CC BY
27
УДК 621.7.01
DOI: 10.25206/1813-8225-2019-166-14-16
А. П. МОРГУНОВ В. В. ДЕРКАЧ И. В. КИРГИЗОВА
Омский государственный технический университет, г. Омск
РАЗРАБОТКА БЛОКА УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛА
Использование современных энерго- и ресурсосберегающих технологий в многофакторных технологических процессах являются перспективным направлением развития производственного сектора большинства развитых стран. Цель работы — разработка системы управления по программе Arduino UNO параметрами режима обработки материала. В статье описаны результаты разработки и создания системы управления параметрами режима обработки материала в электрохимической установке. В результате проведенных экспериментов была разработана система блока управления с автоматическим программированием с заданными циклами, ориентированными на изменения макроотклонений формы обрабатывающей заготовки.
Ключевые слова: электрохимическая обработка, режимы обработки, блок управления, аэропонная установка, агропромышленный сектор. Исследование выполнено при финансовой поддержке Фонда развития инноваций в рамках программы «Умник-2017.». Договор № 12414 Г/У2017.
Проблема управления технологическим процессом обработки материалов связана с необходимостью оперативного изменения режимов обработки, в том числе скорости подачи охлаждающей жидкости или скорости электролита, величины и силы электроимпульсов, зазора, температуры и других параметров.
Например, в процессе съема материала с поверхности заготовки при электрохимической обработке при наличии отклонений формы возникает необходимость изменения скорости подачи электролита, величины тока и напряжения [1]. Кроме того, возникает необходимость изменения зазора между электродом-инструментом и поверхностью обрабатываемой заготовки. В связи с этим разработка управляющей программы, обеспечивающей работу в автоматическом режиме, изменения указанных параметров позволит добиться их оптимальных значений с точки зрения обеспечения качества и точности обработки [2].
Цель работы — разработка и создание системы автоматического управления технологическими производственными процессами.
Материалы и методы. В настоящей работе представлены исследования по созданию принципиальной схемы, сборки и конструированию систем управления электрохимическими процессами в автоматизированном производстве.
Создание принципиальной схемы и конструирования систем управления электрохимическими процессами в автоматизированном производстве было проведено на кафедре «Технология машиностроения» Омского государственного технического университета [3].
В основу проектирования блока управления была положена плата Arduino UNO и твердотельный блок реле — управления.
В качестве основных параметров автоматической программы для программирования режимов работы были заданы условия электрохимической обработки по циклу, исходя из необходимости бесперебойной работы в течение технологического цикла, а также обеспечения заданных параметров точности и качества поверхности в заданных пределах при регулировке температуры, давления, скорости потока рабочей жидкости и других параметров [4].
В качестве программного обеспечения использовалась программа Arduino 1.6.11 со специальным программным аппаратом для заданных параметров работы. В платах Arduino Uno достаточно удобно реализована работа с протоколами I2C, SPI, UART, а также несколько способов подключения питания: через внешний разъем питания, через подключение USB или через Vin разъем. Платформа имеет встроенный стабилизатор, позволяющий автоматически выбирать источник питания и выравнивать ток до 5 вольт. Платформа имеет микроконтроллер, в котором имеется память Flash, SRAM, EEPROM.
Для защиты порта USB компьютерного обеспечения в данной платформе встроен автоматический самовосстанавливающий предохранитель.
Язык программирования для устройства Arduino 1.6.11 был основан на С/С++, который является наиболее удобным и простым способом программирования устройств на микроконтроллерах [5 — 8].
С/С++ содержит все необходимые средства разработки программ контролируемой эффектив-
ности для множественного спектра задач, а также поддерживает различные стили программирования.
Разработанное программное обеспечение для автоматической работы технологического оборудования позволяет отображать в диалоговом окне циклы работы узлов, представленных насосом подачи рабочей жидкости, специальных форсунок, блоком управлении электрических параметров и контролем температуры.
Программное обеспечение также выводит сообщения о переключении циклов в диалоговом окне программы. Данное программное обеспечение для автономной работы имеет достаточную гибкость в управлении циклами работы и позволяет моделировать время и условия технологического процесса обработки изделий.
Результаты исследований. В результате проведенных исследований была разработана управляющая программа, обеспечивающая автоматизированные циклы работы и изменения заданных параметров с точки зрения обеспечения точности обработки.
Разработанная система по программированию технологического процесса была адаптирована при выращивании объектов в аэропонной установке. Аэропоника — процесс производства растительных объектов в воздушной среде, исключая почвенное взаимодействие, при котором процесс протекает с помощью распыления аэрозоля раствора.
Аэропонная установка (рис. 1) для выращивания растений представляет собой несущую конструкцию, состоящую из стоек, соединенных поперечными перекладинами, на которых в один ряд располагаются вегетационные емкости, а также содержит систему подачи и слива питательного раствора, оснащена светоотражающими элементами, светодиодными и люминесцентными источниками освещения.
