系统主要包括绝缘单线测长和断点测长两部分功能，用于检测双绞前绝缘单线的实际有效长度和成卷后的断点长度，便于双绞配盘和成卷质量检测，提高原材料利用率和检测精度.

2.1 双绞前绝缘单线测长原理

被复线国标规定成卷段长为(500±5)m，为降低绝缘单线浪费量、提高使用率，在双绞工序前，将绝缘单线进行段长匹配，确保额外余量最少.在实际生产中，绝缘单线长度在绝缘挤塑工序中受计米误差、高速延误、挤塑断裂等因素影响，成盘米数误差较大.因此，通常采用称重法或直流电阻法重新测量，以实现段长的最佳匹配.称重法是称取成盘绝缘单线的重量来推算其长度，但由于挤塑方式、外径、壁厚、空盘质量等参数存在较大差异，称重法对外部条件要求苛刻，准确度和可靠性较低；直流电阻法是通过测量绝缘单线电阻值的方法来计算长度，所采用的直流电阻仪体积笨拙、测量后计算繁琐，此外，随环境温度而变化的电阻值会严重影响计算长度，测量误差较大.为获取更加精确的绝缘单线长度，本文设计了一种轻便型巡检系统，测长前先进行单位电阻值校准，有效规避温度干扰，通过两次测量的电阻比值求取绝缘单线长度，提高计算精度.其测长步骤如下：

1)单位电阻值校准

取一盘标准段长(即螺旋长度为500 m)的成卷被复线作为基准盘，基准盘为测长实验专用被复线，应妥善保管.设双绞机绞入率为η，成卷后一根绝缘单线直线长度为Y(含螺旋长度和绞入长度)、两端施加电压为U1、电流为I1、直流电阻为R1，则基准盘中每米绝缘单线电阻值R0的计算公式为：

(1)

2)待测盘精准测量.

单位电阻值校准后，设待测盘绝缘单线两端施加电压为U2、电流为I2、直流电阻为R2、直线长度为x，则：

(2)

其中：U1、U2、I1、I2为测量值，η为已知量.为有效规避电阻的温控效应，提高测长精度，将计算公式(2)编入软件程序中，系统可自动计算出待测盘的绝缘单线直线长度x.

2.2 成卷后断点测长原理

双绞、成卷过程中，双绞机和成卷机高速运转下的诸多不确定因素可能导致绝缘单线内部出现断点，阻断通信，为准确推算断点长度，提出一种电容法断点测长思路.根据芳纶被复线双绞结构及电容器特性可知，彼此绝缘又相互靠近的两根绝缘单线可等效为电容器[8]，如图1所示.

绝缘单线纵向剖面s等效为电容器极板正对有效面积S，绝缘单线有效直线长度l等效为电容器极板长度L，绝缘单线直径m等效为电容器极板宽度M，则S等效公式为：

s=ml=ML=S

(3)

可推算出等效电容器的电容C计算公式为：

(4)

其中：绝缘单线直径m、介电常数ε、静电力常量k、极板间距d皆为固定值，因此，电容C与绝缘单线有效直线长度l成正比.

图1 等效电容器示意图Figure 1 Schematic diagram of equivalent capacitor

设定成卷被复线两根绝缘单线皆处于完整状态时的电容值为C0、绝缘单线有效直线长度为l0、电容器极板正对有效面积为S0.当一根或两根绝缘单线在某处断开时，设定最短绝缘单线有效直线长度为l1、电容器极板正对有效面积为S1、电容为C1，由式(4)可得出：

(5)

设β=l0/C0，以基准盘为测量标准，则β为固定值；此外，将成卷被复线一端开路，另一端两根导线分别接入巡检系统两输入端，可测出等效电容C1，根据公式(5)就可计算出l1，即接入点到最近断点的绝缘单线直线长度.再通过最短绝缘单线直线长度l1与对应螺旋长度N1之间的计算公式：N1=l1/(1+η)，可得出：

(6)

N1即为接入点到最近断点之间的螺旋长度(简称断点长度)，计算值N1与成卷机上计米长度对比可判断出此盘双绞线是否为完整品.

3 巡检系统设计方案

3.1 总体设计方案

巡检系统硬件电路总体结构设计如图2所示，包括控制单元、测量单元和人机界面.在单片机的协调处理下，首先通过参数录入窗口将双绞机绞入率η、基准盘比值β等已知参数录入系统作为软件程序中初始定义值.然后通过功能选择键选取绝缘单线测长或断点测长功能，当选取前者时，单片机通过软件程序打开定时器T1，无限循环输出高电平脉冲，将电阻测量电路中的MOS管接通，点亮指示灯L6，之后运用测量笔分别接入基准盘和双绞前待测盘，电压表和电流表将测出的U1、U2、I1、I2模拟信号经外置ADC0809模数转换后，传输至单片机进行数据计算与处理，最终将待测盘绝缘单线直线长度x的计算值显示在LCD显示窗口上；当选取后者时，单片机输出同样的高电平脉冲信号将电容检测仪表主电路内安装的MOS管导通，同时点亮仪表中自带指示灯，之后将成卷被复线一端开路、另一端两根线头分别接入测量笔，测出的电容C1模拟信号同样经外置ADC0809模数转换后，传输至单片机进行数据计算与处理，最终将断点长度N1的计算值显示在LCD显示窗口上.

