CC BY
18
ш
рос. науч.-практ. конф. Красноярск : ИВМ СО РАН. С. 34-38.
4. Берман А. Ф. Онтология надежности механических систем / А. Ф. Берман и др. // Искусственный интеллект. Донецк : Наука, 2004. № 3. С. 266-271.
5. Гаврилова Т. А. Онтологический подход к управлению знаниями при разработке корпоративных информационных систем // Новости искусственного интеллекта. № 2. 2003. С. 24-30.
6. Николайчук О. А. Система имитационного моделирования динамики состояний сложных технических систем на основе агентного подхода / О. А. Николайчук, А. И. Павлов, А. Ю. Юрин //Автоматизация в промышленности. 2010. № 7. С. 45-49.
7. Основные требования к разработке планов по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов : Постановление Правительства Рос. Федерации от 21 августа 2000 г. N 613.
8. Morbach J. Wolfgang Marquardt. OntoCAPE-A (re)usable ontology for computer-aided process engineering / J. Morbach, A. Wiesner // Computers & Chemical Engineering Volume 33. Issue 10. 14 October 2009. P 1546-1556.
9. Protege [Электронный ресурс] : национальный ресурс для биомедицинских онтологий и баз знаний. URL: http://protege.stanford.edu/ (дата обращения: 21.04.2012).
УДК 621.365
Филиппенко Николай Григорьевич,
ст. преподаватель каф. ТРТСиМИрГУПС, Иркутск, тел.: 638362, e-mail: [email protected]
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
N.G. Filippenko
AUTOMATED CONTROL SYSTEM OF POLYMERIC MATERIALS HIGH-FREQUENCY PROCESSING
Аннотация. В настоящей работе решаются задачи управления режимом ВЧ-обработки полимерных материалов на основе применения АСУ, учитывающие возникновения пробойных явлений.
Ключевые слова: автоматизированная система управления, высокочастотный нагрев, электротермическая обработка, пробойное состояние полимеров.
Abstract. In the present article the problems of management of a mode of processing of polymeric materials because of applications of a management information system taking into account origins of the phenomena are decided.
Keywords: automated control system, high-frequency heat, electrothermal processing, condition ofpolymers.
Применение высокочастотного (ВЧ) диэлектрического нагрева наиболее эффективно в процессах сушки и термической обработки (сварка пластмасс, склеивание, скоростное размораживание, стерилизация). Физические преимущества метода (отсутствие тепловой инерции нагревателя, концентрация значительной энергии в небольших
объёмах, простота и точность регулирования теплового режима и др.) предопределяют возможность создания технически совершенного, автоматизированного электротехнологического оборудования, обеспечивающего оптимальные условия процесса [1]. Однако практическая реализация сдерживается рядом причин, к числу которых в первую очередь относится отсутствие надёжных средств контроля.
В работе [2] рассматривается метод многофункционального контроля параметров технологического процесса по мгновенным параметрам электрического режима высокочастотного генератора электротермической установки, а именно анодному току и динамике возникновения частичных разрядов (ЧР) при развитии предпробойного состояния. Там же определена взаимосвязь анодного тока с электрофизическими параметрами ВЧ-оборудования и фазовым состоянием обрабатываемого материала. Рассмотрено явление пробоя и определены сопутствующие этому явлению ЧР.
Исходя из этого, организацию процесса управления высокочастотной обработкой можно решить следующие образом.
иркутским государственный университет путей сообщения
При сварке:
1. Организовать плавный выход на максимальную мощность для реализации процесса акклиматизации обрабатываемого полимера с целью вывода процесса электротермии в режим максимально возможного ВЧ-воздействия и поддержание этого режима до конца данной технологической операции. Предусмотреть возможность изменения времени акклиматизации.
2. Организовать контроль анодного тока с целью выхода его значения на первый минимум, соответствующий температуре плавления.
3. После завершения процесса акклиматизации, начать процесс регистрации ЧР (счет их количества и определение времени межразрядных интервалов).
4. При превышении скорости появления ЧР выше критического значения организовать процесс снижения мощности ВЧ-воздействия. Если принятые меры не приводят к выходу из предпро-бойного состояния, организовать аварийное отключение с оповещением.
