Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ гальванического процесса с циклическим включением анодных секций и постановка задачи исследования 13
1.1 Общие сведения о гальванотехнике 13
1.2 Основные критерии качества гальванического покрытия 15
1.3 Методы повышения равномерности покрытий 17
1.4 Анализ современного состояния в области управления гальваническими процессами в ваннах со многими анодами 21
1.5 Гальванический процесс в многоанодной ванне, функционирующей в режиме циклического включения анодных секций 25
1.6 Гальванический процесс с циклически включаемыми анодными секциями как объект управления 27
1.7 Постановка задачи оптимального управления гальваническим процессом 29
Выводы по первой главе 31
Глава 2 Математическое моделирование гальванических процессов с циклическим включением анодных секций 32
2.1 Построение математической модели гальванических процессов с циклически включаемыми анодными секциями 32
2.2 Алгоритм решения системы уравнений математической модели гальванического процесса 38
2.3 Проверка адекватности алгоритма расчёта системы уравнений математической модели 47
Выводы по второй главе 58
Глава 3 Методы поиска оптимальных управлений гальваническими процессами с циклическим включением анодных секций 60
3.1 Обзор и анализ методов решения задачи оптимального управления гальваническими процессами 60
3.2 Способ решения задачи оптимального управления гальваническими процессами 68
3.3 Анализ алгоритмов решения задачи оптимального управления гальваническими процессами 76
3.4 Пример решения задачи оптимального управления гальваническими процессами 85
Выводы по третьей главе 91
Глава 4 Автоматизированная система управления технологическим процессом нанесения гальванического покрытия в ванне с циклическим включением анодных секций 93
4.1 Структура и состав системы управления 93
4.2 Программное обеспечение системы управления 98
4.3 Информационное обеспечение системы управления 104
4.4 Методика автоматизированного поиска оптимального управления гальваническим процессом 106
4.5 Техническое обеспечение системы управления 113
4.6 Использование результатов диссертационной работы 129
Выводы по четвёртой главе 129
Заключение 131
Список сокращений и условных обозначений 132
Список использованных источников 137
- Анализ современного состояния в области управления гальваническими процессами в ваннах со многими анодами
- Гальванический процесс с циклически включаемыми анодными секциями как объект управления
- Алгоритм решения системы уравнений математической модели гальванического процесса
- Пример решения задачи оптимального управления гальваническими процессами
Анализ современного состояния в области управления гальваническими процессами в ваннах со многими анодами
Процессы нанесения гальванических покрытий протекают в гальванической ванне – электролизере, заполненном электролитом (раствор щёлочи или кислоты). В электролит погружаются металлические электроды, к которым подводится ток от внешнего источника. Электрод, соединенный с положительным полюсом источника питания, называется анодом, электрод, соединенный с отрицательным полюсом, называется катодом [1]. Ток в электролите переносится ионами: катионами, несущими положительный заряд, и анионами, несущими отрицательный заряд. На границе металлических электродов и электролита происходят акты передачи электронов от катода катионам (процесс восстановления) и от анионов к аноду (процесс окисления), которые обеспечивают непрерывность протекания тока [2]. Акты, протекающие на катоде и аноде, называются электродными процессами, а в целом окислительно-восстановительный процесс называется электролизом.
