управления сварочными процессами

Современная организация труда выдвигает новые требования к системам автоматического управления. Появляется необходимость получения информации о состоянии оборудования в любой момент времени, учета и анализа простоев, обнаружения и прогнозирования неисправности отдельных элементов оборудования, своевременной их замены, выявления резервов повышения производительности, экономии материалов и т.д.

Систематический сбор этих данных, их первичная обработка и статистический анализ за любой промежуток времени невозможны без использования ЭВМ. Низкая стоимость и большая универсальность и производительность дают возможность использовать их в системах управления отдельными установками и аппаратами.

К микро-ЭВМ подключаются датчики аналоговых сигналов через коммутатор и преобразователь аналог – код. Текущие значения параметров в виде цифр записываются в память машины, а затем по специальным подпрограммам первичной обработки вычисляются мощность дуги, средний сварочный ток и его отклонения от заданного, расход электроэнергии, газа и др. По запросу оператора измеренные и вычисленные параметры процесса могут быть выведены на дисплей или на печать. Кроме того, по вычисленным данным формируются задания параметров для регулирования процесса сварки. К ЭВМ подключаются также датчики скорости сварки и подачи электрода, частоты и амплитуды колебаний горелки и др., а также концевые выключатели и датчики расхода воды и газа, кнопка «Пуск». По сигналам от этих датчиков в памяти ЭВМ формируется «Слово» состояния сварочного оборудования, после анализа которого ЭВМ может сигнализировать о неисправности того или иного узла.

Используя математические модели процесса сварки на основе информации о параметрах режима, размерах и форме шва, можно управлять режимом сварки с целью обеспечения заданного качества шва, либо обнаружить места, где произошли недопустимые изменения параметров режима. Логические операции по включению или отключению различных элементов сварочного оборудования осуществляется в микро-ЭВМ по программе, введенной в оперативную память машины, Эти операции легко изменять или корректировать в процессе сварки в зависимости от получения тех или иных результатов, вычисленных ЭВМ в реальном времени на основании измерения текущих параметров режима.

Рис. 7.1. Структура микроЭВМ: 1 – микропроцессор (АЛУ); 2 – тактовый генератор; 3 – оперативное запоминающее устройство (ОЗУ); 4 – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ); 5 – блок системного управления; 6 – адресные усилители; 7 – блок соединения с каналами связи; 8 – блок соединения с внешними устройствами; 9 – блок установки приоритета прерывания; 10 – шина данных; 11 – шина управления;

12 – адресная шина.

 

В ЭВМ (рис. 7.1) имеются арифметическо-логическое устройство (АЛУ), производящее обработку информации, устройство ввода и вывода ее (УВВ), устройство управления работой всей системы и различные запоминающие устройства. В ОЗУ хранится только та информация, которая используется в данное время при решении конкретной задачи. Для длительного хранения больших массивов данных используется внешнее запоминающее устройство большой емкости, но работающее с меньшей скоростью. Микропроцессор это большая интегральная микросхема (БИС) с программируемой (перестраиваемой) логикой. Он выполняет арифметические и логические операции над данными, программное управление процессом обработки информации, организует взаимодействие всех устройств, входящих в систему. Межмодульные связи и обмен информацией осуществляется посредством коллективных шин (магистралей) адреса, данных и управления. Периферийное оборудование подсоединяется к шинам не непосредственно, а через программно управляемые интерфейсные БИС. Тактовый генератор синхронизирует работу всех блоков.

Если регулируемый процесс непрерывный, то исходная информация преобразуется в дискретную цифровую с помощью специального устройства – аналого-цифрового преобразователя (АЦП). При необходимости перевода полученного в цифровой форме управляющего сигнала в непрерывный используется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). АЦП и ЦАП также изготовляются методом технологии интегральных микросхем.

В качестве примера рассмотрим систему автоматического управления глубиной проплавления при сварке труб аргонодуговой сварки с наружным оптическим датчиком температуры сварочной ванны (рис. 7.2) [1].