При сушке:
1. Организовать плавный выход на максимальную мощность для реализации процесса акклиматизации обрабатываемого полимера с целью вывода процесса электротермии в режим максимально возможного ВЧ-воздействия и поддержание этого режима до конца данной технологической операции. Предусмотреть возможность изменения времени акклиматизации.
2. После завершения процесса акклиматизации начать процесс регистрации ЧР (счет их количества и определение времени межразрядных интервалов).
3. При превышении скорости появления ЧР выше критического значения организовать процесс снижения мощности ВЧ-воздействия. Если принятые меры не приводят к выходу из предпро-бойного состояния, организовать аварийное отключение с оповещением.
4. Организовать контроль анодного тока с целью выхода его значения на первый максимум, соответствующий примерно 90 % температуры плавления.
5. Провести 10%-е снижение мощности воздействия. При .P=const отследить динамику изменения анодного тока с периодичностью 5 Гц. При уменьшении анодного тока продолжить снижение мощности. При возрастании тока перейти к пункту 4.
6. В случае снижения мощности пропорционально увеличить время обработки.
Алгоритм управления разработан в соответствии с перечисленными выше задачами и представлен здесь и далее на примере блок-схемы алгоритма процесса сварки рис. 1.
Разработанная блок-схема алгоритма системы управления процессом ВЧ-сварки изделий из полимерных материалов представлена на рис. 2.
Представленные блок-схемы реализованы на языке программирования Си в среде CodeVision АУ^ применительно к контроллеру (МК), собранному на базе AT mega8. Программа условно разделена на три подпрограммы:
- сбора и накопления данных;
- организации процесса расчета;
- управления исполнительным механизмом.
Работа автоматизированной системы управления процессом ВЧ-обработки полимерных материалов осуществляется следующим образом.
После ввода исходных данных в вычислительные блоки оператором выполняются следующие операции. Выбирается режим «сушки», «сварки». Устанавливается реле времени выдержки под давлением прижимной плиты, после завершения процесса ВЧ-обработки. Эта операция необходима для окончания диффузионных процессов при сварке и остывании, удалении влаги, летучих соединений, образованных в процессе сушки.
В рабочий конденсатор загружается технологическая оснастка, устанавливается изделие. Прижимная плита настраивается следующим образом:
- при сушке давление необходимо только для обеспечения гарантированного контактного соединения верхней высокопотенциальной плиты с электродами (определяется экспериментально). Так например, при сушке полиамидных сепараторов из материала армамид - ПА СВ 30-1ЭТМ свободный ход пресса (сохраняющий обрабатываемое изделие в пределах упругой деформации) экспериментально определен как 0,1 мм.
- при сварке крышки аккумуляторных батарей из материала полиамид-610 регулировка хода пресса, для обеспечения коалесценции расплава, составляет 1,5 мм [3].
Поскольку электродные системы рабочих конденсаторов отличаются друг от друга по конфигурации, то различными являются и законы изменения регулировочных настроек. Так же настроечный процесс при сварке и сушке деталей изделий необходимо осуществлять после определения и компенсации начального теплового расширения (возмущения) по объему.
ш
Начало
Ввод исходных данных
к-дчр,Тчр1 тчр расч/(«чр X Аэ В5 тппесса
Загрузка технологического устройства
Включение пресса
Пуск АСУ
Включение режима НАГРЕВ
Отключение программного регулятора мощности (отключение исполнительного механизма)
Включение блока 3
х
1
т
2
иркутским государственный университет путей сообщения
Процесс ВЧ «сварки»
Рис. 1. Алгоритм управления процессом сварки
ОПЕРАТОР
Ввод исходных данных
Загрузка н разгрузка ВЧ пресса
Подача давления ica пресс
Пуск АСУ
ОБЪЕКТ
I IpCCG ВНИЧ
Пресс вверх
ВЧ-пресс
Запуск! расч. та
Датчик тока
13ч генератор
т
Переменный регулируем и Й конденсатор
Акустические датчики
Г
н
-5
з ■и
-Е
V
I
МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ КОНТРОЛ
Расчет Такк
Ист
IliP
комнаратюрТак к
Расчст /а(Т)
Запуск расиста
Ист
Л а
Компаратор/аСЕ) рЧ
Расчст Тчр к^
^ Запуск расчета
Нет
Компаратор ТЧр
ш
Н^^ Компаратор к\
I«iJL«
Да
I [срс кл шч атс л ь управляющего тока (режимов нагрева)
Вкл. [[срсключатсля Р=Р шцх
Откл. переключателя
Откл. пагрсва (Установка /■-■ = ())
Нкл. ступенчатого регулирован ил f Р= Р„
■10%)
РВ
.¡гссса
в-о
§1
СГ го
Ф
Ф
ZI I
I £ =■
Ф тз
^ о
0" Ф
ш
Рис. 2. Блок-схема автоматизированной системы управления процессом ВЧ-сварки изделий из полимерных материалов
иркутский государственный университет путей сообщения
После настройки прижимная плита подводится к изделию (оснастке) и включается ВЧ-генератор. Одновременно производится запуск автоматизированной системы управления (датчиков, драйверов и исполнительных механизмов).