Рис. 1.1а демонстрирует схему и оборудование для получения гальванических покрытий. Для дальнейшего понимания многих закономерностей полезно рассмотреть электрический эквивалент электрохимической ячейки, то есть изобразить её в виде схемы, где реальные процессы, происходящие в электрохимической ячейке, абстрактно представлены в виде сопротивлений и емкостей. Электрический эквивалент электрохимической ячейки, состоящей из источника питания и пары электродов в растворе электролита, можно изобразить следующим образом (рис. 1.1б) [3]. На рис. 1.1б приняты следующие обозначения: U – напряжение питания; RA и RK – поляризационные сопротивления анода и катода (все процессы, происходящие у поверхности и на поверхности анода и катода, приводящие к возникновению тока). Они включают адсорбцию, химические реакции (протонизация, диссоциация и др.), в результате которых образуется электроактивная форма вещества, и, естественно, перенос электронов. Каждый элек 14 трод, кроме того, можно представить как конденсатор с емкостями СA и СK соответственно. Одной обкладкой такого «молекулярного» конденсатора служит заряженная поверхность электрода, другой – плоскость, проходящая через центры максимально приближенных к нему противоположно заряженных ионов. Электроды разделены раствором с сопротивлением RЭ. Электроды и находящийся между ними раствор образуют конденсатор, часто называемый межэлектродной ёмкостью, определяемой так:
Предприятиям, на которых существуют гальванические цеха, в целом необходимо решать задачи управления автоматическими линиями, которые разделяют на две группы [5]: управление автооператорами, перемещающими изделия по позициям обработки, и управление технологическими процессами, протекающими в ваннах.
Рассмотрим вопросы управления важнейшим объектом технологической цепочки нанесения покрытия – гальванической ванной. Процессы нанесения гальванических покрытий находят самое широкое применение в современной промышленности, в том числе и машиностроительном производстве, где возникают следующие проблемы: - с одной стороны – качество обработки деталей различной сложности при стохастическом характере их поступлений на обработку и ограничениям, как по времени обработки, так и по используемым энергоресурсам; - с другой стороны – проблема экономии производственных затрат, связанная с высокой стоимостью энергетических и сырьевых ресурсов.
Данная работа посвящена повышению качества покрываемых гальваническим методом изделий, что так же делает её актуальной и своевременной.
И для анодных и, особенно, для катодных покрытий большое значение имеет соблюдение минимальной толщины покрытия в соответствии с требованиями государственных стандартов [6]. Минимальная толщина является количественной характеристикой гальванического покрытия и колеблется от десятых долей микрометра (для благородных металлов) до десятых долей миллиметра (для хрома). В зависимости от назначения и условий эксплуатации покрываемого изделия, качественные характеристики наносимого гальванического покрытия можно оценить с использованием целого ряда критериев: равномерность, микротвёрдость, блеск, прочность сцепления электрохимического покрытия с основой, пористость, коррозионная стойкость металла, шероховатость, паяемость, удельное электрическое сопротивление.
Важнейшим показателем качества полученного покрытия является его равномерность. Неравномерность - явление негативное, так как приводит к дополнительному расходу электроэнергии и металла покрытия, что особенно нежелательно при использовании благородных металлов [7].
Гальванический процесс с циклически включаемыми анодными секциями как объект управления
При решении задачи оптимального управления (1.16) главной трудностью является определение распределения потенциала в области электролита VЭ посредством решения уравнения параболического типа (2.10) с учётом граничных условий (2.12), (2.13) и (2.15). Аналитическое решение этого уравнения при нетривиальных формах поверхностей анодов, катодов, изоляторов представляется чрезвычайно сложным, если оно и вообще возможно. Автором предлагается использовать численный метод верхней для решения поставленной задачи [47]. В данном разделе описан этот метод.
