А.Р. Галлямов, С.Ю. Ганигин, С.С. Кретов, А.С. Марков, В.С. Марков
Самарский государственный технический университет
Описана наукоемкая автоматизированная система управления технологическим процессом электрохимического серебрения, осуществляющей функции сбора информации о параметрах процесса, контроля и регистрации технологических режимов, формирования управляющих воздействий для достижения требуемых показателей качества серебряно-алмазных покрытий, обеспечивающих существенное повышение эксплуатационных характеристик ответственных элементов тяжелона- груженных узлов трения.
Структурная схема автоматизированной информационной и управляющей системы приведена на рис. 1 (система управления током выделена штриховой линией).
В автоматизированной системе выделены следующие структурные элементы и влияющие величины:
безцианистый дицианоаргентатный электролит с добавление УДА. Непрерывному измерению подлежат такие величины как температура, показатель PH, проводимость. Состав электролита определяется периодическим отбором проб;
процесс формирования функциональных серебряных покрытий характеризуется функциональными свойствами получаемых покрытий, таких как износостойкость, твердость, блеск, адгезия, шероховатость, пористость и показателями производительности процесса, такими как скорость осаждения, расход электролита, потребляемая мощность;
источник технологического тока, формирующий управляющие воздействия (амплитуда тока нанесения и коэффициент асимметрии);
исполнительная часть автоматической системы управления технологическим процессом, осуществляющая формирование сигнала формы технологического тока;
автоматизированная информационноизмерительная экспертная система, осуществляющая сбор данных и передачу этой информации в автоматическую систему управления для принятия решений о коррекции процесса, индикацию и регистрацию основных параметров.
Покрытия с заранее заданными эксплуатационными свойствами за последнее время приобретают значительный удельный вес в современной промышленности. Одновременно повышаются требования, предъявляемые к технологии электроосаждения серебра и физико-химическим свойствам получаемых осадков. В лаборатории «Наноструктурированных покрытий»
СамГТУ была разработана и внедрена в производство автоматизированная система управления технологическим процессом электрохимического серебрения. Основные свойства формируемых покрытий при заданном составе электролита определяются параметрами и формой технологического тока, которые рассчитываются и задаются на основе анализа показателей процесса и полученной модели, связывающей их со свойствами покрытий. Разработанная система используется вместе с автоматизированной информационно-измерительной экспертной системой. В этом случае измерительная система корректирует параметры тока и напряжения в соответствии с реальной ситуацией в ванне с электролитом. При разработке системы необходимо предусмотреть режимы ручного управления. В этом случае параметры процесса задаются с клавиатуры или внешнего генератора управляющего сигнала.
Рис. 1. Информационно-измерительная и управляющая система
Используемый в разработанной системе источник тока обладает следующими характеристиками, показанные в таблице 1. Исполнительная часть системы управления обеспечивает возможность задания параметров типовых силовых сигналов, формируемых источником тока по интерфейсу RS-232. При этом осуществляется включение / выключение источника, определение режима (ток / напряжение), определяется форма тока (постоянный уровень, меандр, гармонический сигнал с постоянной составляющей, асимметричный синус) и задаются такие параметры как:
Таблица 1. Характеристики источника технологического тока
максимальная частота выходного сигнала, Г ц |
200 |
тип задания выходного сигнала |
ШИМ- последовательность |
частота управляющего сигнала, кГц |
5 |
максимальная амплитуда выходного сигнала, В |
24 |
максимальная амплитуда тока, А |
50 |
режимы стабилизации |
напряжение / ток |
напряжение питания источника тока, В |
220 |
частота питающего напряжения, Гц |
50-60 |
уровень подавления частоты ШИП на выходе, при сопротивлении нагрузки 0,5 Ом. дБ |
не менее 40 |
температура эксплуатации, °С |
от -10 до +40 |
габариты, см |
13x22x45 |
масса, кг |
18 |
- постоянный уровень (в систему управления
от внешней ЭВМ передается значение напряжения / тока);
меандр (от внешней ЭВМ передается значение амплитуды, частоты и постоянной составляющей напряжения / тока);
гармонический сигнал с постоянной составляющей (от внешней ЭВМ передается значение амплитуды, частоты и постоянной составляющей напряжения / тока);
асимметричный синус (от внешней ЭВМ передается значение частоты амплитуды верхней полуволны и амплитуды нижней полуволны).
