На правах рукописи

Сизова Ирина Александровна

АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ

ОБЕСПЕЧЕНИЕМ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА

НА ПРИМЕРЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО МАРКИРОВАНИЯ

Специальность 05.13.06 — Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2007

Работа выполнена в Государственном Образовательном Учреждении Высшего Профессионального Образования Московском Государственном Технологическом Университете «Станкин» (ГОУ МГТУ «Станкин»)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Л.Э. Шварцбург

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор О.В. Веселов кандидат технических наук М.Г. Фокин Ведущее предприятие ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.

Бардина»

Защита состоится «11» октября 2007 г. в 11 часов 00 минут на заседании диссертационного совета К 212.142.01 при Московском государственном технологическом университете «Станкин» по адресу:

127055, ГСП, Москва, Вадковский пер., 3а.

Отзыв о работе, заверенный печатью, в 2-х экземплярах просьба направлять по указанному адресу в диссертационный совет К 212.142.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ «Станкин».

Автореферат разослан «11» сентября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук И.М. Тарарин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Стратегия развития современного машиностроительного производства предполагает существенное повышение уровня производительности технологических процессов с целью обеспечения выпуска продукции требуемого качества в заданный срок при минимальных затратах. Современное машиностроение развивается в условиях жесткой конкуренции и развитие его идет в направлениях существенного повышения качества продукции, сокращения времени обработки, повышения интеллектуальной оснащенности машиностроительной отрасли. Вместе с тем, в настоящее время в число важнейших критериев при разработке оборудования выдвигается экологическая составляющая качества технологических процессов.

Важное место в технологических процессах обработки составляют процессы, основанные на законах электрохимии – электрохимические методы обработки. Наряду с несомненными достоинствами, электрохимические методы обработки имеют присущие им недостатки. Так, например, вещества, выделяемые при электрохимической обработке, загрязняют рабочую зону технологического оборудования и, как следствие, окружающую среду.

Для производственного оборудования электрохимической обработки характерен конфликт технических и экологических показателей – как правило, чем выше производительность оборудования, тем выше выделение вредных веществ в окружающую среду. Не вызывает сомнений, что наиболее конкурентоспособным будет оборудование, обеспечивающее максимальную производительность при минимально возможном выделении вредных веществ.

Для экологически ориентированного технологического оборудования управление работой должно быть гибким, учитывающим материал обрабатываемой детали и состав электролита. Кроме того, необходимо минимизировать участие оператора или полностью исключить его. Решение поставленной задачи возможно созданием системы автоматического управления параметрами технологического оборудования, учитывающей потребности современного машиностроения.

Целью работы является обоснование возможности автоматизации и управления обеспечением экологических показателей качества технологических процессов электрохимической обработки на примере электрохимического маркирования.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

традиционных для электрохимического маркирования управляемых параметров и установление взаимосвязи экологических показателей с параметрами технологических процессов электрохимического маркирования посредством управления параметрами технологического процесса.

2. Разработка алгоритма управления процессом электрохимического маркирования в соответствии с сопоставлением критериев экологических показателей и традиционных для электрохимического маркирования управляемых параметров.

3. Предварительное экологически ориентированное проектирование системы автоматического управления процессом электрохимического маркирования.

Методы исследования. При исследовании применялись основные положения теории автоматического управления, теоретической электрохимии, прикладной экологии, теории эксперимента. Обработка экспериментальных исследований осуществлялась с применением вычислительной техники.

Научная новизна работы заключается:

в установлении зависимостей характеристик выделения вредных веществ при электрохимическом маркировании от управляемых параметров технологического процесса;

в адаптации традиционной системы управления к задачам создания экологически ориентированного процесса электрохимического в разработке системы автоматического управления процессом Практическая ценность работы заключается в повышении технического уровня и интеллектуальной оснащенности оборудования, в частности его конкурентоспособности, на основе улучшения экологических показателей качества посредством автоматического управления этими показателями.

Кроме того, практическое значение имеет разработка методики построения автоматизированной системы управления экологическими показателями качества процесса электрохимического маркирования, а также установление количественных зависимостей экологических показателей от режимов работы при электрохимическом маркировании.

Реализация результатов работы.