На пространство внутренней области гальванической ванны V накладывается равномерная сетка, представляющая собой трёхмерный массив узлов, причём шаг сетки по всем координатам может быть различным. Множество сетки обозначим буквой :
В связи с вышесказанным, уравнения (2.1) – (2.3), (2.7) – (2.9), уравнение параболического типа (2.10) с граничными условиями (2.12), (2.13) и (2.15) заме няются аппроксимацией на множестве . Это означает, что область определения указанных уравнений становится не непрерывным, а дискретным конечным множеством . Прежде, чем искать замену уравнениям (2.1) - (2.3), (2.7) - (2.10), (2.12), (2.13) и (2.15), следует пометить узлы сетки как принадлежащие либо поверхности анодных секций, либо поверхности катода, либо поверхности изолятора, либо области электролита. Способ задания принадлежности узлов каким-либо из этих областей рассматривается в работе [48], которая посвящена исследованиям существующих математических моделей, описывающих геометрию объемных объектов. В ней для учёта конфигурации электролизера предлагается использование геометрической модели рецепторного типа, идея которой следующая. После разбиения внутренней области гальванической ванны равномерной сеткой, пространство V будет состоять из NxNyNz точек. Тогда для ij.k-й точки вводится следующие функции:
Как видно из примеров, предлагаемая геометрическая модель рецепторного типа описывает базовый класс объектов гальванической ванны в статическом режиме работы, однако не способна описать режим циклического переключения анодных секций. Поэтому на базе модели (2.17) предлагается построить новую модель рецепторного типа G, которая учитывает не только пространственные координаты (x,y,z), но и временную составляющую гальванического процесса т [49]: VT G[0;Tj],Vk = l,..,i):
Задавая конкретные значения координат i,j ,к-й точки Xi,yi,Zi и момент времени т, определяется её принадлежность к определённому объекту гальванической ванны.
Перед рассмотрением методики расчёта системы уравнений (2.1) - (2.16), (2.19) заметим, что математическая модель гальванического процесса с циклическим включением анодных секций включает дифференциальное уравнение в частных производных параболического типа (2.10). В связи с тем, что в правой час 41 ти уравнения (2.10) находится константа со значением порядка 10 ...10 (скорость света в квадрате), а в правой части уравнения (2.4) содержатся значения по-рядка 10 ...10 , то полученная система дифференциальных уравнении является жёсткой и для её решения используется подход, предложенный в работах [50, 51]. Рассмотрим теперь методику решения дифференциального уравнения Лапласа (2.20) с краевыми условиями II и III рода (2.12), (2.13) и (2.15), преобразованными к следующему виду соответственно: при этом временная составляющая т уходит из краевых условий, однако за выбор напряжения Umn(i) на т,п-й анодной секции отвечает модель G (2.19).
Численное решение системы уравнений (2.1) - (2.15), связывающей варьируемые значения анодных напряжений с векторным критерием оптимального управления гальваническим процессом (1.16) в прямоугольных координатах XYZ предлагается получать в следующей последовательности [52].
Значения плотности тока определяются только на поверхностях Smn и SR. Модуль плотность тока в точках поверхности т,п-го анода обозначена как im,n,y,k, а через поверхность катода как ікт,п„ц,к Уравнение Лапласа (2.20) для точек, принадлежащих Уэ, задаётся следующим образом: Pi-l,j,k - 2Фи,к + Фі+l j,k Фу-1,к - 2Ф к + ФУ+1,к Фу,к-1 - 2Фу,к + Фу,к+1
Из уравнения (2.26) видно, что значение потенциала в каждой точки области Уэ зависит от значений потенциалов в шести граничащих с ней точках. Этим и объясняется требование, предъявляемое к отнесению узлов сетки Q. к различным областям.
Краевое условие (2.21) аппроксимируется с учётом того, что нормаль к поверхности изолятора SH всегда параллельна какой-либо оси координат. Если бы это было не так, то формулы для аппроксимации были бы сложнее, а в данном случае краевое условие сводится к следующим выражениям:
Плотности тока в математической модели задаются формулами (2.8) и (2.9). Эти формулы также следует заменить их аппроксимацией. Формулы (2.8) и (2.9) содержат скалярные произведения градиента электрического потенциала на нормаль к поверхности. Это произведение можно определить как отношение разности потенциалов между близкой точкой к поверхности (обозначим её как p, а потенциал в ней как ) расположенной в направлении нормали и текущей точкой i,j,k к расстоянию между этими точками.
Поверхности электродов имеют более сложную форму, чем поверхности изоляторов, поэтому градиент потенциала предлагается вычислять билинейной интерполяцией по разности значений потенциалов четырёх ближайших точек и потенциала текущей точки.
