Цифровая система автоматического управления процессом индукционной наплавки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Вологдин, Владислав Валентинович

• Вологдин, Владислав Валентинович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Вологдин, Владислав Валентинович

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ТЕРМИНЫ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ИСССЛЕДОВАНИЕ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ.

1Л Описание технологического процесса индукционной наплавки

1.2 Исследование процессов, протекающих при индукционной наплавке.

1.3 Выбор и обоснование параметров контроля и регулирования.

1.4 Требования, предъявляемые к показателям качества процесса

1.5 Анализ показателей качества.

1.6 Методика определения показателя качества.

1.7 Исследование характера влияния параметров процесса на показатель качества.

1.8 Выводы.

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА.

2 Л Составление аналитических зависимостей параметров процесса индукционного нагрева.

2.2 Методика поиска решения математической модели.

2.3 Проверка адекватности полученной модели.

2.4 Выводы.

3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕКОГО УПРАВЛЕНИЯ.

3.1 Разработка структуры системы управления. Постановка задачи оптимизации.

3.2 Разработка экспериментально-статистической модели процесса

3.3 Исследование возмущений при регулировании параметров процесса.

3.4 Синтез оптимального регулятора показателя качества процесса наплавки.

3.5 Разработка алгоритма работы цифровой системы автоматического управления.

3.6 Выводы.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ.

4.1 Описание технического обеспечения системы управления.

4.2 Результаты внедрения системы управления.

4.3 Анализ качественных показателей системы управления.

4.4 Выводы.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Цифровая система автоматического управления процессом индукционной наплавки»

В последние годы, в связи со стремительными темпами развития микроэлектроники и, как следствие, появлением новых быстродействующих средств автоматизации стало возможным создание автоматизированных и автоматических производств таких процессов, автоматизация которых ранее считалась, для одних процессов экономически нецелесообразной, а для других - нереализуемой, в той степени, в которой она обеспечивала бы требованиям конкретного производства. Сложность конструирования технологического оборудования с автоматической системой управления часто обусловлена затруднением в измерении технологических параметров и сложностью алгоритма управления, последнее является определяющей причиной для отказа от автоматизации быстродействующих процессов, когда временной интервал между управляющими воздействиями должен составлять миллисекунды и менее. К таким процессам относятся и некоторые процессы индукционного нагрева.

Также следует отметить, активное стремление производителей к внедрению автоматизации на всех стадиях производства. Всё чаще целью автоматизации является повышение качества производимой продукции, в то время как ранее это было повышение производительности. Автоматизация процессов индукционного нагрева также стала актуальной.

Актуальность проблемы: в диссертационной работе поставлена актуальная научная задача, состоящая в разработке цифровой системы автоматического управления процессом индукционной наплавки. Учитывая широкий спектр технологий индукционного нагрева (приложение А), и специфические отраслевые особенности применения этих технологий в промышленности, молено выделить наиболее развитые области (с точки зрения применения автоматизации) и те области, в которых автоматизация до сих пор не применяется. Развитыми можно назвать такие массовые и ответственные производства как: производство тканей, индукционная сварка труб, литейное производство, производство кварцевого стекла, выращивание монокристаллов и поликристаллических алмазов, к развитым, но менее ответственным можно отнести процессы индукционной пайки и закалки.

Следует отметить, что внедрение автоматизации в производства, где индукционный нагрев играет одну из главных ролей, получило наиболее быстрое развитие не в металлургии (хотя именно к металлургии относится большая часть технологий индукционного нагрева), а в легкой промышленности, в производствах производящих продукцию общего потребления, что также подчеркивает важность обеспечения высоких показателей качества.

Относительно молодой технологией является технология индукционной наплавки. Как технологический процесс это сложная система взаимозависимых параметров, для которых аналитическое описание зависимостей на данный момент не определено. В тоже время эта технология широко применяется для восстановления и упрочнения поверхностей деталей, подверженных ударам и сильному трению и, как следствие, быстрому износу. Применяется индукционная наплавка в одной из важнейших отраслей российской промышленности - на железной дороге. Железнодорожный транспорт является основным средством грузоперевозок на территории России, и объем производимого ремонта подвижного состава составляет более миллиарда рублей в год. Применение индукционной наплавки позволяет не только упрочнять новые детали, но и восстанавливать уже изношенные. Причем у восстановленных деталей, благодаря такой обработке, износостойкость увеличивается настолько, что детали служат в 2-10 раз дольше новых, необработанных. Переводя на абсолютные показатели, это соответствует 80-400 тыс.км пробега. Такой разброс параметров вызван отсутствием обеспечения стабильности качества обработанной поверхности, среднестатистический срок службы наплавленной детали, работающей в агрегатах подвижного состава, составляет 120 тыс.км. Следует предположить, что, обеспечив стабильный, даже не очень высокий показатель качества, можно увеличить межремонтный пробег до 300 тыс.км.