Основные положения работы были использованы при выполнении научноисследовательской работы по теме «Информационно-аналитическое обеспечение человеко- и природозащитных технологий в технологической среде для обработки изделий» (НИР № 06-08/БЗ), а также в учебном процессе на кафедре «Инженерная экология и безопасность жизнедеятельности» Московского государственного технологического университета «СТАНКИН» при чтении курсов «Автоматизация обеспечения экологических показателей качества в машиностроении», «Автоматические системы обеспечения безопасности технологических процессов», «Инженерно-экологическое обеспечение технологических процессов».

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

1. Международных конференциях «Производство. Технология.

Экология. ПРОТЭК» в сентябре 2005 г., сентябре 2006 г.

2. Заседаниях кафедры «Инженерная экология и безопасность жизнедеятельности» 17 мая 2005 г. (протокол № 5 от 17.05.2005 г.), 28 июня 2007 г. (протокол № 6 от 28.06.2007 г.) Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, изложена на 88 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 10 таблиц, список литературы включает в себя 67 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы и обосновывается ее актуальность.

В первой главе рассмотрены сущность, назначение электрохимических методов обработки материалов, их место и значение в промышленности, виды электрохимической обработки и ее особенности. Рассмотрены методы реализации процессов электрохимического маркирования, применяемые при этом электролиты, оборудование и технологии. Проанализирован комплекс факторов, воздействующих на окружающую среду и человека при реализации процессов электрохимического маркирования. Также рассмотрены существующие методы и средства обеспечения экологической безопасности и безопасности человека при электрохимической обработке.

автоматизации и управления технологическими процессами и обеспечением качества продукции, в первую очередь, О.В. Веселова, В.П. Вороненко, Н.А. Ивановой, М.Г. Косова, В.Г. Митрофанова, О.П. Михайлова, Ю.М.

Соломенцева, И.В. Хризоменова, Л.М. Червякова, Л.Э. Шварцбурга и др.;

ученых и специалистов в области электрохимических методов обработки, в первую очередь, В.П. Смоленцева, Г. П. Смоленцева, Л.Я. Попилова и др., направленные на повышение уровня технологического оборудования и качества технологических процессов при электрохимической обработке.

Анализ этих работ показал, что оборудование для электрохимической обработки представляет собой источник негативного влияния на качество окружающей среды и безопасность человека, а также позволил выявить характерные загрязнения окружающей среды и опасности для человека, возникающие в результате электрохимических реакций, характерных для электрохимического маркирования и причины их возникновения.

Кроме того, были выделены параметры технологических процессов электрохимического маркирования, по которым возможно осуществление автоматического управления экологическими показателями качества.

исследований, поставлена цель и сформулированы задачи работы, а также обоснована их новизна и практическая значимость.

маркировании, создана экспериментальная установка, реализующая эту методику, представлены результаты экспериментальных исследований выделения вредных веществ в зависимости от характеристик технологического процесса электрохимического маркирования.

факторы, влияющие на концентрацию вредных веществ, выделяемых в воздух проводились с использованием рекомендуемого электролита Na2SO4, использующимся в промышленности для маркирования деталей. В ходе процесса электрохимического маркирования был выявлен ряд загрязнителей воздуха рабочей зоны, в частности, диоксид азота NO2, диоксид серы SO2, оксид углерода СО. Было установлено, что доминирующим веществомзагрязнителем является оксид углерода — вещество IV класса опасности (ПДКр.з.=20 мг/м3), - который при повышенных концентрациях представляет собой смертельно опасный яд.

В ходе экспериментальных исследований были также установлены параметры технологического процесса, наиболее значимо влияющие на интенсивность выделения вредных веществ воздух рабочей зоны. К этим параметрам относятся:

• усилие подачи электрода-инструмента;

• ток, протекающий через электрод-инструмент;

• концентрация электролита.

Их влияние обусловлено следующими соображениями. С одной стороны, с увеличением усилия подачи увеличивается площадь контакта пары электроддеталь, что снижает плотность тока, с другой стороны, уменьшается переходное сопротивление этой пары, что при равном токе уменьшает падение напряжения на паре электрод-деталь. Влияние этих факторов разнополярно, поэтому направление их результирующей представляет практический интерес.

Проводились исследования функциональных зависимостей концентрации СО от значения усилия подачи, равного 10, 20, 30, 40 и 50 Н для каждой из серии опытов.