Принцип вычисления плотности тока через поверхность проиллюстрирован на рис. 2.3. Объяснение формулы вычисления плотности тока через поверхность рассмотрим на конкретном примере [53]. На рис. 2.3 показана точка с потенциалом i,j,k расположенная для определённости у поверхности катода. Допустим, луч нормали n = (nx, ny, nz) к этой поверхности проходит через грань, вершины которой принадлежат к узлам сетки . Пусть оказалось так, что эти узлы относятся к области электролита. В данном случае градиент потенциала может быть найден по формуле:
Алгоритм решения системы уравнений математической модели гальванического процесса
Предложенная структурная схема использует систему уравнений (2.1) -(2.15) математической модели для выработки управляющего воздействия (3.21). Система управления получает лишь сведения о значении входных координат и задающего воздействия Z, которое включает заданную толщину покрытия и значения весовых коэффициентов и . В результате взаимодействия поискового алгоритма g и математической модели f на входе управляющего устройства формируется информация I об оптимальном режиме нанесения гальванического покрытия. Управляющее устройство, в свою очередь, реализует найденный опти 94 мальный режим на объекте управления c помощью исполнительного механизма путем задания необходимых команд K.
Технологический процесс нанесения гальванического покрытия состоит из трёх этапов: подготовка поверхности, нанесение покрытия и окончательная обработка после покрытия. Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) предназначена для автоматизации технологического процесса нанесения гальванического покрытия в ванне с циклически включаемыми анодными секциями. Рассматриваемая АСУ ТП разрабатывается с целью оснастки гальванических участков предприятий или встраивания в состав автоматических гальванических линий нового поколения [80], обеспечивающих высокую производительность, низкие эксплуатационные расходы и контроль за производством.
В настоящее время в странах СНГ существует более 50 предприятий, занимающихся автоматизацией линей гальванизации и разработкой соответствующих им АСУ ТП [81]. В таких производственных АСУ ТП системы обычно строятся по трёхуровневому принципу [82]: - нижний уровень (полевой уровень) АСУ ТП представляет собой различные датчики (сенсоры) и исполнительные механизмы (ИМ); - средний уровень (уровень контроллеров) состоит из программируемых логических контроллеров (ПЛК), которые принимают полевые данные и выдают команды управления на нижний уровень. Управление в ПЛК осуществляется по заранее разработанному алгоритму, который исполняется циклически (приём данных - обработка - выдача управляющих команд); - верхний уровень - это уровень визуализации, диспетчеризации (мониторинга) и сбора данных. На этом уровне задействован человек, т.е. оператор (диспетчер). Оператор запускает технологический процесс, имеет возможность остановить его полностью или частично, может изменить режимы работы агрегатов (изменяя установки) и т.п. Одним из примеров такой АСУ ТП, построенной по трёхуровневому принципу, является АСУ ТП линии гальванического покрытия (ЛГП) «КОНСТАР» [83], структурная схема которой изображена на рис. 4.2.
Рис. 4.2. Структурная схема АСУ ТП ЛГП «КОНСТАР» АСУ ТП ЛГП «КОНСТАР» предназначена для управления работой линии гальванопокрытия при сохранении надзорной функции человека и используется для гальванического нанесения хрома и никеля на изделия. Она содержит на верхнем уровне современную ПЭВМ среднего класса в промышленном исполнении с прикладным программным обеспечением (ППО) разработанным для Windows 2000 Professional; на среднем уровне – ПЛК «КОНСТАР К202», укомплектованный соответствующими панелями ввода и отображения информации К921; на нижнем уровне – ИМ и датчики всех устройств, входящих в установку для гальванического нанесения хрома и никеля, подключение которых к среднему уровню осуществляется посредством монтажной кроссовой панели. Рассмотренная АСУ ТП ЛГП «КОНСТАР», как и остальные существующие системы управления, не пригодны для управления гальваническими процессами с циклическим включением анодных секций, так как они позволяют измерять и регулировать, как правило, следующие технологические параметры в процессе нанесения гальванопокрытий: катодная плотность тока, температура и уровень электролита, рН раствора, длительность процесса, концентрация компонентов в электролите, – и не способны реализовать циклическое переключение анодных секций с оптимальным электрическим режимом для системы анодов.
