автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка и исследование систем автоматизированногоуправления электротехнологическими процессами(на примере гальванотехнологии)

I "*

7 ®

На правах рукописи

МОУРАОВ АЛАН ГЕОРГИЕВИЧ

Разработка и исследование систем автоматизированного управления электротехнологнческими процессами (на примере гальванотехнологни)

Специальность: 05.13.01 - Управление в технических системах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владикавказ - 1997

Работа выполнена на кафедре промышленной электроники и кафедре информационных систем Северо-Кавказского государственного технологического университета.

Научные руководители: д.т.н., проф. Дедегкаев А.Г.,

д.т.н., проф. Пагиев К.Х. Официальные оппоненты: д.т.н., проф. Хузмиев И.К.,

к.т.н. Жуковецкий О.В.

Ведущее предприятие: АО "Крон", г. Владикавказ.

Защита состоится "28" Лгортд 1997 г. в комнате Трудовой Славы СКГТУ в /3.ЪО час. на заседании диссертационного Совета К 063.12.03 в Северо-Кавказском ордена Дружбы народов государственном технологическим университете по адресу: 362021, Россия, РСО-Алания, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44, Ученый Совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

СКГТУ.

Автореферат разослан _1997

г.

Ученый секретарь диссертационного сов! К 063.12.03

Б.Д. Хасцаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. 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. 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 изменением выходных параметров, и стратегией управления - заданием оптимального режима процесса, отличительной чертой которого является неоднозначность комплексного влияния параметров на скорость и качество получаемого покрытия.

Результат технологического процесса осаждения металла зависит от многих факторов, таких как:

- состав электролита;

- плотность тока и потенциал катода;

- температура процесса;

- размер и форма ванн;

- применение реверсивных режимов покрытия или токов специальной формы и многих других.

Выбор стратегии управления, направленной на поддержание заданных параметров и оптимизацию процесса, зависит от аппаратной реализации и структуры программного обеспечения системы автоматизированного управления, от типа технологического процесса.

При адаптивном управлении в многоуровневых системах управления процессом гальванопокрытия следует корректно определить функции автоматизированной системы:

- функцию идентификации, которая служит для определения текущего значения показателя качества;

- функцию принятия решения после выявления показателя качества;

- функцию настройки, которая заключается в реализации принятого решения.

В качестве объекта управления системы автоматизированного управления технологическим процессом гальванопокрытия выступает гальванованна. Она характеризуется сложными нелинейными зависимостями между компонентами и параметрами процесса. При этом, выполнение основной задачи - получение качественного покрытия с необходимыми свойствами, невозможно без обработки информации, определяющей комплексные характеристики ванны, и поддержания заданных оптимальных режимов технологического процесса.

Функционирование автоматизированной системы должно обеспечить выполнение следующих этапов технологической цепочки:

1. Идентификацию процесса, т.е. определение соответствующих технологических параметров: состав электролита, размеры ванны, расчетное время процесса и т.д.

2. Выбор и задание оптимальных электрических параметров процесса.

3. Контроль хода процесса и выполнения технологической карты.

4. Контроль за качеством покрытия и внесение необходимых корректив в ход процесса.

На каждом из этапов работы системы должен обеспечиваться контроль оператором и возможность оперативной коррекции всех параметров.

Основной целью работы является разработка методики определения оптимальных технологических параметров

гальванопроцессов, выбор критерия их взаимосвязи для создания системы автоматизированного управления, разработка методики нахождения оптимальных значений энергетических показателей технологического процесса, разработка алгоритма функционирования и пректирование системы автоматизированного управления гальванопроцессом.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

- анализ и выявление зависимости между технологическими параметрами процесса гальванопокрытия и физико-химическими свойствами электролита и металлов;

- моделирование и исследование компонент системы, задействованных в технологическом процессе;

- определение критерия оптимальности для характе-ризации электрических параметров гальванопроцесса;

- определение требований к оптимальному построению системы автоматизированного управления гальванопроцессом;

- разработка алгоритма функционирования автоматизированной системы и практическая реализация основных ее компонент.

Методы исследования. При выполнении работы применен комплекс методов, включающий методы оптимизации, использующиеся в теории ориентированных взвешенных графов, аппроксимации функций, методы математического моделирования на ЭВМ.