Влияние тока, протекающего через электрод-инструмент, основывается на представлениях, вытекающих из общих законов электрофизики — с увеличением тока растет выделение продуктов электролиза. Исследовались функциональные зависимости концентрации угарного газа при различных значениях тока, протекающего через электрод-инструмент. Значения тока составляли 4, 8, 10, 13 и 15 А для каждой из серии опытов.

Априори можно предположить, что концентрация оксида углерода возрастает с ростом концентрации электролита. Эта посылка предопределила выбор третьего параметра.

электрохимического маркирования, использовался газоанализатор КАСКАД-Н 511.2, имеющий относительную погрешность 20 %.

Для выявления переходной характеристики газоанализатора были исследованы зависимости показаний прибора от времени при фиксированных усилиях подачи электрода-инструмента; тока, протекающего через электродинструмент и концентрации электролита.

Временные зависимости установления показаний газоанализатора приведены на рис. 1 (для усилия подачи 30 Н).

Рис. 1. Временные зависимости установления показаний газоанализатора для токов, протекающих через электрод-инструмент 8, 10 и 15 А На рис. 1а представлены временные зависимости, полученные при токе, протекающем через электрод-инструмент, равном 8 А, на рис. 1б – 10 А, на рис.

1в – 15 А.

Исследования зависимостей концентрации С оксида углерода от параметров управления были проведены на специально разработанной электрохимического маркирования. Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.

Установка включает в себя:

• станок для электрохимического маркирования ЭХМ-3, включающий в себя источник питания с изменяемым током через электрод-инструмент, электрод-инструмент (катод), узел подачи электрода-инструмента;

рабочий стол (анод);

• медную ванну, наполненную электролитом;

• измеритель тока, протекающего через электрод-инструмент;

• динамометр для измерения усилия подачи электрода-инструмента;

• газоанализатор.

экспериментальных исследований зависимости концентрации СО в воздухе рабочей зоны от усилия подачи электрода-инструмента для тока 10 А.

Рис. 3. Зависимость концентрации СО от усилия подачи электрода-инструмента На рис. 4 приведена зависимость концентрации оксида углерода от тока, протекающего через электрод-инструмент (для усилия подачи 30Н).

электролита (для усилия подачи 30Н) приведены на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость концентрации СО от концентрации электролита В третьей главе представлен анализ результатов экспериментальных исследований и показана целесообразность и возможность минимизации выделения оксида углерода в воздух рабочей зоны при электрохимическом маркировании посредством автоматического управления током электродаинструмента.

Эмпирические зависимости концентрации оксида углерода от тока, протекающего через электрод-инструмент; усилия подачи и концентрации ограниченных выборок данных эксперимента. Обработка производилась исходя из посылки о нормальности распределения случайной погрешности измерений погрешностей от влияния различных факторов, все они независимы и среди них нет доминирующих). По пробной выборке большого объема был определен погрешности измерений (8%).

проведенный в работе, показал, что она не превышала 21,5 %, что является приемлемым с учетом того, что погрешность измерительного прибора (газоанализатора) составляет 20 %.

В работе проведен регрессионный анализ эмпирических зависимостей по методу наименьших квадратов. На основе линейного регрессионного анализа эмпирических зависимостей выделения оксида углерода от усилия подачи; от тока, протекающего через электрод-инструмент и от концентрации электролита были получены следующие аналитические зависимости:

• от усилия подачи: С=0,26·F+14,6; где F – усилие подачи (ток, протекающий через электрод-инструмент - 10А, концентрация • от тока, протекающего через электрод-инструмент: С=2,6462·I – 3,2182; где I – ток, протекающий через электрод-инструмент (усилие подачи - 30Н, концентрация электролита – 2,0%);

• от концентрации электролита: С =13·K – 4,3333; где K – концентрация электролита (ток, протекающий через электродинструмент - 10А, усилие подачи - 30Н).

Здесь С – концентрация оксида углерода.

На рис. 6 представлена графическая интерпретация аналитических зависимостей, полученных в результате линеаризации экспериментальных кривых.

Рис. 6. Графическая интерпретация аналитических зависимостей На рис. 6а показана зависимость концентрации оксида углерода в воздухе рабочей зоны от усилия подачи электрода-инструмента; на рис. 6б – от тока, протекающего через электрод-инструмент; на рис. 6в – от концентрации электролита.

Анализ экспериментальных кривых показал, что в качестве управляемого параметра следует использовать ток, протекающий через электрод-инструмент, автоматического управления и ее технологичность.