Автором предлагается следующая трехуровневая АСУ ТП для рассматриваемого процесса, упрощенная схема которой для одной гальванической ванны представлена на рис. 4.3 [84]. На верхнем уровне находится расчётная ЭВМ, на которой решаются задачи ввода исходных данных, ведения базы данных готовых проектов, предварительного поиска оптимального управления и вывода результатов. В качестве расчётной ЭВМ выступает персональный компьютер (ПК) с мощным набором основных характеристик: производительность, тактовая частота, разрядность процессора и время доступа к памяти. При этом задача управления сводится к задаче стабилизации оптимальных анодных напряжений и решается аппаратно на нижнем уровне при помощи ИМ системы управления, осуществляющего циклическое переключение анодных секций с регулированием подаваемого напряжения. Управление ИМ способны осуществлять ПЛК или ПК с доста 97 точно слабыми характеристиками. Так как в последнее время появились многочисленные модификации ПК в промышленном исполнении, и повысилась надёжность их работы, ПК стали активно применятся для автоматизации производственных объектов [85]. К важным достоинствам ПК следует отнести открытую архитектуру, лёгкость подключения любых блоков ввода/вывода, выпускаемых третьими фирмами, возможности по использованию широкой номенклатуры наработанного программного обеспечения. Таким образом, АСУ ТП в качестве управляющей ЭВМ содержит промышленный ПК, снабжённый LPT-портом параллельной архитектуры приёма/передачи данных. Использование ПК также более предпочтительно ввиду того, что он способен одновременно обслуживать набор независимых гальванических ванн, а задание каждого из оптимальных режимов управления в ППО АСУ ТП представляется более простой задачей, чем программирование команд ПЛК.
Пример решения задачи оптимального управления гальваническими процессами
Управление ИМ подразделяется на две составляющие - управление регулятором анодного напряжения и управление переключателем анодной секции. Сигналы I5-I0, возможные комбинации которых представлены в табл. 4.2, отвечают за формирование значения напряжения между заданной анодной секцией и катодом, адрес которого формируют сигналы A3-A0, возможные комбинации которых представлены в табл. 4.3.Предложенные состав и функциональное назначение 12-ти разрядной системы команд CMD полностью позволяют управляющей ЭВМ осуществлять циклическое переключение анодных секций с заданными напряжениями.
Далее перейдём к рассмотрению соответствия CMD-команд сигналам LPT-порта. LPT является международным стандартом параллельного интерфейса для подключения периферийных устройств персонального компьютера. LPT-порт представляет собой набор из 25 контактов [103]:
Ввиду того, что сигналы LPT-порта удовлетворяют набору команд управляющей ЭВМ, то управление ИМ АСУ ТП будет осуществляться через LPT-кабель. Соответствие контактов LPT-порта 12-ти разрядной системе команд CMD продемонстрировано на рис. 4.15. Младшим 8 разрядам команды CMD соответствует набор сигналов регистра Data, старшим 4 разрядам – младшие 4 сигнала ре Рис. 4.15. Соответствие контактов LPT-порта сигналам CMD гистра Control.
Подсистема управления ППО АСУ ТП для доступа к LPT-порту использует стандартную библиотеку «inpout32.dll», которая находится в открытом доступе [104]. Данная библиотека содержит в себе две функции: чтение данных по заданному адресу (Inp32), запись данных по заданному адресу (Out32). Прототипы этих функции имеют следующий интерфейс: function Inp32(PortAdr: word): byte; stdcall; external inpout32.dll ; function Out32(PortAdr: word; Value: byte): byte; stdcall; external inpout32.dll .
Переменная PortAdr содержит адрес необходимого регистра, переменная Value – записываемое значение. Чтобы обратиться к регистрам, необходимо знать их адрес: &H378 – в 16-ричной системе счисления или 888 в десятичной (регистр Data); &H37A – в 16-ричной системе счисления или 890 в десятичной (регистр Control).