Параметры протокола обмена данн
Рис. 2. Структурная схема информационно-измерительной системы
В рассматриваемой схеме выделены следующие структурные элементы: Д1 - датчик температуры, служит для преобразования температуры электролита в ванне в электрические сигналы; Ди.ист - датчик напряжения на источнике технологического тока; Ди.в. - датчик напряжения на клеммах электродов ванны; Д1 - датчик тока цепи; У1 - У4 - усилители сигнала. Данные усилители выполняют две функции: масштабирование сигнала с датчиков и согласование сопротивлений датчиков и входных сопротивлению АЦП; АЦП - аналогово-цифровой преобразователь для преобразования аналоговых сигналов в цифровой код; ИОН - источник опорного напряжения, необходим для высокоточной работы АЦП; дисплей - жидкокристаллический индикатор, который служит для вывода информации для пользователя; клавиатура - кнопочный блок для ввода параметров и управление меню ИИС; МК - микроконтроллер, управляет работой АЦП и дисплея, обрабатывает поступающую информацию, подает управляющие сигналы на исполнительную часть; RS- 485 - преобразователь интерфейса UART микроконтроллера в RS-485; RS-232 - преобразователь интерфейса UART микроконтроллера в RS- 232.
Подключение периферийных устройств, таких как, клавиатура, дисплей, внешняя ЭВМ, исполнительная часть системы управления подразумевает разработки или использования стандартных протоколов обмена данными. Для записи, визуализации, обработки и хранения сигналов, отображающих технологические параметры гальванического осаждения покрытий, разработан пакет прикладных программ, имеющий возможность формирования отчетного протокола технологической обработки деталей, регистрируемых с помощью аналого-цифровых преобразователей. Рабочей программе присвоено имя «Galvanic sedimentation». Программа работает в среде Windows XP-Windows 7. Программа представляться в виде дистрибутива исполняемого файла и содержит средство защиты, ограничивающих ее применение (по сроку использования, по функциям и т.п.). На рис. 3 представлен внешний вид всего комплекса. Аппаратный комплекс состоит из блоков управления режимами работы источника тока серебрения в соответствии с описанием приведенным выше.
Рис. 3. Внешний вид аппаратного комплекса системы управления процессом серебрения
Выводы: в результате разработки информационно-измерительной и управляющей системы появилась возможность промышленного использования технологического экологически- безопасного процесса получения электрохимических серебряных покрытий с использованием бесцианистого электролита на асимметричном переменном токе. Это стало возможным путем выполнения следующих условий:
повышение точности стабилизации температуры, электрической проводимости и показателя pH электролита, а также введение в процесс серебрения соответствующих указанным величинам информационных каналов контроля, управления и регистрации;
обеспечение возможности управления частотой асимметричного тока. До этого в процессе серебрения использовался ток промышленной частоты 50 Гц. При этом невозможно было получать покрытия с требуемой шероховатостью, а также возникали поверхностные дефекты. В результате внедрения системы появилась возможность управлять плотностью покрытий, обеспечивая градиент механических свойств;
повышение точности установки тока серебрения, что обеспечило равномерность покрытий по толщине и прогнозирование свойств покрытий;
обеспечение возможности независимого изменения коэффициентов асимметрии тока в широких пределах, что позволило гибко управлять показателями механической прочности получаемых покрытий;
автоматизация процесса управления технологическими режимами, определяемыми током, напряжением, частотой;
внедрение программного обеспечения, позволяющего регулировать технологические режимы в процессе осаждения путем программного изменения тока, коэффициента асимметрии и частоты во времени. Это позволяет уменьшить количество работников, повысить производительность и снизить требования к квалификации оператора линии (при этом уменьшается влияние человеческого фактора).
Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, в рамках выполнения ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20072013 годы», госконтракт № 14.518.11.7023.