автоматического управления концентрацией оксида углерода в воздухе рабочей зоны при электрохимическом маркировании на основе управления током, протекающим через электрод-инструмент.

управления и алгоритмы формирования управляющего сигнала.

электрохимического маркирования получают посредством выпрямителей той или иной схемной реализации. Для автоматической системы управления электрохимическом маркировании целесообразно использовать управляемый выпрямитель, построенный на основе тиристоров, как наиболее эффективный по комплексу технико-экономических показателей.

трансформатор, выпрямитель на тиристорах, устройство управления.

Регулирование тока осуществляется изменением времени открытого состояния тиристоров.

Как показали стендовые испытания и теоретические исследования, результаты которых представлены выше, в качестве параметра управления концентрацией оксида углерода целесообразно принять ток, протекающий через электрод-инструмент. Система автоматического управления током электрода-инструмента представляет собой управляемый выпрямитель, дополненный контуром обратной связи по концентрации оксида углерода в рабочей зоне.

В качестве датчика обратной связи для этого контура целесообразно использовать электрохимический датчик, основанный на явлении протекания представляющей собой емкость с раствором электролита с электродами (анодом и катодом). Анализируемый газ вступает в химическую реакцию с электролитом, заполняющим ячейку. В результате в растворе возникают заряженные ионы, между электродами начинает протекать электрический ток, пропорциональный концентрации анализируемого компонента в пробе.

Возникающий электрический сигнал обрабатывается электронной схемой датчика. Для согласования сигнала датчика с входом блока управления выпрямителя необходимо использовать интерфейсную плату, формирующую нормализованный сигнал для управления тиристорами.

Схема построения системы автоматического управления минимизацией выделения вредных веществ в рабочей зоне при электрохимическом маркировании приведена на рис. 7.

Рис. 7. Схема системы автоматического управления минимизацией В соответствии с заданием технолога блок управления тиристорами вырабатывает управляющий сигнал на тиристорный выпрямитель, формирующий требуемое значение тока, протекающего через электродинструмент.

Для обеспечения автоматического управления концентрацией вредных веществ в рабочей зоне устанавливается электрохимический датчик.

Дополнительный информационный контур формирует для блока управления тиристорами корректирующий задание технолога сигнал, который меняет величину тока, протекающего через электрод-инструмент. Кроме упомянутой выше интерфейсной платы, дополнительный контур включает в себя компаратор, который сравнивает заданное (допустимое) значение концентрации с его действительным значением. При превышении допустимого значения выходной сигнал компаратора формирует корректирующий сигнал, который меняет ток, протекающий через электрод-инструмент.

Алгоритм коррекции сформирован по результатам исследований, приведенных в предыдущих разделах работы.

Несмотря на относительную простоту реализации следует учитывать следующие соображения.

Во-первых, систему управления целесообразно строить таким образом, чтобы корректирующий сигнал формировался не непрерывно в процессе обработки, а только при превышении реальной концентрации вредных веществ в рабочей зоне заданного значения. Это позволяет существенно упростить блок управления тиристорами.

корректирующего сигнала дополнительного контура изменяет величину тока, протекающего через электрод-инструмент, а значит и меняет один из важных параметров технологического процесса. Это может вызвать изменение качества электрохимического маркирования. Поэтому наладка дополнительного контура должна осуществляться с участием инженера-технолога, т.к. при этом может возникнуть необходимость решения оптимизационной задачи.

В-третьих, большая постоянная времени, характерная для датчика, без принятия специальных мер может снизить достоверность формирования корректирующего сигнала в контуре управления.

В современном машиностроении в подавляющем большинстве случаев применяют цифровые системы управления, характерной особенностью которых является наличие в системе АЦП, осуществляющего квантование по времени непрерывного сигнала, которым в данном случае является концентрация вредных веществ в воздухе рабочей зоны. При этом может возникнуть существенная погрешность формирования информационного сигнала.

Представим непрерывную величину (С) в виде ряда:

где: T – величина интервала квантования по времени;

С0 – значение концентрации в начале интервала квантования.

Применение АЦП обеспечивает замену этого непрерывного сигнала на дискретные значения измеряемой величины, которая экстраполируется на весь временной интервал Т посредством экстраполятора нулевого порядка (рис. 8).

Рис. 8. Представление непрерывной функции концентрации вредных веществ В последнем выражении это соответствует только первому члену ряда C0, а отброшенные члены ряда в значительной мере определяют погрешность управления, которая может достигать больших величин.