Фрагмент кода на рис. 4.16.а соответствует следующей CMD команде: установить максимальное значение напряжения (содержимое регистра Data) между анодной секцией с индексом 2,1 (содержимое регистра Control) и катодом в течение 1-й секунды (временная задержка Delay на время Time в миллисекундах). Рис. 4.16.б демонстрирует проверку готовности оборудования к работе. Проверке прекращению процесса извне соответствует код на рис. 4.16.в.
Исходя из принципов функционирования системы управления гальваническим процессом с циклическим включением анодных секций, автором разработано устройство, для которого схема электрическая принципиальная ИМ [105], реализующего циклическое включение анодов, будет иметь вид, представленный на рис. 4.17 [106]. Перечень необходимых элементов представлен в табл. 4.4.
DRB-25MA Разъем 25 pin папа к плате LPT-порта ПК 1 XP1 Кабель сетевой 220 В, 50 Гц 1 Т1,T2 Трансформатор понижающий 220/12 В, 220/18 В 2 DD1,DD2 Диодный мост КЦ405А 2 DD3 Линейный стабилизатор напряжения КР142ЕН5 1 С1 Конденсатор электролитический 100 мкФ х 15 В 1 С2 Конденсатор электролитический 500 мкФ х 10 В 1 С3 Конденсатор электролитический 100 мкФ х 5 В 1 S1 Кнопка 2 положения, с фиксацией 1 A1-A16 Вывод (клемма) к анодной секции 16 HL1-HL17 Светодиод 17 D1 Дешифратор 4 линии на 16 К155ИД3 1 D2-D4 6 логических элементов НЕ К155ЛН1 3 R1-R16 Резистор 4,7 кОм 0,125 Вт 16 R17-R32 Резистор 100 кОм 0,125 Вт 16 R33, R34 Резистор 1 кОм 0,125 Вт 2 VD1-VD16 Диод КД522 16 VT1-VT16 Транзистор n-типа IRFZ34N 16 U1-U16 Оптотранзистор EL817 16 К1-К16 Реле замыкающее 4-контактное 982.3777-10 16 119
Рис. 4.17. Схема электрическая принципиальная циклического включения анодных секций
Кратко опишем принцип действия устройства. LPT–порт программно переводится в режим чтения. При замыкании кнопки S1, на 8-ом контакте разъема DRB–25MA образуется двоичный «0», что соответствует СТАРТ-условию для на 120 чала работы ИМ. С 9-го контакта разъёма подается уровень двоичной «1» на микросхему D1, что тем самым запускает её. Посредством перебора всех возможных комбинаций двоичных «0» и «1» на контактах 1, 14, 16, 17 порта осуществляется циклический обход всех MxN анодных секций. Для активации заданной анодной секции применяется дешифратор адреса [107] и система электромеханических реле.
Каждая из анодных секций запускается сборкой оптотранзистор реле. Оптотранзистор Ui служит для исключения связи между исполнительным элементом (реле Ki), подключаемым непосредственно к сетевому напряжению (выпрямительному агрегату) и управляющей схемой, чтобы последняя не оказалась под потенциалом выпрямителя. Диод VDi используется для исключения пропускания тока в обратном направлении. Питается данная схема от сети 220В, 50Гц. Трансформатор Т2 и диодный мост DD2 преобразуют 220/18В, необходимые для замыкания реле. Трансформатор Т1, диодный мост DD1 и стабилизатор напряжения DD3 осуществляют преобразование 220/5В, питающие ТТЛ элементы Di. В качестве панели индикатора активного анода используется линейка светодиодов HLi. На схеме внешних соединений показаны элементы, не установленные на печатной плате устройства и подключаемые к ней с помощью электрических разъемов. К таким элементам относятся:
Похожие диссертации на Оптимальное управление гальваническими процессами с циклически включаемыми анодными секциями