图2 巡检系统硬件电路总体结构设计图Figure 2 Overall structure design diagram of hardware circuit of inspection system

单片机具有低功耗、控制能力强、易编程等特点[9-11]，适用于电路结构简单、数据计算量少的控制系统.结合单片机使用经验，综合考虑复杂度、控制量和硬件成本，选用AT89C51单片机作为巡检系统控制核心，51单片机内设两个16位定时/计数器，具有空闲待机、掉电保护功能[12-15]；供电电源模块提供两条供电线路，一条将220 V交流市电直接供给电容检测仪表，另一条采用开关电源电路将220 V交流市电转换为5VDC供给单片机；ADC0809转换器主要负责将测量出的电流、电压、电容模拟信号转换为数字信号提供给51单片机，其与51单片机连接电路如图3所示.

图3 51单片机与ADC0809转换器连接电路图Figure 3 51 single chip microcomputer and ADC0809 converter connection circuit diagram

电阻测量电路中直流电源为20VDC，电压表和电流表量程分别为0～5 V、0～50 mA，精度为1‰，MOS管的选型要求最大瞬间电压要远高于20VDC；功能选择键主要包括绝缘单线测长键、断点测长键、复位键和开关键，为节省51单片机I/O引脚，采用2×2矩阵键盘；LCD显示窗口采用2 MHz时钟频率、5V供电的12864彩色液晶显示屏，可同时控制4行16字中文显示，其数据引脚DB0～DB7分别接入51单片机P0.0～P0.7引脚，实现数据精准传输.

3.2 巡检系统软件设计

巡检系统软件依托Keil Sofeware公司研发的兼容51单片机C语言编程的Keil5开发环境，编程时须将使用者连续测长、中途暂停、节约能耗等实际情况纳入程序中，以期实现不同工况下的自适应状态，提高操作便捷性和稳定性.

程序初始化将必用资源加载至内存待用，初值η、β给定后进入main函数主程序，通过功能选择开启定时程序，设定无限循环输出高电平脉冲信号；此时，设置无限延时程序，待系统获取测定参数后自动解除，顺序进入计算公式编辑程序，并将计算值N1或x带入LCD显示程序中；之后，系统等待是否复位选择，当使用者获取计算值后，若点击复位按钮，则系统关闭定时程序后返回main函数主程序起点，依次循环；若无复位指令，系统再次进入延时程序，时长1 h，此时系统处于待机状态，延时过程中，若系统获取复位指令，则关闭定时程序并返回main函数起点，若延时结束指令获取失败，则结束程序、自动关机.巡检系统主程序流程图如图4所示.

图4 巡检系统主程序流程图Figure 4 Main program flow chart of patrol inspection system

4 实验与分析

为验证本巡检系统测长精度和稳定性，进行了实测实验，地点选择在安徽理工大学采动国家重点实验室，设定绝缘测长和断点测长两次独立实验.

1)绝缘测长实验.随机选用两盘双绞前绝缘单线(编号1、2)，分别在室内10 ℃恒温和室外随机变温两种条件下测量，室温范围5～10 ℃(与生产车间实际变温环境一致)，为实验具备对比性，采用本巡检系统、直流电阻测长法、生产计米三种方法.

2)断点测长实验.随机选用两盘成卷被复线(编号A、B)，分别在室内10 ℃恒温和室外随机变温两种条件下测量，室温范围5～10 ℃(与生产车间实际变温环境一致)，为实验具备对比性，采用本巡检系统、生产计米两种方法.

根据镀锡铜丝温控特性可知，每升温1 ℃，电阻值增加约0.4%，此外，经验获知成卷被复线单线电阻值约为75 Ω.按上述操作步骤准确操作，获得实验数据如表1所示.

表1 实验数据表

由上述实验数据可知，两次实验在恒温条件下，本巡检系统测长数据稳定，绝缘测长实验中与直流电阻法测量的长度基本一致，说明本巡检系统测长准确度较高，测量精度低于1‰，但绝缘测长实验中变温环境下，后者测量数据波动较大，而前者数据稳定，表明了本巡检系统的原理与计算公式对温度变化所带来的影响具有较好的抑制效果.

5 结 语

本文在简述芳纶被复线加工工艺的基础上，为解决实际生产中所遇到的双绞配盘和成卷质量检测问题，研发了本巡检系统.通过对系统整体布局，推导了双绞前绝缘单线测长和成卷后断点测长原理及其计算公式，设计了包含控制单元、测量单元和人机界面的硬件电路总体结构，并详细描述了电路运行流程、芯片参数和连接方式；此外，依托Keil5开发环境对51单片机编写程序，绘制了主程序流程图，实现了不同工况下的自适应状态；通过设置绝缘测长和断点测长两次独立实测实验，对比分析了多组测量数据，得出本巡检系统对环境温度变化所带来的测长影响具有较好的抑制效果，测长准确度和稳定性较高.