В качестве эффективного метода устранения этого недостатка при информации о концентрации С0 в начале временного интервала квантования дополняется текущим значением скорости изменения этой концентрации C (t ) вышеприведенного ряда Re :

В работе показан алгоритм формирования управляющего сигнала при одноуровневом комплексировании и структурная схема цепи обратной связи для этого случая.

В этом случае имеем:

где Ti – i-й временной интервал; p – оператор Лапласа;

Этому уравнения соответствует структурная схема формирования информационного сигнала, представленная на рис. 9.

Рис. 9. Структурная схема формирования информационного сигнала На рис. 9 верхняя ветвь структурной схемы соответствует традиционному дискретному представлению непрерывного сигнала, а нижняя – первому уровню комплексирования.

Следует также иметь в виду, что для реализации этого алгоритма не всегда требуется дополнительный датчик скорости изменения сигнала C cpi, т.к.

дифференцирование по начальному и конечному значению концентрации вредных веществ в предыдущем временном интервале Ti-1.

Основные выводы и результаты:

обеспечением экологических показателей качества на примере электрохимического маркирования.

2. Показана возможность построения системы автоматического управления посредством изменения тока, протекающего через концентрации вредных веществ в рабочей зоне от усилия подачи;

тока, протекающего через электрод-инструмент и концентрации 4. Доказано, что с точки зрения чувствительности системы управления и ее технологичности наиболее целесообразно автоматическое управление концентрацией вредных веществ осуществлять посредством управления током, протекающим управляемого тиристорного выпрямителя и дополнительного информационного контура, формирующего корректирующий сигнал для блока управления в зависимости от реального 6. Настройка дополнительного контура должна осуществляться совместно с инженером-технологом, что позволит избежать снижения качества электрохимического маркирования при превышении концентрации вредных веществ в рабочей зоне.

Список печатных работ:

1. Сизова И.А. Способы снижения отходов при электрохимическом маркировании // «Производство. Технология. Экология. Сборник научных трудов № 8 в 3-х тт.» Том 3: Труды международной конференции «ПРОТЭК’05», 14-16 сентября 2005 г.; г. Москва/ Под ред.

член-корр. РАН Ю.М. Соломенцева и проф Л.Э. Шварцбурга. – М.:

«Янус-К», 2005. – С. 617-622.

2. Сизова И.А. Исследование влияния концентрации электролита на выделение угарного газа при электрохимическом маркировании // «Ekowytwarzanie. Эковыработка. Сборник научных трудов: Труды международной конференции «Ekowytwarzanie. Эковыработка», июнь 2007 г.; Гожув Влкп., Польша/ Под ред. д-ра Тадеуша Заборовски. – Wydawca: IBEN Gorzow Wlkp. 2007 r. Naklad: 250 egz., format B5, objetosc: 6,5 ark Druk I oprava: POLIGMAR Zielona Gora, 2007. - С. 11-15.

3. Сизова И.А. Методика исследования изменения концентрации угарного газа от рабочего напряжения установки для электрохимического маркирования // «Ekowytwarzanie. Эковыработка. Сборник научных трудов: Труды международной конференции «Ekowytwarzanie.

Эковыработка», июнь 2007 г.; Гожув Влкп., Польша/ Под ред. д-ра Тадеуша Заборовски. – Wydawca: IBEN Gorzow Wlkp. 2007 r. Naklad: egz., format B5, objetosc: 6,5 ark Druk I oprava: POLIGMAR Zielona Gora, 2007. С.16-22.

4. Сизова И.А. Экологический подход к задаче автоматизации электрохимического метода обработки. // Научно-технический и производственный журнал «Автоматизация в промышленности», № 8, М.: ООО Издательский дом “ИнфоАвтоматизация” 2007. – С. 51-52.

5. Сизова И.А. Исследование взаимосвязи концентрации угарного газа от тока при электрохимическом маркировании // «ПРОИЗВОДСТВО.

ТЕХНОЛОГИЯ. ЭКОЛОГИЯ. Сборник научных трудов № 10 в 3-х тт.

Том 1: Труды международной конференции «ПРОТЭК’07», 19- сентября 2007 г.; г. Москва/ Под ред. член-корр. РАН Ю.М. Соломенцева и проф Л.Э. Шварцбурга. – М.: «Янус-К», 2007. – С. 10-13.