Экспериментальные исследования выполнены на опытных и промышленных установках в лабораторных и заводских условиях.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований;

- работоспособностью и соответствием предъявляемым технологическим требованиям технических характеристик

основных компонент спроектированной системы автоматизированного управления (САУ), созданных на базе разработанных научных положений, выводов и рекомендаций;

- внедрением созданных устройств в ряде организаций и промышленных предприятий, использованием полученных результатов в учебном процессе.

Научная новизна работы заключается:

- в определении параметров гальванопроцессов в зависимости от расположения металла покрытия в Периодической Системе Элементов (ПСЭ);

- в разработке конечно-автоматной модели системы автоматизированного управления процессом гальванопокрытия;

- в разработке методики определения оптимальных параметров гальванопроцесса на основе статистического и графического методов расчета;

- в определении критерия оптимальности проектируемой системы автоматизированного управления, характеризующего ее соответствие принятым требованиям;

- в предложении конкретных рекомендаций по обеспечению выбора оптимальных параметров технологического процесса гальванопокрытия на основе их универсальной зависимости от физико-химических свойств металлов покрытия;

- в разработке алгоритма функционирования системы автоматизированного управления, реализующего предложенную методику расчета показателей системы и обеспечивающего оптимальное значение найденного критерия.

Практическая значимость работы состоит:

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

- во внедрении разработанных аппаратных и программных средств в практику автоматизации технологических

процессов, позволяющих обеспечить до 30 % экономии материальных и энергетических ресурсов;

- в ограничении влияния вредных условий на экологическую безопасность гальванопроизводства;

- в использовании полученных результатов в учебном процессе.

Реализация результатов работы. На основе результатов, полученных в работе, разработан алгоритм и построена система автоматизированного управления, включающая в себя контроллер автоматизированного управления технологическим процессом гальванопокрытия (КАУТП), систему управления реверсивным источником тока (РИТ) для управления электрическими параметрами гальванопроцесса, систему управления транспортно-распределительным модулем гальваноцеха, программные продукты, реализующие оптимальную работу САУ.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях СКГТУ (1992-1997 г.г.), Всероссийской научно-технической конференции "Электронные приборы и системы в промышленности" в г. Владикавказе - 1994 г., международном симпозиуме "Логическое управление, интеллектуальные информационные технологии и стратегии" в г. Рязани - 1996 г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 7 печатных работах.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации 153 стр., в том числе 45 рисунков, 5 таблиц, список литературы из72 наименований, приложение на 12 стр.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, поставлена цель исследований, обоснованы и сформулированы задачи исследований.

Первая глава посвящена исследованиям типовых процессов гальванопокрытия с целью выявления влияния их технологических параметров на качество получаемых осадков [1,2].

Выявлены характерные особенности технологии и предложены способы улучшения качества покрытий с помощью регулирования электрических параметров. Показано, что для получения высококачественного покрытия необходимо применение токов специальной формы (реверсивного, ступенчатого, "ударного" и др.), предотвращающих образование крупнокристаллических осадков.

Проведены исследования по систематизации технологических параметров процессов гальванопокрытия.

Показано, что основные технологические параметры: рабочая плотность тока осаждения Ик (А/дм2) , кислотность раствора рН и температура процесса / (°С), зависят от физико-химических свойств металла покрытия, определяемых его положением в Периодической Системе Элементов (ПСЭ).

Предложена методика, позволяющая по принадлежности металла покрытия к периодам ПСЭ определить допустимые пределы значений йк, рН, 1° и их оптимальное соотношение, а также позволяющая на основе имеющихся сведений о материале покрытия задать требуемый режим осаждения.

Многочисленные эксперименты позволили доказать, что для любого металла возможно установить приемлемый режим осаждения.

На основании экспериментальных и аналитических данных выявлена зависимость скорости осаждения различных металлов и рабочей плотности тока осаждения Бк (А/дм2) от атомной массы м (а.е.м.), приведенная на рис. I, описываемая следующим соотношением:

сп = м\ / \

(О

где: ф - угол наклона зависимости скорости осаждения металла от рабочей плотности тока; и - скорость осаждения металла, мкм/ч; Ик- рабочая плотность тока осаждения, А/дм2; м - атомная масса металла осаждения, а.е.м.

