автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка и исследование автоматизированной системы оптимального управления процессом нанесения гальванического покрытия

Введение

Глава 1. Исследование особенностей технологических процессов гальванопокрытия

1.1. Анализ и определение основных параметров электротехнических процессов. Гальванопроцесс

1.2. Влияние различных факторов на структуру и свойства гальванопокрытий

1.3. Постановка задачи автоматизированного управления технологическим процессом гальванопокрытия

1.4. Анализ существующих методов измерений толщины гальванопокрытий

1.5. Анализ работ по математическому описанию гальванических процессов

1.6. Выводы

Глава 2. Разработка математических моделей гальванических процессов

2.1. Классификация математических моделей гальванопроцесса

2.2. Построение математических моделей различных видов гальванических процессов

2.3. Построение математических моделей изменения концентрации электролита в гальванической ванне

2.4. Выводы

Глава 3. Формализация и решение задач оптимального управления гальванопроцессом

3.1. Решение систем уравнений математических моделей гальванопроцессов

3.2. Оценка адекватности математических моделей объекту управления

3.3. Формализация задач оптимального управления гальваническими процессами

3.4. Оптимальное управление гальваническими процессами по критерию производительности

3.5. Выводы

Глава 4. Разработка автоматизированной системы оптимального управления

4.1. Требования к системе автоматизированного управления

4.2. Разработка и обоснование применения преобразователей импеданса при проектировании системы управления гальванопроцессом

4.3. Разработка структурной схемы системы управления

4.4. Разработка методики контроля средней толщины гальванопокрытия

4.5. Разработка алгоритма управления технологическим процессом

4.5. Выводы

Электрохимическая обработка металлов была и остается важной отраслью народного хозяйства страны. В последние годы значение ее в развитии новых технологий машиностроения неуклонно возрастает. Однако, изменившиеся экономические условия требуют реорганизации производства, внедрения энергосберегающих технологий и новых методов управления.

В настоящее время одним из путей значительного сокращения энергозатрат, повышения качества продукции и обеспечения экологической безопасности при электрохимической обработке металлов (гальванотехнике) является создание системы автоматизированного управления технологическим процессом гальванопокрытия. Очевидно, что основным направлением повышения эффективности управления является разработка автоматизированных систем оптимального управления процессами нанесения гальванопокрытий. Автоматизированное управление процессами нанесения гальванопокрытий подразделяют на управление транспортом покрываемых изделий вдоль технологической цепочки (автоматические линии) и управление собственно процессами нанесения гальванических покрытий. До настоящего времени основное внимание было уделено вопросам разработки автоматических линий, в то время как получение качественных гальванопокрытий прежде всего достигается разработкой систем оптимального управления собственно гальванопроцессом.

Основополагающий вклад в решение вопросов, связанных с теоретическим обоснованием и практической реализацией САПР и САУ внесли такие известные ученые, как Н. П. Бусленко, В. М. Глушков, В. А. Горбатов, С.А. Редкозубов, И.П. Норенков, В.П. Сигорский и другие. Технологический процесс гальванопокрытия характеризуется множеством динамически взаимодействующих входных и выходных параметров, вследствие чего его качество определяется и результатами изменения входных воздействий, и изме5 нением выходных параметров, и стратегией управления - заданием оптимального режима процесса, отличительной чертой которого является неоднозначность комплексного влияния параметров на скорость и качество получаемого покрытия.

Большинство гальванопроцессов, например такие в которых используются цианистые или аммиачные электролиты, являются очень вредными для здоровья гальваников. Поэтому приходится проектировать удаленные системы управления, эффективность которых падает с увеличением длины линий связи. Это происходит из - за влияния импеданса линий связи. В связи с этим особую актуальность приобретает вопрос разработки удаленных систем оптимального управления процессами нанесения гальванопокрытий, инвариантных к сопротивлениям линий связи.

Цель диссертационной работы. Разработка автоматизированной системы оптимального управления удаленными процессами электрохимического осаждения, позволяющей вести контроль средней толщины гальванопокрытий.