Эталонная модель объекта получена с помощью методов факторного анализа в виде системы уравнений

где b^* -- модельная оценка критериального параметра объекта регулирования (ширина обратного валика b без возможности его прямого измерения); T_B – температура наружной поверхности сварочной ванны, измеряемая оптическим датчиком и оцениваемая по регрессионному уравнению; c₀, a₀, c_ix_i, a_ix_i – члены уравнений, учитывающие действие наблюдаемых (контролируемых) технологических возмущений (изменений сварочного тока, длины дуги, толщины свариваемой ленты, скорости сварки, расхода аргона); c_n+1x_n+1, a_n+1x_n+1 – члены уравнений, учитывающих влияние неконтролируемых возмущений в процессе сварки (изменений в структурном и химическом составе свариваемого материала, дефектов в сборке стыка, эрозии вольфрама и т.д.).

Рис. 7.2. Функциональная схема системы управления глубиной стыка с математической моделью: ЭМ – эталонная модель; БВО – блок вычисления ошибки; Р – регулятор; О – объект регулирования; b, b₃, b^* -- ширина обратного валика, его заданное значение и модельная оценка; T_B – температура наружной поверхности сварочной ванны; Δb, ε – рассогласование и ошибка параметра b; x – вектор входных возмущений; u – сигнал управления.

 

Совместное решение уравнений регрессии в блоке ЭМ позволяет по наблюдаемым переменным и измеряемому в процессе сварки параметру Т_В определить параметр b^*.

Это уравнение учитывает влияние на параметр b неконтролируемых возмущений. Отношение c_n+1/a_n+1 определяется экспериментально в режиме нормального функционирования САУ. Согласно схеме (см. рис. 7.2) вычисленное по последнему уравнению значения параметра b^* сравнивается с заданным нормативами параметром b₃. Рассогласование между параметрами Δb = b₃ – b^* используется в качестве сигнала обратной связи, формирующего на выходе регулятора сигнал управления u, компенсирующий влияние на объект технологических возмущений х. Качество регулирования оценивается в блоке вычисления средней квадратической ошибки:

где b – измеренные значения ширины обратного валика на выбранных образцах сваренных труб.

Если появляется ошибка ε >> ε_доп, то она используется для настройки параметров регулятора, чтобы обеспечить инвариантность объекта к действию технологических возмущений.

Оператор имеет возможность вмешиваться в работу системы непосредственно в процессе сварки через внешние устройства управления. По сравнению с обычными САУ на основе автоматических регуляторов отличительные преимущества таких систем – это резкое увеличение числа регулируемых параметров, возможность реализации сложных алгоритмов управления, универсальность (способность быстро перестраиваться на новые алгоритмы управления), наличие памяти, позволяющей учитывать не только внешнее состояние регулируемого объекта, но и его предысторию.

Вопросы для самопроверки

1.Какие задачи позволяет решать включение микро-ЭВМ в систему автоматического управления сварочными процессами?

2.Изобразите структуру микро-ЭВМ, поясните назначение блоков.

3.Что такое АЦП и ЦАП, их назначении в составе ЭВМ?

4.Для чего нужно АЛУ в микро-ЭВМ?

5.Как осуществляется управление сварочным процессом по математической модели?

6.Какими способами можно получить математическую модель процесса?

7.Какие функции выполняет микро-ЭВМ в составе автоматической системы управления?

 

ЛИТЕРАТУРА

1.Гладков Э.А. Управление процессами и оборудованием при сварке. – М.: «Академия», 2006. – 430 с.

2.Дьяконов В. Simulink 4. Специальный справочник. – СПб.: «Питер», 2002. – 528 с.

3.Куропаткин П.В. Теория автоматического управления. Часть 1. Основы теории линейных цепей. – Л.: «СЗПИ», 1967. – 330 с.

4.Лебедев В.К., Черныш В.П. Автоматизация сварочных процессов. – Киев: «Вища школа», 1986. – 295 с.

5.Львов Н.С., Гладков Э.А. Автоматика и автоматизация сварочных процессов. – М.: «Машиностроение», 1982. – 300 с.