CC BY
5
DOI: 10.53078/20778481 2023 2 107
УДК 621.791.763.2
С. М. Фурманов, Д. Н. Юманов, В. П. Куликов, Д. И. Якубович, А. О. Сергейчик, И. П. Жевнов
ГРАФИЧЕСКОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ РЕЛЬЕФНОЙ СВАРКИ В СРЕДЕ LABVIEW
S. M. Furmanov, D. N. Yumanov, V. P. Kulikov, D. I. Yakubovich, A. O. Sergeychik, I. P. Zhevnov
LABVIEW GRAPHICAL PROGRAMMING OF THE ADAPTIVE CONTROL SYSTEM FOR PROJECTION WELDING PROCESSES
Аннотация
Разработана система адаптивного управления процессом контактной рельефной сварки, основанная на графическом программировании в среде разработки лабораторных виртуальных приборов LabVIEW. В программу входят следующие блоки: блок цикла сварки, осуществляющий отсчет интервалов времени предварительного сжатия, сварки, проковки, паузы, включение электропневмоклапанов привода сжатия электродов и сварочного тока; блок расчета коэффициента регулирования мощности, выполняющий измерение времени включения тиристоров, расчет действующих значений тока, напряжения и мощности, а также коэффициента мощности cos ф; блок измерения величины и скорости перемещения подвижного электрода; блок табличного задания мощности и расчета угла управления тиристорами в (n + 1)-м периоде и напряжения управления тиристорным регулятором мощности.
Ключевые слова:
контактная рельефная сварка, адаптивная система управления мощностью, графическое программирование в среде LabVIEW, перемещение подвижного электрода, стабильность механических свойств соединений, технологический цикл сварки.
Для цитирования:
Графическое программирование системы адаптивного управления процессом рельефной сварки в среде LabVIEW / С. М. Фурманов, Д. Н. Юманов, В. П. Куликов, Д. И. Якубович, А. О. Сергейчик, И. П. Жевнов // Вестник Белорусско-Российского университета. - 2023. - № 2 (79). - С. 107-117.
Abstract
A system for adaptive control of the resistance projection welding process has been developed based on graphical programming in the LabVIEW environment of laboratory virtual instrument development. The program includes the following blocks - the block of the welding cycle that calculates time intervals for pre-compression, welding, forging and pauses, and switches electro-pneumatic valves of electrode compression drive and welding current; the block to calculate power control factor, which measures the turn-on time of thyristors and calculates the effective values of current, voltage and power, and the power factor cos ф; the block to measure the magnitude and moving speed of the movable electrode; the block that sets tabular power and calculates the control angle of thyristors in the (n + 1)th period and the voltage for controlling a thyristor power regulator.
Keywords:
resistance projection welding, adaptive power control system, graphical programming in LabVIEW environment, movable electrode movement, stability of mechanical properties of joints, technological welding cycle.
For citation:
LabVIEW graphical programming of the adaptive control system for projection welding processes / S. M. Furmanov, D. N. Yumanov, V. P. Kulikov, D. I. Yakubovich, A. O. Sergeychik, I. P. Zhevnov // Belarusian-Russian University Bulletin. - 2023. - № 2 (79). - P. 107-117.
© Фурманов С. М., Юманов Д. Н., Куликов В. П., Якубович Д. И., Сергейчик А. О., Жевнов И. П., 2023
Адаптивные системы управления контролируют один или несколько параметров процесса контактной сварки: ток, напряжение, параметры источника питания, электро- и теплопроводность, усилие на электродах, тепловое расширение в ходе сварки и т. д. После контроля адаптивная система управления может регулировать эти параметры.
В производственных средах существует несколько коммерчески доступных систем управления. В целом их можно разделить на три группы [1]:
1) системы контроля и стабилизации по электрическим параметрам: сварочный ток и время его протекания, активная мощность и энергия при сварке, напряжение между электродами и сопротивление межэлектродной зоны;
2) корректирующие системы по параметрам: напряжение питания сети, активное и индуктивное сопротивление сварочного контура, мощность, диаметр электродов;
3) системы контроля физических параметров, таких как температура и перемещение электродов.
Для устранения многих недостатков контактной сварки используются адаптивные контроллеры. Сюда относятся контроллеры с применением эталонных осциллограмм сварочной мощности, интеллектуальные системы управления контактной точечной сваркой, адаптивные контроллеры для снижения эффекта шунтирования тока и т. д.
Функциональная схема разработанной адаптивной системы управления при рельефной сварке, основанной на графическом программировании в среде LabVIEW, представлена на рис. 1 [2-4].
