CC BY
2
УДК 631.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-240-241
СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ПРИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
А.Е. Абрамов, А.В. Морозов, И.Е. Никоноров, В.А. Злобин, А.О. Кошкина, О.М. Каняева
Представлены исследования системы автоматизированного контроля технологических режимов при электромеханической обработке. Разработана алгоритмическая модель автоматизированного управления системой, проведена оценка полученной модели и передаточной функции управления.
Ключевые слова: электромеханическая обработка, силовой преобразователь, микроконтроллер, передаточная функция, адаптивная система контроля, САУ, АСУ ТП, САР, УВК, ЦАП, АЦП, ШИМ.
Введение. В условиях санкций сельское хозяйство стоит перед необходимостью оптимизации ресурсов и повышения эффективности производства. Восстановление и упрочнение деталей сельскохозяйственной техники становится важным направлением для увеличения долговечности и надежности сельскохозяйственных машин, что может существенно сэкономить средства в условиях ограниченного доступа к импортным компонентам.
Электромеханическая обработка (ЭМО) является перспективной технологией, использование которой, позволит сельскохозяйственным предприятиям значительно снизить расходы на замену изношенных деталей и обслуживание сельскохозяйственной техники. Это также способствует улучшению конкурентоспособности продукции на рынке и снижению зависимости от импортных аналогов.
Для повышения показателей прочности и износостойкости деталей, на практике применяются различные технологические установки, довольно простого исполнения. Типовая установка для ЭМО состоит из следующих неотъемлемых частей: источник электропитания установки (силовой модуль), электрической шины, регулировочного устройства, контактный инструмент, агрегатная основа (станок) [1, 2].
При этом в зависимости от параметров источника тока или требуемых режимов работы состав применяемого оборудования может меняться, на что технология не накладывает жестких ограничений [3]. Вследствие вышесказанного данные установки не отличаются технологичностью исполнения, и часто включают в свой состав изначально непредназначенные, под данные режимы работы компоненты, такие как мощные сварочные трансформаторы, балластные реостаты, составные электрические шины (проводники сечения более 30 мм2).
Анализ существующих и разрабатываемых силовых модулей ЭМО показал, что практически все силовые модули имеют ручное управление [1], что требует постоянный контроль со стороны оператора, неудобство, длительность и неточность регулировки мощности источника питания, аналоговые измерительные приборы - амперметры, вследствие скачков, могут выдавать неточные данные или показания могут изменяться скачкообразно, делая невозможным оперативную регулировку мощности, что влияет на качество обработанной поверхности [3].
Описанные выше недостатки, применяемых установок, являются достаточным аргументом в пользу разработки прототипа, с целью повышения качества выполняемой работы, экономии электроэнергии и экономии трудовых ресурсов, так как при должной автоматизации, к работе на установке возможно привлечение низкоквалифицированных кадров или постановку под контроль одного рабочего нескольких установок.
Целью исследований является разработка и создание прототипа установки для электромеханической обработки деталей с адаптивной системой контроля технологического тока. Эта система предназначена для повышения эффективности и точности процесса обработки деталей, а также для автоматизации управления мощностью трансформатора, что способствует улучшению качества и долговечности обрабатываемых изделий.
Главная идея концепции заключается в автоматизации процесса электромеханической обработки. Автоматический контроль мощности установки с возможностью перехода на ручной режим управления - является основой для повышения качества работы, при этом становится возможным использование специализированных электроустановок установок меньших габаритов, так как они за частую требуют особых режимов работы, которые могут быть воплощены в проектируемой установке. Непосредственно автоматизация процесса будет связана с использованием микроконтроллера и программного управления, что делает возможным задание различных алгоритмов работы установки без изменения принципиальной схемы и использования громоздкого оборудования [1]. Так как цифровые приборы по габаритам во много раз компактней аналоговых, а также там, где возможно программное управление, реализация подобных схем на аналоговых компонентах потребует значительного пространства и количества этих компонентов и сложность принципиальной схемы, так же будет отличаться в большую сторону. [4, 5].