Поставленная цель потребовала решение следующих задач:

1) Анализ и исследование особенностей технологических процессов гальванопокрытия и разработка математических моделей для нескольких разновидностей гальванических процессов;

2) Формализация задач оптимального управления и выбор критерия производительности для оптимизации управления гальванопроцессом;

3) Анализ требований к системе автоматизированного управления и разработка автоматизированной системы оптимального управления гальваническим процессом;

4) Применения преобразователей импеданса (ПИ) в системе управления гальванопроцессом и их схемотехническое моделирование, а также их использование для контроля контактного сопротивления на подвесках; 6

5) Разработка алгоритма оптимального управления гальванопроцессом, реализующую методику контроля средней толщины гальванопокрытия. Методы исследований. Разработка автоматизированной системы оптимального управления удаленными процессами электрохимического осаждения потребовало применение совокупности приемов и операций реализующих:

- системных подход (многообразие гальванических процессов);

- математическое моделирование;

- компьютерное моделирование;

- эмпирический метод;

- кондуктометрический метод;

- различные численные методы (метод прогонки, метод перебора, метод Рунге - Кутта).

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований;

- работоспособностью спроектированной системы автоматизированного управления (САУ), созданной на базе разработанных научных положений, выводов и рекомендаций;

- внедрением созданных устройств в ряде организаций и промышленных предприятий.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1) математическое моделирование гальванопроцесса с одноанодной ванной;

2) оптимизация процесса нанесения гальванопокрытия по критерию производительности;

3) разработка и обоснование применения ПИ при разработке АСУ гальванопроцесса; 7

4) разработка подсистемы контроля контактного сопротивления на подвесках.

Научная новизна работы:

1) Получена классификация моделей гальванопроцесса и построены математические модели гальванопроцессов протекающих при постоянном токе в одноанодной ванне.

2) Разработаны прецизионные ПИ и обосновано их применение в высокоэффективных автоматизированных системах оптимального управления процессами нанесения гальванопокрытия.

3) Предложен принцип построения подсистемы контроля контактного сопротивления на подвесках, обеспечивающей энергосберегающий режим гальванопокрытия.

4) Предложены методика и алгоритм оптимального управления гальванопроцессом, обеспечивающие существенную экономию материала гальванопокрытия.

Практическая значимость работы состоит:

- в получении оптимальных условий эксплуатации основных компонент и узлов системы автоматизированного регулирования и управления гальванопроцессами;

- во внедрении разработанных аппаратных средств в практику автоматизации технологических процессов, позволяющих обеспечить до 10 % экономии материальных и энергетических ресурсов;

- в ограничении влияния вредных условий на экологическую безопасность гальванопроизводства;

- в использовании полученных результатов в учебном процессе.

Внедрение результатов работы. На основе результатов, полученных в работе, разработан алгоритм и построена автоматизированная система оптимального управления процессом нанесения гальванопокрытия на основе ПИ, инвариантных к сопротивлениям линий связи. 8

Система внедрена на заводах "Электроцинк", "Победит" г. Владикавказ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях:

1. Научно-техническая конференция СКГТУ, Владикавказ, 2000.

2. Межрегиональная конференция "Студенческая наука - экономике научно - технического прогресса", Ставрополь, 2000.

3. Вторая межрегиональная конференция "Студенческая наука - экономике России". Ставрополь, 2001.

По итогам выступления на второй межрегиональной конференции "Студенческая наука - экономике России" с докладом на тему "Автоматизированная система управления гальванопроцессом" автор был удостоен диплома III степени.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 6-и печатных работах. 9

4.6. Выводы

Сформулированы требования к системе автоматизированного управления ТП.

Обосновано применение преобразователей импеданса при проектировании АСУ гальванопроцессом.

Разработан ПИ инвариантный к сопротивлениям линий связи СУ и гальванованны. Проведено математическое моделирование с помощью про-грамного пакета Micro-Cap V, результаты которого доказывают инвариантность ПИ к сопротивлениям линий связи.

Разработана структурная схема системы управления гальванопроцессом на основе ПИ.