Блок цикла сварки после нажатия на педаль пуска SB1, SB2 (через цифровой триггер PFI 0) осуществляет отсчет интервалов времени предварительного сжатия, сварки, проковки, паузы, включение с помощью блока питания и согласования напряжений (БПСН) элект-
ропневмоклапанов привода сжатия электродов (цифровые выходы P0.1, P0.2), а также с помощью тиристорного регулятора мощности ТРМ-1М - сварочного тока (цифровой триггер PFI 1) (рис. 2) [3-5].
С помощью трансформатора TV2 измеряется сетевое напряжение U1, с помощью соответствующих датчиков напряжения и тока - мгновенные значения напряжения между электродами иээ и сварочного тока /2. Далее программно рассчитываются действующие значения (RMS) параметров Цээ, /2, мощность сварки P2 = Цээ • /2 и энергия Qээ (рис. 3).
Блок включения сварочного тока и задания времени его протекания (в полупериодах сетевого напряжения), табличного задания мощности и формирования напряжения управления тири-сторного регулятора мощности представлен на рис. 4.
Циклограмма мощности Р2зад формируется в виде таблицы для каждого полупериода сетевого напряжения с интервалом 10 мс, с частотой 100 Гц. Количество полупериодов определяется временем протекания сварочного тока. В результате формируется график сигнала управления Uy для блока БУСТ2, на котором отображается форма тока при подогреве и сварке (рис. 5).
Напряжение управления Uy подается с аналогового выхода AOO на управляющий вход 10 В блока ТРМ-1М и задает угол открытия тиристоров а. Начальный угол задается максимальным an = amax для настройки системы.
Измерение величины перемещения подвижного электрода Иэл осуществляется с помощью цифровых входов PFI 8 (канал А) и PFI 10 (канал В) счетчика ctr0, расчет скорости перемещения Уэл - с помощью дифференцирования сигнала Иэл (см. рис.1).
se
0
1
o
s se (ü
В
JSOIO
FTig
OCHO rr 110 DIXD
Датчик перемещения
gas nv
Перемешен не подвижного электрода
han
Скорость перемещения электрода
Уэл
* Кдс
ТС
-КГ-
J2 AI
Датчик напряжения
<
Датчик тока
L2
TV2
L1
5 Vrms
т
76
Кдп
Табличное задание мощности тепловложения
Р2зад
Л то ATI
т
ли
ЛТ!>
Ш
лтв
АТЧ
йИ9
ATI У Л Т1 3
АГЯЕ«ЯЕ
АГРГО
лтг.мп
Выход Синхр.
TP мим
J3 АО
L-V31
ВХОД 1-10 в общ
лоо
«I
Расчет действующих значений Г^МЭ
VS2
■ Детектор включенного состояния тиристоров
J4 0Ю
ВХОД
J2_
Расчет мощности и сопротивления
Р2
Оэ^ К SA,
Полнофззная мощность
Р2п
Коэффициент регулирования
мощности в (п+1Ьм периоде
Ksn+1
Начало расчета
параметров Start Analog Edge
Угол управпения
тиристорами в (п+1)-м периоде
CL
п+1
Uy
Источник внутренней синхронизации 10 к Гц
Измерение времени включения тиристора CI Pulse Width
Напряжен»» управления
Задание начального угла управления тиристорами
Расчет коэффициента мощности со б ч
|ССГ КЗА
Расчет коэффициента регулирования мощности
РР1 0 - Запуск цикла сварки, отсчет интервалов времени предварительного сжатия, сварки, проковки, паузы; РР1 1 - Включение сварочного тока
Рис. 1. Функциональная схема системы адаптивного управления процессом рельефной сварки
Рис. 2. Запуск блока цикла сварки и формирование цифровых выходов для включения электропневмоклапанов привода сжатия и тиристорного регулятора мощности
На рис. 6 показан сигнал датчика напряжения иээ и его действующее значение Цээ, на рис. 7 - сигнал датчика сварочного тока /св и его действующее значение /св, на рис. 8 - сигнал датчика перемещения Иэл и скорости перемещения уэл подвижного электрода, на рис. 9 -мощность Pээ и энергия Qээ в зоне сварки.
С помощью детектора включения тиристоров и счетчика ctr1 PFI4 измеряется ширина импульса X, необходимая для расчета коэффициента мощности соБф = f (an, X) сварочной машины и коэффициента регулирования мощности kSA = f (an, cosф) по аппроксимирующим зависимостям (см. рис. 1) [5].