В порядке увеличения угла наклона прямой, характеризующей изменение скорости покрытия и (мкм/ч) в зависимости от значения рабочей плотности тока Ок (А/дм2), к оси X выведен следующий ряд металлов покрытия Сг, N1', Си, Сс1, Бп, РЬ. Это позволяет прогнозировать оптимальное время протекания любого процесса гальванопокрытия.

Проведены исследования гальванованны как объекта управления. Показано, что при питании гальванованны от источника тока обеспечивается значительно большее постоянство рабочего тока осаждения, чем при питании от источника напряжения.

Сформулированы требования к электрическим параметрам гальванопроцесса, удовлетворяющие организации практически всех типов технологических процессов осаждения металлов.

Вторая глава посвящена исследованию различных схем источников питания (ИП) гальванованн и определению критерия оптимальности выбора энергетического оборудования для гальванотехнологий, связывающего энергетические параметры и экономические показатели источника питания [5].

Проведен подробный анализ компенсационных и параметрических стабилизаторов, выделены достоинства и недостатки однофазных и многофазных схем обоих типов.

Показано, что для выпрямителей компенсационного типа характерным является невысокое значение коэффициента мощности Км, и для эффективного использования их в электротехнологии необходимо усложнение схем специальными входными блоками.

Рис. I. Зависимость скорости осаждения металлов от рабочей плотности тока

Рис. 2. Зависимость значений целевой функции Фэ от номинальной мощности нагрузки

Особо отмечено, что для сильноточных электрохимических технологий наиболее эффективно применение трансформаторно-ключевых структур. Приведены аналитические выражения для расчета энергетических показателей таких структур.

Показано, что критичность схем индуктивно-емкостных преобразователей (ИЕП), относящихся к параметрическим источникам тока, к режимам холостого хода (разрыва цепи нагрузки), характерным для гальванотехнологий, ограничивает их применение в качестве источников питания гальванованн.

Исходя из необходимости реверсирования тока в гальванованне показано, что наиболее приемлемой схемой реализации источника питания гальванованны является схема с дополнительным комплектом тиристоров.

Определены требования к системе управления силовой частью источника питания гальванованны, удовлетворяющие его работе в составе системы автоматизированного управления гальванопроцессами:

- модульная реализация;

- поддержка режима источника тока;

- ограничение и регулирование тока;

- ограничение и регулирование напряжения;

- поддержка режимов непрерывного тока, прерывистого тока, реверсивного тока;

- устойчивость к режимам холостого хода и короткого замыкания;

- возможность оперативного изменения выходных параметров в широком диапазоне регулирования.

Предложен критерий оптимальности реализации энергетических параметров гальванопроцесса - целевая функция Фэ (б/р), связывающая экономические показатели выбранного источника питания и его энергетические показатели

п С. к т.

Ф^Ца^+ЦЬ^ , (2) ¡=1 С■ м т

где: а,-, ¿^-весовыекоэффициенты показателей (б/р); С,- - экономические показатели (тыс.руб.); Ср - ограничения экономических показателей (тыс.руб.); /и,- - массо-габаритные показатели (кг); пу0 - ограничение массо-габаритных показателей (кг); п,к- количество соответствующих показателей (б/р). Необходимая точность расчета целевой функции Фэ обеспечивается уже при п=к=3. При этом получим:

, С, С2 С, , т. , ту , тс Ф3=а1^+а2-?-+а3+-±+Ь1-^+Ь2+-^+Ь3-^ , (3)

^10 20 30 тю т\0 тс0

где: Су - стоимость вентильного преобразователя (тыс.руб.);

С2 - стоимость электроэнергии, потребляемой за единицу времени (тыс.руб.);

Сз- ежегодные затраты на обслуживание (тыс.руб.); т( - масса трансформаторного оборудования ИП (кг); ту - масса вентильного оборудования ИП (кг); тс - масса конденсаторного оборудования (кг); Со1> Со2> С03, т^ }Щ0, тс0 - ограничения соответствующих показателей.