Разработана принципиально новая подсистема контроля контактного сопротивления на подвесках.

Сформулированы требования по размещению измерительных электродов, соблюдение которых необходимо для минимизации методической погрешности определения технологических параметров процесса.

Разработана методика контроля средней толщины гальванопокрытия в процессе электролиза и спроектирован алгоритм управления гальванопроцессом осуществляющий такую методику.

130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам диссертационной работы были сделаны следующие выводы:

1. Проведен анализ и исследование особенностей технологических процессов гальванопокрытия, необходимых для решения задачи оптимизации управления гальванопроцессом.

2. Получена классификация моделей гальванопроцессов, в соответствии с которой разработаны математические модели для нескольких разновидностей гальванических процессов.

3. Проведены формализация и решение задачи оптимального управления процессами нанесения гальванопокрытия по критерию производительности.

4. Проанализированы требования к системе автоматизированного управления, в соответствии с которыми разработана автоматизированная система оптимального управления гальванопроцессом.

5. Предложен принцип построения ПИ, инвариантных к сопротивлениям линий связи, на основе которых построены многие подсистемы автоматизированной системы оптимального управления гальванопроцессом.

6. Предложена высокоэффективная подсистема контроля контактного сопротивления на подвесках, обеспечивающая энергосбережение в среднем на 5%.

7. Разработана методика контроля средней толщины гальванопокрытия в процессе электролиза, обеспечивающая экономию материала гальванопокрытия в среднем на 10%. Предложен алгоритм управления гальванопроцессом, реализующий эту методику.

132

1. ГОСТ 9305-84. Покрытия металлические и неметаллические неорганические.

2. Агейкин Д.И. Датчики контроля и регулирования: Справочник. -М.: Машиностроение, 1965. -928 с.

3. Аликов А.Ю. Преобразование параметров многоэлементных двухполюсников в активные величины. / Межрегиональная конференция "Студенческая наука экономике научно - технического прогресса". Ставрополь, 2000.

4. Аликов А.Ю. Математическое моделирование гальванических процессов / Вторая международная научно практическая конференция "Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах". Новочеркасск, 2001.

5. Амосов A.A., Дубинский Ю.А. Копченова Н.В. вычислительные методы для инженеров. М.: Высшая школа, 1994. - 544 с.

6. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. М.: Высшая школа, 1975. -560 с.

7. Багоцкий B.C. Основы электрохимии. М.: Химия, 1988. - 400 с.

8. Бахвалов Г.Т. Новая технология электроосаждения металлов. М.: Металлургия, 1966-151 с.

9. Борисова О.М., Сальников В.Д. Химические, физико-химические и физические методы анализа. М.: Металлургия, 1991. - 272 с.

10. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии. М.: Химия, 1975. - 576 с.

11. Бизиков В. А. Оптимизация схемотехнических решений преобразовательных устройств для электрохимии. // Дис. докт. техн. наук. Владикавказ, 1991.133

12. Ваграмян А.Т., Соловьева З.А. Методы исследования электроосаждения металлов. М.: Металлургия, 1960. - 448 с.

13. Вайнер Я.В., Дасоян М.А. Технология электрохимических покрытий М. -Л., Машгиз, 1962. 468 с.

14. Вайнер Я.В., Дасоян М.А. Оборудование цехов электрохимических покрытий. JI. Машиностроение, 1971. 287с.

15. Вайнер Я.В., Кушнарев Б.П. Оборудование гальванических цехов. JI. Машиностроение, 1971. 125с.

16. Виглеб Г. Датчики: Пер. с нем. М.: Мир, 1989. - 196 с.

17. Вирбилис С. Гальванотехника для мастеров: Справочник / Под ред. А.Ф. Иванова. М.: Металлургия, 1990. - 208с.

18. Герасименко A.A., Микитюк В.И. Определение параметров электрохимических процессов осаждения покрытий: Справочник. М.: Металлургия, 1980. - 112 с.

19. Гинберг A.M. Гальванотехника: Справочник. М.: металлургия, 1987. -735с.