Данные аэропонные технологии развиты и внедрены в промышленное производство в развитых странах мира, таких как Китай, США, КНР, Индия. Достаточно широко распространены методы гидропонных и аэропонных систем выращивания растений в закрытых, строго контролируемых условиях. За счет более интенсивного кислородного доступа живые объекты по сравнению с гидропонными системами производства увеличивают массу, стимулируются процессы развития за счет более эффективного кислородного насыщения, что, в свою очередь, позволяет снизить расход воды, а также снизить внесение дополнительных веществ.
В результате анализа современных источников литературы отечественных и зарубежных ученых было установлено, что использование гидропонных систем имеет ряд ограничений вследствие недостаточной аэрации системы [9].
Преимуществами аэропонных технологий являются эффективное использование рабочего пространство и экономия рабочей площади.
Растительные объекты располагались в отверстиях посадочных панелей вегетационных емкостей через определенные интервалы в крышках. Объекты закреплялись в емкости опорной системой, где корневая система орошается сложным составом аэрозоля, с периодичностью, исключающей подсыхание корневой системы объектов.
Вегетационные емкости аэропонной установки выполнены из светонепроницаемого материала.
Вегетационные емкости снабжены системами подачи и слива питательного раствора. С целью
Рис. 1. Принципиальная схема аэропонной установки: 1 — блок освещения (БО);
2 — растительные объекты в вегетационных емкостях;
3 — форсунки для распыления питательного раствора; 4 — узлы полива для подачи питательного раствора;
5 — насос для подачи питательного раствора; 6 — система слива конденсата питательного раствора;
7 — резервуар с питательным раствором; 8 — блок автоматического управления работы системы освещения и подачи питательного раствора (БУ); 9 — блок питания (БП)
снижения удельной энергоемкости и экономичного использования питательного раствора для питания растений на единицу площади, вегетационные емкости соединялись между собой попарно [10].
Вегетационные емкости имели светонепроницаемый корпус с двумя торцевыми стенками и одной откидной светонепроницаемой крышкой.
Фотопериод у растений регулировался с помощью автоматического блока управления (БУ) через заданные промежутки времени при сочетании люминесцентных и светодиодных источников освещения с подобранными спектрами за счет работы блока освещения, контроля температуры и расхода рабочей жидкости (БО) [11 — 15].
Отображение данных работы программного обеспечения автоматического блока управления отображалось в диалоговых окнах, которые позволяют оператору регулировать технологический процесс.
При работе аэропонной установки регулировались физические факторы производства: относительная влажность воздуха и температурный режим, длительность подачи питательного раствора. Питательный раствор из резервуара с питательной средой подавался с помощью насоса по трубопроводу, далее путем мелкодисперсного аэрозольного распыления через фиксированные форсунки. Форсунки распределены через равные промежутки на трубе, которая располагается в верхней части вегетационных емкостей [16, 17].
Работа аэропонной установки автоматизирована и снабжена источником бесперебойного питания, что имело возможность работы в заданных режи-
о
го >
мах работы для производства в условиях закрытых и полузакрытых систем.
Заключение. Развитие автоматизированных систем управления в многофакторных процессах, таких как электрохимическая обработка, аэропонные процессы и многих других рассматривается как стратегическое направление экономического развития страны.
В связи с этим разработана система автоматического управления производственным технологическим процессом.
Анализ контролируемых параметров, их количество, диапазон (регулировка температуры, давления, расхода рабочей жидкости, температуры работы) позволяет применять данные системы автоматизированного управления в широком спектре, в частности аэропонных технологий. В технологическом процессе работы аэропонных технологий необходима регулировка температуры, влажности, расхода жидкости при незначительном изменении конструкции при замене датчиков контроля.
Использование разработанного блока управления параметрами режимов обработки материала в работе аэропонных систем позволяет упростить и снизить трудоемкость технологических процессов, повысить продуктивность конструкции по сравнению с традиционными технологическими процессами производства.
Библиографический список
1. Килимник А. Б. Электрохимические процессы на постоянном и переменном токе. URL: https://cyberleninka. ru/article/n/elektrohimicheskie-protsessy-na-postoyannom-i-peremennom-toke (дата обращения: 13.05.2019).
2. Бакунин Е. С. Килимник А. Б. Электрохимический синтез альтакса с непрерывной корректировкой реакционного раствора. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ elektrohimicheskiy-sintez-altaksa-s-nepreryvnoy-korrektirovkoy-reaktsionnogo-rastvora (дата обращения: 14.05.2019).
3. Киргизова И. В., Артюхова С. И., Моргунов А. П. Метод выращивания элитного семенного картофеля в условиях аэро-понных систем // Интеграция современных научных исследований в развитие общества: сб. материалов IV Междунар. науч.-практ. конф. (26 декабря 2017 г). Кемерово, 2017. Т. 2. С. 143-146.