Приведена расчетная зависимость значений целевой функции от номинальной мощности нагрузки для пяти структур построения ИП (рис. 2):

- для однофазной нулевой схемы (прямая 1);

- для трехфазной нулевой схемы (прямая 2);

- для шестифазной нулевой схемы (прямая 3);

- для выпрямителей со звеном повышенной частоты (прямая 4);

- для выпрямителей на основе регулируемых ИБП (прямая 5).

Сделан вывод о целесообразности модульной структуры ИП с базовой ячейкой, выполненной по однофазной нулевой схеме.

Достоинство предложенного подхода к оптимизации энергетических параметров ИП, как составной части системы автоматизированного управления, заключается в его гибкости, позволяющей в конкретных условиях производства расширить состав показателей целевой функции.

В третьей главе рассмотрены вопросы моделирования энергетических процессов в гальванотехнике [6,7].

Для моделирования использован пакет программ Micro-Sim Design, основанный на алгоритмах расчета электрических и электронных схем PSpice.

Рассмотрены следующие схемы ИП: однофазная нулевая, трехфазная нулевая, однофазная мостовая, трехфазная с уравнительным реактором.

В качестве нагрузки ИП проанализированы две схемы замещения гальванованны: упрощенная и схема с распределенными параметрами.

Показано, что формы токов и напряжений на элементах электрических схем совпадают с экспериментальными данными, что говорит о достоверности применения указанного пакета программ для предварительного анализа реакции гальванованны на управляющие изменения электрических параметров процесса.

Предложена формализованная схема технологического процесса гальванопокрытия в виде графа переходов (рис. 3), описывающая поведение всего комплекса оборудования гальваноцеха, его состояния, входные и выходные переменные. В описание процесса включены этапы подготовки производства, транспортировки и загрузки деталей, выбор оптимальных значений энергетических и технологических показателей, контроль и управление ходом технологического процесса.

Рис. 3. Граф переходов системы автоматизированного управления гальванопроцессом

Рис. 4. Граф переходов системы управления транспортно-распределительным модулем

Для микропроцессорной системы, применяемой в управлении гальванопроцессом, доказана достаточность одного порта ввода информации.

Формальная постановка задачи по В. А. Горбатову имеет вид: для графа переходов

С„=<8,(и(Х,¥))> , (4)

где: носитель графа в - множество состояний системы;

сигнатура и(Х,У) - множество значений функций выходов и переходов, и некоторого числа К определить возможность разложения исходного графа в частичное декартово произведение графов

1=1

где:

С„=ПС, , (5)

С, = {^.(Х,,¥,))>. ¡=1,2,3,...п , (6)

таких, что для любого сомножителя справедливо:

Р(Х!)<Р(Х),

где: Р(Х0, Р(У|) - множества компонент входных и выходных векторов соответственно;

- мощность множества компонент входного

вектора.

Для решения задачи оптимизации распределения портов использован метод покрытия таблицы на основе учета частотных характеристик моделей, предложенный академиком В.А. Горбатовым.

Четвертая глава посвящена разработке алгоритма функционирования системы автоматизированного управления технологическим процессом гальванопокрытия (САУ), вопросам проектирования ее узлов [3,4].

Сформулированы требования к САУ, которые включают в себя: надежность, гибкость, универсальность, безопасность, устойчивость к аварийным режимам, саморегуляцию.

Предложен критерий оптимальности проектирования системы - обобщенный показатель системы

Пс = Кн + Кгб + Ку+ Кар+ Кср (8)

с условием оптимальности Пс —»4,

где: К„ - обобщенный коэффициент надежности (б/р);

Кг6 - коэффициент гибкости (б/р);

Ку- коэффициент универсальности (б/р);

Кар - коэффициент устойчивости к аварийному режиму (б/р);

Кср - коэффициент саморегуляции системы (б/р).

Для каждого из коэффициентов приведены расчетные выражения.

Предложено построение САУ по иерархическому принципу, позволяющее оптимально распределить выполнение функций по воздействию на объект управления (ОУ) между устройством управления (УУ) и интерфейсами управления (И).

Определены задачи, возлагаемые на интерфейсы управления.