После расчета полнофазной мощности P2п = P2 / kSA определяются коэффициент регулирования мощности kSn+1 в следующем полупериоде (kSn+1 = P2зад/P2п), угол включения an+1 и напряжение управления Uyn+1, которое подается на вход 1.. .10 В тиристорного регулятора мощности ТРМ-1М.
Сущность адаптивного регулирования заключается в том, что таблица задания мощности P2зад может коррек-
тироваться в зависимости от измеренных величины и скорости перемещения подвижного электрода.
Коррекция мощности Р2зад происходит на двух этапах: при начальном подогреве соединения током /под и при нарастании тока от подогрева /под к сварочному /св.
На первом этапе, например, при рельефной сварке винта М8 с потайной головкой (сталь 20) и пластины толщиной 4 мм (сталь СтЗпс) для реализации адаптивного управления были установлены следующие закономерности влияния тока подогрева на величину перемещения подвижного электрода: при токе подогрева /под, равном 45 %...55 % от сварочного тока /св, перемещение электрода ^эл.под должно входить в диапазон 80.260 мкм, что свидетельствует о достаточной степени разогрева рельефа, способствует исключению появления выплесков при нарастании тока до сварочного и стабилизации механических свойств соединений (рис. 10). Заданная мощность Р2зад корректируется изменением коэффициента датчика перемещения Кдп, Р2зад = Кдп Рпод.
se ï
0
1
о m ï se m
Default'
auto cleanup
I
-m ffl
ig Devl/йоО
еггог 1п
ИН-дав
^ протекания тока ($]►
0,01 L
пполупериодов
|VoltageOi
ut
ü
Voltsт
АО Voltage
Allow Regeneration T
Start Digital Edge
Analog ID WfmT NChan NSamp
Get Date/Time In Seconds
Табличное задание мощности
Напряжение управления
Рис. 4. Блок включения сварочного тока и задания времени его протекания (в полупериодах сетевого напряжения), табличного задания мощности и формирования напряжения управления тиристорного регулятора мощности ТРМ-1М
Напряжение управления иу, В
"б.'
Е
О _1 N Ы Ш О) -Ч ф 111111111
/
-Г
1
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
0,6 0,7 0,8 Лгпе, с
0,9 1 1,1 1,2 1,3
Рис. 5. График сигнала управления Пу для тиристорного регулятора мощности ТРМ-1М
Рис. 6. Сигнал напряжения иЭЭ и его действующее значение ПЭЭ
Рис. 7. Сигнал датчика сварочного тока Iсв и его действующее значение /св
Рис. 8. Сигнал датчика перемещения НЭЛ и скорости перемещения уЭЛ подвижного электрода
Действующее значение мощности Р», Вт
400003500030000£ 25000-= 200001 150001000050000-5(
30
Ю 550 600 650 700 750 800 550 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 13 "Пте, мс
Значение анергии Оээ, Дж Ыедга! {£шп[МШ
14000120004 10000-= 80001 600040002000-
500 5 5 0 600 65 0 700 75 0 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 Л те, мс
Рис. 9. Действующее значение мощности РЭЭ и энергия QЭЭ в зоне сварки
Рис. 10. Зависимость величины перемещения подвижного электрода от тока подогрева
На втором этапе происходит коррекция времени нарастания мощности Тнар от подогрева Рпод до максимальной при сварке Рсв с помощью коэффициента датчика скорости перемещения Кдс, Р2зад = Кдс Рнар, где Рнар - текущее задан-
ное значение нарастающей мощности.
Зависимость максимальной скорости перемещения электрода при сварке с плавным нарастанием тока от подогрева к сварке при изменении времени нарастания тнар представлена на рис. 11.
Уэл
26 мм/с 22 20 1В 16 14 12 10
1 1
ч4 > о ч 0 ■ 1 |/\С\- л
1 \ ч ч ч
ч Ч.Ч ч
О
" ч 1 "1 ч —. \ > к
н ЕПРОВАР 1
ч *
|,1 0,2 0,3 0,4 0,5 с 0,4 0,7 -Тнар—
Рис. 11. Зависимость максимальной скорости перемещения электрода от времени нарастания мощности тнар от подогрева к сварке
Ранее было подтверждено, что применение сигналов обратной связи по характеристикам перемещения электрода в системе программного управления мощностью при рельефной сварке положительно сказывается на уменьшении вероятности возникновения дефектов формообразования сварной точки и повышении стабильности механических свойств получаемых Т-образных соединений [6].