Материалы и методы исследований. В данной статье проводится разработка и исследование системы автоматизированного контроля технологического тока при электромеханической обработке. Исследования состояли из следующих этапов: разработка концептуальной модели системы и выполнение математического анализа модели системы,
Результаты исследований. Концептуальная модель системы представляет систему автоматического управления САУ, реализующую функциональные возможности технологических режимов при электромеханической обработке, которая может применяться как автономно, так и входить в состав автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) в виде локальных систем автоматического регулирования (САР) отдельных физических величин - технологических показателей (температуры, частоты вращения, подачи инструмента, электрического тока и напряжения).
АСУ ТП представляет собой человеко-машинную систему, предназначенную для контроля режимов работы, сбора и обработки информации о протекании технологических процессов, а также для их управления. АСУ ТП системы автоматизированного контроля технологических режимов при электромеханической обработке представлена на рисунке 1 построена на основе комплекса микропроцессорных средств, образующих управляющий вычислительный комплекс (УВК). УВК представлен микроконтроллером, устройством сопряжения (УСО), установка электромеханической обработки (УЭМО), и периферийные устройства (дисплей, датчики напряжения, тока и температуры). Данная АСУ ТП построена на основе программируемого микроконтроллера.
240
Система автоматизированного контроля технологических режимов при электромеханической обработке работает следующим образом: управляемые величины (координаты) У1, У2, ... , Уп воспринимаются датчиками, сигналы от которых чрез УСО1 , подаются на УВМ, где программными средствами обрабатываются по требуемому для технологического объекта алгоритму; выходные сигналы УВМ через УСО2 и исполнительные устройства изменяют управляющие воздействия Х1, Х2 , ... , Хп, изменяя состояния выходных величин У1, У2, ... , Уп в соответствии с требованием технологического процесса.
Рис. 1. Схема функциональная системы автоматизированного контроля технологических режимов при электромеханической обработке: Х01, Х02,.. Хоп - задающие воздействия (технологические режимы, выраженные в виде значений величин); Х1, Х2,.. Хп - управляющие (регулирующие) воздействия; /1,/2,.. /п -внешние возмущения; У1, У2,.. Уп - управляемые величины
г
Рис. 2. Функциональная схема САР системы автоматизированного контроля технологических режимов
при электромеханической обработке
Микроконтроллер информацию обрабатывает в цифровой форме, поэтому такие системы автоматического управления классифицируются как цифровые САР. Один контур регулирования системы с микроконтроллером можно рассматривать как отдельную одномерную АР (рис. 2), где УВК - управляющий вычислительный комплекс; АЦП1 - аналого-цифровой преобразователь для преобразования аналогового задающего воздействия Хо в дискретный двоичный сигнал ХХ0; АЦП2 - аналого-цифровой преобразователь для преобразования аналогового сигнала
датчика Х1 в дискретный двоичный сигнал XX1, ЦАП -цифроаналоговый преобразователь для преобразования выходного дискретного двоичного сигнала микроконтроллера Х2 в аналоговый сигнал Х2.
Архитектура микроконтроллера располагает виртуальным сравнивающим органом, отображающим функции по сравнению дискретных сигналов и алгоритмическим блоком, реализующим функции по реализации предписанного закона управления (регулирования) технологических параметров.
Рассмотрим передаточную функцию управляющего сигнала, при цифроаналоговом управлении, которая будет иметь следующий вид:
& М =_К_, (1)
(1 + )(1 + 12 5)
при Т2>Т1,
&ЭМО (5) = ~7+~~Г ^ , (2)
(1 +15)
где: Шэмо - передаточная функция; 5 - оператор Лапласа; Тзап - время запаздывания, с; К - передаточный коэффициент датчика тока А:
К =
12 (5)
и 1(8)
Для разработки системы автоматизированного контроля технологических режимов при электромеханической обработке применялась программная среда динамического моделирования технических систем SimInTech [6], где разработана алгоритмическая модель системы управления ЭМО, представленная на рисунке 3. Она состоит из источника ШИМ сигнала PWM1, источника тока сети промышленной частоты G1, преобразователя Р1, выполненного по мостовой схеме, силового трансформатора Т1, приборов контроля состояния цепи А и V, нагрузки R1 в виде контактного элемента ЭМО и графиков для вывода контролируемой величины тока и напряжения в зоне контакта.