20. Гнусин Н.П., Поддубный Н.П., Маслий А.И. Основы теории расчета и моделирования электрических полей в электролитах. Новосибирск: Наука, 1972. - 276 с.

21. Дамаскин Б.Б. Петрий O.A. Введение в электрохимическую кинетику. -М.: Высшая школа, 1983. 400 с.

22. Диденко А.Н. Лебедев В.А. Образцов C.B. и др. Интенсификация электрохимических процессов на основе несимметричного переменного тока/.-М.: Наука, 1988.-е. 189-214.

23. Добровинский И.Р., Ломтев Е.А. Проектирование ИИС для измерения параметров электрохимических цепей. М.: Энергоатомиздат, 1997. - 120 с.134

24. Дудников Е. Г., Балакирев B.C., Кривсунов В.Н. и др. Построение математических моделей химико технологических объектов . - М.: Химия, 1970.-312 с.

25. Егер Э., Залкинд А. Методы измерения в электрохимии. В 2-х томах. -М.: Мир, 1977-Т. 2-476 с.

26. Забегалов В.А. Автоматизированные системы диспетчерского управления в энергосистемах. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 264 с.

27. Зубченко B.JL, Захаров В. И., Рогов В.М. и др. Гибкие автоматизированные гальванические линии: Справочник / М.: Машиностроение, 1989. - 672 с.

28. Иванов В.Т. Численные расчеты электрических полей в электролитах на основе метода квазилинеаризации // Электрохимия. 1972. Т. VIII, вып. 11.-с. 1654- 1657.

29. Каданер Л.И. Равномерность гальванических покрытий. Харьков: Изд-воХарьк. ГУ, 1960.-414 с.

30. Кнеллер В.Ю. Автоматическое измерение составляющих комплексного сопротивления. М.: Энергия, 1967. - 368 с.

31. Короленко Н.К. Источники и регулирование тока в цехах электрохимической обработки металлов. М. Л., Энергия, 1964.

32. Корытин A.M., Петров Н.К., Радимов С.Н. Автоматизация типовых технологических процессов и установок. М.: Энергоатомиздат, 1988. -431 с.

33. Костин H.A., Кублановский B.C., Заблудовский В.А. Импульсный электролиз. Киев: Наукова думка, 1989. 168 с.

34. Ксенофонтов М.И. Автоматическое программное управление процессом электролитического осаждения хромовых покрытий: Дисс. . к.т.н. М.: МВМИ, 1972.- 175 с.

35. Кудрявцев Н.Т. Электрохимические покрытия металлами. -М.: химия, 1979.-352 с.135

36. Кузмичев В.Е. Законы и формулы физики. Справочник. Киев: Наукова думка, 1989.-864 с.

37. Кривцов А.И.,. Хамаев В.А, Озеров A.M. и др. Нестационарный электролиз/- Волгоград: Нижневолжское книжное издание., 1972. 160с.

38. Лабунцов В. А. Источники питания на базе полупроводниковых преобразователей для электротехнологических установок // Электротехника. 1985. N3. С. 6-8.

39. Литовка В.Ю. Моделирование и оптимальное управление технологическими процессами гальванотехники // Диссертация на соискание степени доктора технических наук, Тамбов. 1999.

40. Литовка В.Ю., Дьяков И.А. Метод расчета потенциалов анодов в многоанодной гальванической ванне// Теоретические основы химических технологий. 1997.-Т. 31, № 2.-е. 218-221.

41. Лысенко Э. В. Проектирование автоматизированных систем управления технологическими процессами. М.: Радио и связь, 1987. - 272 с.

42. Максимова И.П., Пак Ч.С., Правдин H.H. и др. Свойства электролитов: Справочник. -М.: Металлургия, 1987. 128 с.

43. Манукян А.Б. Оптимальное управление объектами одного класса с распределенными параметрами при смешанных краевых условиях: Дисс. . к.т.н. -М.: МЭИ, 1983.-145 с.

44. Мартяшин А.И. и др. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения. -М.: Энергия, 1976. 392 с.

45. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. М.: Наука, 1989. -608 с.

46. Марчук Г.И. Методы расщепления. М.: Наука, 1988. - 274 с .

47. Мельников Л.С. Справочник по гальванопокрытиям в машиностроении. -М.: Машиностроение, 1991. 384 с.136

48. Милованов И.В. Оптимизация процессов и состава оборудования для нанесения электрохимических покрытий. Дис. . к.т.н. Тамбов: ТИХМ, 1983.- 183 с.

49. Моураов А.Г. Разработка и исследование систем автоматизированного управления электротехнологическими процессами (на примере гальванотехнологии). // Диссертация на соискание степени кандидата технических наук, 1997.

50. На Ц. Вычислительные методы решения прикладных граничных задач. -М.: Мир, 1982.-296 с.

51. Пагиев К.Х. Исследование и разработка полупроводниковых низковольтных источников постоянного тока (для гальванотехнологии) // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. -М: Типография МЭИ. 1993.

52. Петрухин О.М. Практикум по физико химическим методам анализа. -М.: Химия, 1987. - 248 с.

53. Подиновский В.В., Ногин В.Д. Парето оптимальные решения многокритериальных задач. М.: Наука, 1982. - 254 с.

54. Понтрягин JI.C., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., и др. Математическая теория оптимальных процессов./ М.: Физматгиз, 1961. -381 с.

55. Проскуркин Е.В., Попович В., Мороз А.Т. Цинкование: Справочник. М. Металлургия, 1988. 528 с.

56. Самарский A.A., Николаев Е.С. Методы решения сеточных уравнений. -М.: Наука, 1978-591 с.

57. Сафронов А. И. Выпрямители для питания гальванических ванн // Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника. 1983. N7.C. 6-9.

58. Староверов А.Г. Основы автоматизации производства. М.: Машиностроение, 1989. - 312 с.137

59. Стефани Е.П. Основы построения АСУ ТП.: М.: Энергоиздат, 1982. -352с.

60. Тихонов А.Н., Саморский A.A. Уравнения математической физики М.: Наука, 1972. -735с.

61. Топчиева К.В., Щербакова К.Д. Электропроводность. М.: - Изд-во московского университета, 1953. - 28 с.

62. Трейер В.В. Электрохимические приборы. М.: Советское радио, 1978. -88 с.

63. Черкез М.Б., Богорад Л.Я. Хромирование. Л.: Машиностроение. 1987 -104 с.

64. Шапиро C.B., Зинин Ю.Н., Иванов A.B. Системы управления с тиристорными преобразователями частоты для электротехнологии. М: Энергоиздат, 1989.

65. Шлугер М.А. Гальванические покрытия в машиностроении: Справочник. В 2-х томах. / М.: Машиностроение, 1985. - Т.1 - 240 с.

66. Хасцаев Б.Д. Принципы построения преобразователей импеданса с улучшенной сходимостью, чувствительностью и линейностью. -Владикавказ: Терек, 1998. 90 с.

67. Хасцаев Б.Д., Аликов А.Ю. Микроконтроллерная система управления гальванопроцессом с использованием преобразователя импеданса / 2-ая Международная конференция молодых ученных и студентов "Актуальные проблемы современной науки". Самара, 2001.

68. Хасцаев Б.Д., Аликов А.Ю. Преобразователь импеданса с микропроцессорной системой управления / Электронная заочная конференция "Молодые ученные первые шаги третьего тысячелетия". Ижевск, 2001.

69. Хасцаев Б.Д., Аликов А.Ю. Автоматизированная система управления гальванопроцессом./2-ая Межрегиональная конференция "Студенческая наука экономике России". Ставрополь, 2001.

70. Химмельбрау Д. Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир., 1975.-534с.

71. Худякова Т.А., Арбатский А.П. Кислотно основные свойства электролитов и критерии их анализа /- М.: Химия, 1988. - 64 с.

72. Ястребенецкий М.А., Иванова Г.М. Надежность автоматизированных систем управления технологическими процессами. М.: Энергоатомиздат, 1989.-264с.139