4. Моргунов А. П., Деркач В. В., Киргизова И. В. Программа для автоматизации обеспечения жизненного цикла растений-регенерантов и индукции мини-клубней картофеля в аэропонной установке // Хроники Объединенного фонда электронных ресурсов «Наука и образование». 2018. № 10 (113). С. 33.
5. Badamasi Yu. A. The working principle of an Arduino // Electronics, computer and computation. 2014. Vol. 5 (13). Р. 1-4. DOI: 10.1109/ICECC0.2014.6997578.
6. Kumar N. S. IOT based smart garbage alert system using Arduino UNO // Region 10 Conference (TENCON). 2016. Vol. 12. Р. 1028-1034. DOI: 10.1109/TENCON.2016.7848162.
7. Fransiska R. W., Septia E. M. P., Kusumah V. F. [et al.]. Electrical power measurement using arduino uno microcontroller and labview // Instrumentation, Communications, Information Technology, and Biomedical Engineering (ICICI — BME). 2013. Vol. 456. Р. 226-229. DOI: 10.1109/ICICI-BME.2013.6698497.
8. Пат. № 2017611280 Российская Федерация. Программа для автоматической системы управления подачи питания в аэропонные модели для выращивания томатов и огурцов, в зависимости от стадии роста и климатических параметров / Назаров М. Л., Парамонов И. Б. № 2016663402; заявл. 07.12.16; опубл. 01.02.17.
9. Rabaey K., Verstraete W. Microbial fuel cells: novel biotechnology for energy generation // TRENDS in biotechnology. 2005. Vol. 435, no. 6. P. 291-298. DOI: 10.1016/j. tibtech.2005.04.008.
10. Logan E., Rabaey K. Conversion of Wastes into Bioelectricity and Chemicals by Using Microbial Electro — chemical Technologies // Science. 2012. Vol. 337. P. 686-690. DOI: 10.1126/science.1217412.
11. Семенченко И. Г., Шишков И. В., Сидоренко А. А. Архитектурная и алгоритмическая модель контроллера движения в системах ЧПУ намоточно-выкладочных станков // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Сер. Технические науки. 2017. № 2 (194). С. 23-31. DOI: 10.17213/0321-2653-20172-18-23.
12. Сурков О. С., Кондратьев А. И., Федоров Д. Г. [и др.]. Современные возможности штатных мониторинговых систем станков с ЧПУ // Известия Самарского научного центра РАН. 2018. Т. 20, № 4. С. 144-148.
13. Li X., Pletcher D., Walsh F. C. A novel flow battery : A lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II): Part VII. Further studies of the lead dioxide positive electrode // Electrochim. Acta. 2009. Vol. 54. P. 4688-4695. DOI: 10.1016/j. electacta.2009.03.075.
14. Cericola D., Kotz R. Hybridization of rechargeable batteries and electrochemical capacitors: Principles and limits // Electrochim. Acta. 2012. Vol. 72. P. 1-17. DOI: 10.1016/j. electacta.2012.03.151.
15. Perret P., Khani Z., Brousse T. [et al.]. Carbon/PbO2 asymmetric electrochemical capacitor based on methanesulfonic acid electrolyte // Electrochim. Acta. 2011. Vol. 56. P. 81228128. DOI: 10.1016/j.electacta.2011.05.125.
16. Morgunov A. P., Kirgizova I. V. Control unit for the dosed feeding of the nutrient solution into the industrial aeroponic installation system // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. Vol. 1210. Р. 1-4. DOI: 10.1088/1742-6596/1210/1/012099.
17. Мартиросян Ю. Ц., Кособрюхов А. А., Диловарова Т. А. [и др.]. Аэропонные технологии в растениеводстве // Проблемы агробиотехнологии. М., 2012. С. 227-240.
МОРгУнОВ Анатолий Павлович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Технология машиностроения». БРНЧ-код: 1024-0982 ЛиШогГО (РИНЦ): 387681 Адрес для переписки: Kafedra-tms@mail.ru ДЕРкАЧ Валерий Васильевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Технология машиностроения». ЛиШогГО (РИНЦ): 310572
КиргиЗОВА ирина Васильевна, аспирантка кафедры «Технология машиностроения». БРНЧ-код: 2601-9904 ЛиШогГО (РИНЦ): 884267 ОЯСГО: 0000-0002-1816-7963 ResearcherID: 0-8855-2016 Адрес для переписки: irina.kz-89@mail.ru
Для цитирования
Моргунов А. П., Деркач В. В., Киргизова И. В. Разработка блока управления параметрами режимов обработки материала // Омский научный вестник. 2019. № 4 (166). С. 14-16. DOI: 10.25206/1813-8225-2019-166-14-16.
Статья поступила в редакцию 22.05.2019 г. © а. П. Моргунов, В. В. Деркач, и. В. Киргизова