к»
гО!
Рис. 3. Алгоритмическая модель адаптивной системы: 67 - генератор напряжения (промышленная сеть), РШ - микроконтроллер, Рг1 - силовой преобразователь ЮБТ, Т1 - силовой трансформатор, А - датчик тока, V- датчик напряжения, Яп - нагрузка (инструмент ЭМО).
В качестве элемента силового преобразователя (рис.4) был выбран IGBT транзистор с параллельно включенным обратным диодом. В каждый элемент входит параллельно включенная цепочка снаббера, которая представлена RC-цепью.
Рис 4. Схема мостового преобразователя: Ят. С\„. - активные сопротивления и емкости снаббера:
VT - ЮБТ транзисторы с обратным диодом.
На вход силового преобразователя подаётся сигнал с генератора. В качестве генератора управляющих импульсов применяется ШИМ генератор, структура которого показана на рисунке 5.
Рис. 5. Структура ШИМ генератора
В данной системе установка ЭМО представляет объект регулирования, регулируемой величиной является ток контакта R1, представляющее активное сопротивление, а регулирующим воздействием изменение скважности импульса генератора ШИМ сигнала по закону (рис.6):
В результате проведения имитационного математического эксперимента была определена передаточная функция управляющего сигнала, при цифроаналоговом управлении и представлена в виде графической зависимости W(k) (рис. 7).
\У = К2 8^(2^ + ф)
ей
Тп -е-+® = кив1м Т1
е
иА = кА 1т
Ди = иА2 - иА
Т
ей,
ег
—+1 = ки
Т101 А1
2000 1900 1800 1700 1 6001 5001 400 1 300 1 200 1 100 1 ООО 900 800 700 600500400 300 200 1000
76 77 78 79 80 81 82 33 84 85 86 87 88
Время 1. с
90 91 92 93 9; 95
- Ток вэоне контакта. А
Рис. 6. Форма сигнала ШИМ генератора
Анализируя график можно сделать вывод, что полученная модель управляющего воздействия стабильна, так как время регулирования находится в пределе 0<<4 при степени затухания ф>75%.
Далее в БтЫТееН была произведена генерация программного кода для микроконтроллера, который будет загружаться при реализации алгоритма управления системы автоматизированного контроля технологических режимов при электромеханической обработке.
Обсуждение. Представлена разработка и исследование системы автоматизированного контроля технологических режимов при электромеханической обработке деталей машин с автоматическим контролем мощности.
Разработанная система может найти практическое применение в различных областях, где требуется эффективная и точная электромеханическая обработка деталей машин.
/ / ¥ / V" \
з
1, мс
к=2 к=3 к=4 к=5 ^=6_|
Рис. 7. Передаточная функция управляющего сигнала И (к)
Важным направлением для будущих исследований может быть расширение функциональности установки и оптимизация алгоритмов управления для более широкого спектра задач.
Заключение. Разработанная системы автоматизированного контроля технологических режимов при электромеханической обработке деталей машин представляет собой важное техническое решение, способное повысить эффективность производственных процессов. Эта система автоматизирует управление мощностью трансформатора, обеспечивая точность и стабильность обработки деталей.
Применение данной установки позволит повысить производительность обработки, стабильность эксплуатационных свойств обработанных деталей и соответственно их долговечность.
Таким образом, данное исследование вносит важный вклад в развитие автоматизированных систем для электромеханической обработки и открывает новые перспективы для сельского хозяйства и промышленности в условиях современных вызовов и ограничений.