Вычислительный блок 1 (здесь и далее разделение на вычислительные блоки является условным и предпринято лишь с целью пояснения последовательности выполняемых расчетных операций), используя информацию о времени акклиматизации, подает команду исполнительному механизму на линейное увеличение мощности ВЧ-генератора от Р^ до Ртах. Время акклиматизации рассчитывается заранее, исходя из конструкционных особенностей обрабатываемой детали и конструкции исполнительного устройства. После приема данных такк блок 1 подает команду на программный регулятор мощности (включается исполнительный механизм). Можно предположить, что если не ограничить процесс акклиматизации во времени (организовав простую схему регуляции мощности), то ВЧ-обработка будет происходить до тех пор, пока не провзаимодействуют все неоднородные включения, а это автоматизированный процесс технологии улучшения (изменения) поверхностного слоя полимерных материалов. Необходимо отметить, что блок 1 позволяет перейти на ручной режим работы, если время акклиматизации такк принять за бесконечность.
По истечении времени акклиматизации такк блок 1 подает команду на отключение программного регулятора мощности (исполнительного механизма) и команду в блок 3 на включение процесса контроля и вычисления интенсивности ЧР. После этого контроль состояния обрабатываемого полимерного материала ведется параллельно по двум направлениям.
Рассмотрим первое из них (для процесса ВЧ-сварки).
Блоком 1 подается команда на включение блока 2, рассчитывающего значения анодного тока
Л:
1а (п)(т) - Л(п-1)(Т) < 0, (1)
который позволяет найти его увеличение.
Снижение анодного тока определяется последовательно подключенным блоком 4, рассчитывающим его значения:
1а (п)(т) - 1а(п-1)(т) > 0, (2)
т. е. определяющим первый минимум в значениях анодного тока, что соответствует началу изменения фазового состояния полимера, или состоянию полимера при
Т = Тпл. (3)
После выполнения неравенства (2), т. е. достижения температурой значения (3), блоком 4 подается команда на отключение режима нагрева. Одновременно с этим запускается реле времени
расч 1
выдержки под прессом обрабатываемого изделия и вывод программного регулятора (исполнительного механизма) в начальное исходное положение, соответствующее положению «0». После окончания установленного времени РВ подает команду на снятие давления с пресса и отключение АСУ.
Возвратимся к исходной точке разделения системы управления и рассмотрим второе направление.
В случае возникновения ЧР блок 3 производит расчет времени тчр расч возникновения событий частичных разрядов
тчр расч =Л"чр) , (4)
где сравнивает время тчр с расчетным временем тчр , возникновения ЧР. Если
тчр — тчр расч , (5)
то это означает, что идет процесс развития пред-пробойного состояния.
пчр кдчр , (6)
где кдч р - численное значение последовательно возникших динамических ЧР, метод определения был описан в [2].
Выполнение условия (6) приводит к ступенчатому (10 %) уменьшению блоком 5 мощности ВЧ-воздействия. В случае если уменьшение мощности не приводит к стабилизации процесса возникновения ЧР, отключение режима «НАГРЕВ» будет произведено блоком 6 автоматически при выполнении условия:
"сниж =10, (7)
где «сниж - количество событий ступенчатого снижения мощности.