Разработана формализованная схема функционирования системы управления транспортно-распределительным модулем (ТРМ) цеха гальванопокрытий (рис. 4) как интерфейса управления И1, определены состояния системы управления, входные и выходные переменные.

Предложен и описан алгоритм функционирования САУ (рис. 5).

Рис. 5. Алгоритм функционирования системы автоматизированного управления гальванопроцессом

Разработана функциональная схема управляющего интерфейса И2 - контроллера автоматизированного управления технологическим процессом (КАУТП), предложен вариант ее реализации на однокристалльной микроЭВМ.

Приведена общая функциональная схема САУ, включающая управляющую ПЭВМ, контроллер автоматизированного управления технологическим процессом (КАУТП), реверсивный источник тока (РИТ), гальванованну (ГВ).

В качестве РИТ предложено использовать разработанную в СКГТУ серию реверсивных источников тока с доработанной системой управления.

В приложении приведены документы, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы.

Выводы

1. Выявлены зависимости физических параметров процесса гальванопокрытия от характеристик металла, определяющих его положение в ПСЭ. Определена качественная зависимость рабочей плотности тока и скорости осаждения от атомной массы металла.

2. Сформулированы требования к системе управления силовой частью источника питания гальванованны, удовлетворяющие применяемым в гальванотехнологии энергетическим режимам.

3. В качестве критерия, оценивающего оптимальность выбора силовой схемы источника питания гальванованны, предложена целевая функция, учитывающая энергетические и экономические показатели выбранной силовой схемы.

4. На основе теории ориентированных взвешенных графов построена формализованная схема гальванопроцесса, описывающая все этапы функционирования комплекса оборудования цеха гальванопокрытия.

5. Для оценки степени соответствия построенной системы автоматизированного управления поставленным требованиям ее функционирования предложен обобщенный

показатель системы, учитывающий количественные значения показателей,соответствующих этим требованиям.

6. Предложен алгоритм функционирования разработанной системы автоматизированного управления технологическим процессом гальванопокрытия.

7. Построена формализованная схема работы системы управления транспортно-распределительным модулем, реализуемая логическим автоматом.

8. Разработана схема контроллера автоматизированного управления технологическим процессом гальванопокрытия, реализуемая микропрограммным автоматом.

Основное содержание диссертации отражено в следующих опубликованных работах:

1. Моураов А.Г. Автоматизированный выбор параметров для оптимизации технологических процессов осаждения металлов // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. 1994. № 4-6, С. 221-224.

2. Пагиев К.Х., Моураов А.Г. Учет особенностей процессов электротехнологии для автоматизированного проектирования гальванопроизводства // НТК, посвященная 30-летию образования ФЭТ и 80-летию Г.М. Бутаева. Тезисы докладов. Владикавказ. 1994. С. 30-31.

3. Пагиев К.Х., Моураов А.Г. Совершенствование электронной контрольно-измерительной аппаратуры для взрывных работ // Материалы Всероссийской НТК "Электронные приборы и системы в промышленности". Владикавказ. 1994.

4. Дедегкаев А.Г., Моураов А.Г. Реализация алгоритма управления технологическим процессом гальванопокрытия // Сборник научных трудов, посвященный 50-летию электромеханического факультета СКГТУ. Владикавказ. 1995. С. 125-128.

-205. Пагиев К.Х., Моураов А.Г. Комплексное совершенствование параметров токового обеспечения электротехнологий переработки руд // Труды Северо-Кавказского государственного технологического университета, вып. 1. 1995. С. 176-179.

6. Моураов А.Г. Моделирование электрических процессов в технологии гальванопокрытия с помощью пакета М1сгоСарШ // НТК, посвященная 50-летию Победы над фашистской Германией. Тезисы докладов. Владикавказ. 1995. С. 13.

7. Пагиев К.Х., Моураов А.Г. Оптимизация электротехнологических процессов в электрохимии // Материалы международного симпозиума "Логическое управление, интеллектуальные информационные технологии и стратегии". Рязань. 1996.

Подписано к печати 18.02.97. Печ. л. 1,25 Тираж 100 экз. ЗаказЗС Подразделение оперативной полиграфии СКГТУ.

Владикавказ, ул. Николаева, 44