Таким образом, полученные значения перемещения и скорости перемещения при подогреве и сварке можно использовать как критерии образования качественного соединения при адаптивном регулировании мощности в режиме реального времени.
Выводы
1. Разработанная система адаптивного управления процессом контактной рельефной сварки, основанная на гра-
фическом программировании в среде LabVIEW, включает следующие блоки: блок цикла сварки, блок расчета коэффициента регулирования мощности, блок измерения величины и скорости перемещения подвижного электрода, блок табличного задания мощности Р2зад, блок расчета угла управления тиристорами в (п + 1)-м периоде и напряжения управления тиристорным регулятором мощности ТРМ-1М.
2. Сущность адаптивного регулирования заключается в том, что таблица задания мощности Р2зад может корректироваться в зависимости от измеренных величины и скорости перемещения подвижного электрода на двух этапах: при начальном подогреве соединения током /под и при нарастании тока от подогрева /под к сварочному /св.
3. Применение сигналов обратной связи по характеристикам перемещения электрода положительно сказывается на уменьшении вероятности возникнове-
ния дефектов формообразования сварной точки и повышении стабильности механических свойств получаемых
Т-образных соединений при адаптивном регулировании мощности рельефной сварки в режиме реального времени.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Климов, А. С. Контактная сварка. Вопросы управления и повышения стабильности качества / А. С. Климов. - Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2011. - 216 с.
2. Юманов, Д. Н. Особенности контактной рельефной сварки Т-образных соединений с применением системы программного управления мощностью тепловложения / Д. Н. Юманов, С. М. Фурманов, С. Ф. Мельников // Актуальные вопросы и передовые технологии сварки в науке и промышленности: материалы I Междунар. науч.-техн. конф., Могилев, 24-25 нояб. 2022 г. - Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2022. - С. 241-246.
3. Разработка программного кода адаптивной системы регулирования мощности при рельефной сварке / С. М. Фурманов [и др.] // Актуальные вопросы и передовые технологии сварки в науке и промышленности: материалы I Междунар. науч.-техн. конф., Могилев, 24-25 нояб. 2022 г. - Могилев: Бело-рус.-Рос. ун-т, 2022. - С. 215-220.
4. Компьютерное управление процессом контактной сварки с помощью среды графического программирования LabVIEW / С. М. Фурманов [и др.] // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2019. - № 2. -С. 54-62.
5. Фурманов, С. М. Пути совершенствования термодеформационных циклов контактной точечной и рельефной сварки: монография / С. М. Фурманов. - Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2019. - 274 с.
6. О влиянии параметров режима контактной рельефной сварки с программным управлением мощностью тепловложения на стабильность прочностных показателей соединений / Д. Н. Юманов [и др.] // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2020. - № 3. - С. 118-129.
Статья сдана в редакцию 18 апреля 2023 года
Сергей Михайлович Фурманов, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-295-41-67-99. E-mail: furm@mail.ru.
Дмитрий Николаевич Юманов, ассистент, Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-339-12-90-00. E-mail: oitsp.dmitriy.y@gmail.com.
Валерий Петрович Куликов, д-р техн. наук, проф., Белорусско-Российский университет.
Дмитрий Иванович Якубович, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет.
Тел.: +375-296-81-14-35. E-mail: d.i.yakubovich@mail.ru.
Антон Олегович Сергейчик, магистрант, Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-447-88-60-55. E-mail: sergei4ix@gmail.com.
Иван Петрович Жевнов, студент, Белорусско-Российский университет.
Sergei Mikhailovich Furmanov, Cand. Sc. (Tech.), Associate Professor, Belarusian-Russian University. Tel.: +375-295-41-67-99. E-mail: furm@mail.ru.
Dmitry Nikolayevich Yumanov, assistant lecturer, Belarusian-Russian University. Tel.: +375-339-12-90-00. E-mail: oitsp.dmitriy.y@gmail.com.
Valery Petrovich Kulikov, Dr. Sc. (Tech.), Professor, Belarusian-Russian University.
Dmitry Ivanovich Yakubovich, Cand. Sc. (Tech.), Associate Professor, Belarusian-Russian University. Tel.: +375-296-81-14-35. E-mail: d.i.yakubovich@mail.ru.
Anton Olegovich Sergeychik, master's degree student, Belarusian-Russian University. Tel.: +375-447-88-60-55. E-mail: sergei4ix@gmail.com.
Ivan Petrovich Zhevnov, student, Belarusian-Russian University.