Исключение одновременности событий по изменению мощности ВЧ-воздействия (одновременного обращения к регулятору и исполнительному механизму), ввиду разветвленной схемы системы автоматизации, было решено программно вводом операций прерывания. Это несколько уменьшает производительность вычислительного устройства, но зато позволяет среде программирования обеспечивать возможность параллельной (или псевдопараллельной) обработки всех процессов. Распределение ресурсов организовано по динамической схеме, задача стартует в памяти или покидает память в зависимости от её приоритета. В качестве приоритетной выбрана задача регулирования предпробойного состояния.
Работоспособность АСУ опробована в опытно-промышленном производстве изделий сложной формы:
- из полиамида - термопласта, отличающегося очень узким интервалом вязко-текучего состояния (АГдл= ± 6 °С) и высокой температурой этого перехода (Ттек = 225 °С, Тр = 200 °С). Режим сушки деталей толщиной 2 мм (толщина перегородки 2 мм), при толщине изоляционного вкладыша из диэлектрического картона 0,4 мм,
ш
сварочное давление ^ = 0,01 МПа, ир = 1200 В,
/= 27,12 МГц, тсушки= 33,5 с. Экспериментальная проверка показала высокое (~ 92 %) качество полученных изделий;
- пленки ПВХ, широко используемой в производстве покрытий и полиграфической продукции, (Ттек= 185 °С, Тр= 170 °С). Режим сварки деталей толщиной 0,22 мм (количество слоев 2-4) при толщине изоляционного вкладыша из диэлектрического картона 0,3 мм, сварочное давление ^ = 0,5 МПа, ир = 1200 В, / = 27,12 МГц, тсв= 13,5 с. Экспериментальная проверка показала высокое (~ 97 %) качество полученных изделий.
Представленная АСУ процесса ВЧ-обработки полимерных материалов может быть использована для управления технологическими параметрами различных электротермических установок высокочастотного диэлектрического нагрева.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Марков А. В. Многофункциональный контроль параметров технологического процесса в электротермической установке высокочастотного диэлектрического нагрева / А. В. Марков, Ю. П. Юленец // Электротехника. 2007. № 7. С.60-64.
2. Филиппенко Н. Г. Повышение эффективности высокочастотной обработки полимерных материалов / Н. Г. Филиппенко, С. К. Каргапольцев, А. В. Лившиц // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. Вып. 4 (32) С. 50-55.
3. Трофимов Н. В. Математическая модель оптимального режима высокочастотной сварки пластмасс // Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-21) : материалы XXII междунар. науч. конф. Псков : Псковский гос. политехн. ин-т, 2009. Т. 10. Секция 11. С. 7173.
УДК 533.6.05 Тихий Иван Иванович,
д. т. н., профессор кафедры прикладной механики ИрГУПС тел. 89500844791, (3952)54-47-52, e-mail: [email protected]
Мухопад Юрий Фёдорович, д. т. н., профессор кафедры управления техническими системами ИрГУПС
тел. 89500500291, (3952)63-83-64 Кашковский Виктор Владимирович, к. т. н., старший научный сотрудник, доцент кафедры информационных систем ИрГУПС
тел. 89149431230, (3952)71-20-27, e-mail: [email protected]
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОБЛЕМЕ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ СЛОЖНЫХ ОБЪЕКТОВ
I.I. Tichiy, JU.F. Muhopad, V.V. Kashkovsky
SYSTEM APPROACH TO THE PROBLEM OF THE STATE OF COMPLEX OBJECTS DETERMINATION PROCESSES EFFICIENCY INCREASE
Аннотация. Предложен системный подход к решению проблемы определения состояния сложных объектов, состоящий в комплексном исследовании задач контроля, диагностирования, испытаний, прогнозирования и генеза как составляющих общего процесса функционирования соответствующей системы определения состояния с ограничениями. Сформулированы принципы структурного синтеза концептуальной модели предметной области. Разработаны отдельные её элементы, включающие виды состояний сложного объекта и процессы их определения. Систематизированы типовые ограничения, наиболее часто
встречающиеся при решении задач, составляющих общую структуру процесса определения состояния сложных объектов, на примере авиационных комплексов и систем.
Ключевые слова: система, эффективность, управление состоянием, определение состояния, ограничения, концептуальная модель, процесс, принципы структурного синтеза.
Abstract. System approaches to the decision of the state of complex objects determinations problem is offered. It consist of complex research of tasks of control, diagnosis, tests, prognosis and genesis, as constituents of general process offunctioning of the prop-
