Проектирование АСУ параметрами

 

Рассмотрим проектирование АСУ параметрами на примере участка нанесения гальванопокрытия.

Гальваника - нанесение покрытия методом осаждения ионов на поверхность обрабатываемых металлов. Кроме моделей самого процесса гальванопокрытия вводятся алгоритмы управления, которые отражают процессы получения исходных данных, обработки информации, принятия решений и выдачи управляющих воздействий.

Будем рассматривать дискретные процессы, для которых характерно разделение технологического процесса на технологические операции. Кроме задач управления параметрами должны решаться задачи транспортировки деталей по рабочим местам в соответствии с технологическими операциями.

Гальванический процесс можно разделить на 4 составляющие:

1. Подготовка.

2. Нанесение основного покрытия.

3. Дополнительная обработка поверхности.

4. Сушка.

Рассмотрим уровень управления параметрами на каждой технологической операции. Гальваническая ванна наполняется раствором солей определенных металлов. Прикладывается разность потенциалов к аноду и катоду. Осуществляется направленное движение ионов, которые осаждаются на детали (катод). Качество поверхности будет зависеть от температуры, концентрации, плотности тока, которые характеризуют скорость движения ионов:

П = f (t⁰, с, j). (3.1)

Параметры растворов (t⁰, с, j) должны соответствовать параметрам технологических операций. Вариация параметров позволяет осуществлять различное по качеству нанесение покрытия. Для управления параметрами данных формируются контуры управления и законы регулирования. В технологических процессах указываются номинальные значения технологических операций, допустимые отклонения (D), при которых процесс считается нормальным. Если параметры выходят за 3D, то процесс считается неуправляемым. Процесс нанесения покрытия считается нормальным, если все параметры будут в допустимых диапазонах.

Для контроля параметров необходимо использовать датчики. Рассмотрим некоторые типы датчиков [9]:

1. Аналоговые датчики.

Выходное напряжение или ток пропорционален измеряемому параметру U (I) = f (P). При выборе датчика определяется диапазон изменений. Основное внимание уделяется диапазону выходного напряжения. Определяются также чувствительность и порог чувствительности датчика: К = DU / DД.

2. Датчики с частотным выходом.

Частота выходного сигнала пропорциональна входному параметру f = F (P).

3. Датчики с цифровым выходом.

Код пропорционален измеряемой величине: код = f (Р).

4. Позиционные датчики.

Это датчики, фиксирующие свершение события.

 

Информация с датчиков поступает на нормирующие усилители, предназначенные для усиления входного сигнала в диапазоне работы АЦП. Усиливается как полезный сигнал, так и помеха. Поэтому необходимо использовать теорему Котельникова: аналоговый сигнал является сложным, формируется в результате сложения многих гармоник. Для восстановления аналогового сигнала после машинной обработки частота должна быть больше самой большой частотной составляющей входного сигнала.

Для отслеживания переходного процесса необходимо устройство слежения и запоминания, которое используют для фиксации напряжения на время преобразования сигнала в АЦП.

Если количество датчиков превышает количество используемых регистров ЭВМ, то применяется дешифратор, который преобразует двоичный код на входе в позиционный сигнал на выходе. От ЭВМ через выходной регистр на дешифратор поступает номер реле в виде двоичного кода, соответствующее реле замыкается, и информация с датчиков через АЦП поступает в ЭВМ.

Существуют различные типы АЦП: последовательного счета, поразрядного уравновешивания, которые отличаются быстродействием, точностью, сложностью схемы построения [10].

При выборе АЦП особое внимание уделяется зоне чувствительности, она дает погрешность измерений, связанную с дискретностью измерения сигналов. Погрешность будет определяться удельным весом младшего разряда

, (3.2)

где - минимальный шаг изменения сигнала (В);

- диапазон изменения сигнала (В);

- диапазон измерения сигнала (в дискретах);

n - количество разрядов АЦП.

Например. Диапазон изменения сигнала на входе АЦП составляет 0-10 В, диапазон измерения сигнала - 2000 дискрет. Тогда точность измерения сигнала составит (10 В разделить на 2000 дискрет) 0,005 В.

 

Регулирование параметров растворов в гальванических ваннах осуществляется с помощью исполнительных механизмов. Температура регулируется холодильником или нагревателем, концентрация раствора - заслонками для впуска концентрата или воды, плотность тока - мощным источником напряжения.

От ЭВМ через выходной регистр на дешифратор поступает номер реле в виде двоичного кода, соответствующее реле замыкается, и управляющий сигнал от ЭВМ через ЦАП поступает на исполнительные механизмы. Точность работы ЦАП определяется аналогично точности работы АЦП [11].

Выбор дешифратора определяется количеством устройств, которые управляются с помощью ЭВМ. Количество устройств равно сумме количества датчиков и количества исполнительных механизмов. Следовательно, количество выходов дешифратора должно быть не меньше количества устройств, а количество входов (n) должно быть в соответствии с условием

2ⁿ > количества устройств.

Управление датчиками и исполнительными механизмами осуществляется ЭВМ с помощью программы опроса значений параметров, расчета необходимых значений и выдачи соответствующих управляющих воздействий. Алгоритм программы управления параметрами автоматизированного участка гальванопокрытия приведен на рис. 3.1.

Сформируем закон управления параметрами участка гальванопокрытия (рис. 3.2), при следующих исходных данных. Все датчики измерения параметров – аналоговые. Диапазон работы АЦП 0 – 10 В (преобразуется в 2000 дискрет). Диапазон работы ЦАП – 1000 дискрет (преобразуется в 0 – 10 В). Диапазон измерения температуры 20⁰ – 100⁰ С., номинальное значение температуры t_ном = 60⁰ ± 5⁰ С. Диапазон изменения концентрации 0 – 10 В (2000 дискрет), номинальное значение концентрации с_ном = 0,5 Д ± 0,1 Д, где Д – диапазон измерения. Диапазон измерения плотности тока 0 – 10 В (2000 дискрет), номинальное значение плотности тока j_ном = 0,5 Д ± 0,1 Д.

Схема автоматизированной системы управления участка гальванопокрытия приведена на рис. 3.3.

 

 

 

Рис. 3.3. Схема АСУ участка гальванопокрытия