Список литературы
1. Морозов, А.В. Анализ силовых установок для электромеханической обработки / А.В. Морозов, И.Е. Никоноров, Н.И. Шамуков // Наука в современных условиях: от идеи до внедрения: материалы Национальной научно-практической конференции с международным участием, посвященной 80-летию Ульяновского государственного аграрного университета имени П.А. Столыпина, 2022. С. 880-883.
243
2. Федоров С.К. Повышение долговечности деталей сельскохозяйственной техники электромеханической обработкой: дис. ... д-ра техн. наук: 05.20.03 / Федоров Сергей Константинович. Москва, 2009. 245 с.
3. Электромеханическая обработка: технологические и физические основы, свойства, реализация. / Багму-тов В.П., Паршев С.Н и др. - Новосибирск: Наука, 2003. 318с.
4. Пат. 2786552. Российская федерация, МПК В 24 В 39/04 (2006.01), В 23 P 6/00 (2006.01), C 21 D 7/13 (2006.01), СПК B 24 B 39/04 (2022.08). Установка для электромеханической обработки / А.В. Морозов, А.А. Кнюров, И.Е. Никоноров, А.А. Морозов, Ю.В. Яшина; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО Ульяновский ГАУ. Заявка № 2022126407; от 10.10.2022; опубл. 22.12.2022, Бюл. № 36.
5. Пат. 2794275. Российская федерация, МПК В 24 В 39/00 (2006.01), С 21 D 7/13 (2006.01), СПК B 24 B 39/00 (2023.02), C 21 D 7/13 (2023.02). Установка для электромеханической обработки / А.В. Морозов, А.А. Кнюров, И.Е. Никоноров, А.А. Морозов, Ю.В. Яшина; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО Ульяновский ГАУ. Заявка № 2022129643; от 15.11.2022; опубл. 13.04.2023, Бюл. № 11.
6. Применение программного пакета SimlnTech для изучения теории автоматического управления: учебное пособие / А. Р. Гайдук, Т. А. Пьявченко ; Южный федеральный университет. Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство Южного федерального университета, 2021. 131 с.
Абрамов Александр Евгеньевич, старший преподаватель, [email protected], Россия, Ульяновск, Ульяновский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина,
Морозов Александр Викторович, д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Ульяновск, Ульяновский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина,
Никоноров Илья Евгеньевич, аспирант, [email protected], Россия, Ульяновск, Ульяновский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина,
Злобин Вадим Александрович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Ульяновск, Ульяновский государственный технический университет,
Кошкина Анастасия Олеговна, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Ульяновск, Ульяновский государственный технический университет,
Каняева Ольга Михайловна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Ульяновск, Ульяновский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина
AUTOMATED CONTROL SYSTEM TECHNOLOGICAL MODES DURING ELECTROMECHANICAL PROCESSING A.E. Abramov, A.V. Morozov, I.E. Nikonorov, V.A. Zlobin, A.O. Koshkina, O.M. Kanyaeva
The research of the automated control system of technological modes in electromechanical processing is presented. An algorithmic model of automated control of the system has been developed, an assessment of the obtained model and the transfer function of control has been carried out.
Key words: electromechanical processing, power converter, microcontroller, transfer function, adaptive control system, ACS, automated process control system, SAR, UVK, DAC, ADC, PWM.
Abramov Alexander Evgenievich, senior lecturer, [email protected], Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk state agrarian University. P. A. Stolypin,
Morozov Alexander Viktorovich, doctor of technical sciences, docent, head of chair, [email protected], Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk state agrarian University. P. A. Stolypin,
Nikonorov Ilya Evgenievich, postgraduate, [email protected], Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk state agrarian University. P. A. Stolypin,
Zlobin Vadim Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk State Technical University,
Koshkina Anastasia Olegovna, candidate of technical sciences, docent, head of chair, [email protected], Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk State Technical University,
Kanyaeva Olga Mikhailovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk state agrarian University. P. A. Stolypin