Цель работы: разработка оптимальной системы автоматического управления процессом индукционной наплавки по показателю качества. Регулируемым параметром такой системы, непременно, должен быть один или несколько показателей качества.

Задача автоматизации индукционной наплавки является актуальной не только на железной дороге, но и в других отраслях промышленности, таких как сельское хозяйство и другие. Необходимо разработать систему автоматического управления и контроля процесса индукционной наплавки, ориентированную на стабилизацию показателя качества этого процесса. Обеспечение показателя качества является главной целью этой системы, применение такого способа управления может найти применение не только для процесса индукционной наплавки, но и для других процессов индукционного нагрева.

Методы исследования: исследования качества процесса наплавки проводятся с использованием статистической обработки данных и математического моделирования, основанного на теории индукционного нагрева и теории теплофизики. Решение сложных аналитических зависимостей построено на численных методах решения.

Научная новизна проведенных исследований состоит в следующем: - разработана математическая модель оптимальной системы управления процессом наплавки с использованием численного решения уравнений тепловых и электромагнитных полей;

- разработана автоматическая система управления процессом индукционной наплавки, защищенная патентами РФ;

- разработано алгоритмическое обеспечение для управления процессом индукционной наплавки, обеспечивающее оптимальные показатели качества наплавки.

Результаты работы внедряются на действующем производстве ООО «Белагромашсервис» г. Белгород. Использование цифровой системы оптимального управления направлено на увеличение срока службы наплавляемых деталей и улучшение качества производимой продукции.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- повышение качества индукционной наплавки изделий может быть достигнуто на базе автоматической установки, включающей высокочастотный генератор и цифровую систему управления с программируемым логическим контроллером, промышленным компьютером и специальным программным обеспечением;

- структура системы оптимального управления включает управление основными параметрами процесса наплавки: мощностью высокочастотного транзисторного генератора, зазором между индуктором и деталью и скоростью перемещения детали;

- оптимальное значение показателя качества может быть получено использованием предложенного алгоритма работы системы управления.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Вологдин, Владислав Валентинович

выводы

1. Формализованы требования к системе управления и определены критерии, позволяющие определять численное значение показателя качества процесса индукционной наплавки.

2. Разработана математическая модель процесса индукционной наплавки, полученная решением дифференциальных уравнений численным методом. Для управления процессом показаны преимущества экспериментально-статистической модели процесса индукционной наплавки перед аналитической моделью, учитывающей тепловые и электрические взаимодействия между индуктором и наплавляемой деталью.

3. Разработана система автоматического управления процессом индукционной наплавки, на которую получены патенты РФ №73336 и №73632 на автоматическую установку для индукционной наплавки.

4. Решена задача регулирования параметров процесса по показателю качества на установках индукционного нагрева, позволяющая получить заданное качество наплавленной поверхности.

5. Впервые для управления процессом индукционной наплавки использована цифровая система управления в составе программируемого логического контроллера, ПЭВМ и специального программного обеспечения, позволившая рассчитать показатель качества и реализовать и оптимизировать процесс наплавки.

6. Разработан алгоритм оптимального управления процессом индукционной наплавки по показателю качества. Экспериментальные исследования показали хорошую стабильность и высокое качество результатов работы установки в автоматическом режиме. Использование данного алгоритма позволяет улучшить качество процесса индукционной наплавки в среднем на 30-40%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Вологдин, Владислав Валентинович, 2009 год

1. Вологдин В.П. Поверхностная индукционная закалка. М.: Оборонгиз, 1947. -281с.

2. Вологдин Вл.В. Пайка и наплавка при индукционном нагреве. М.-Л.: Машиностроение, 1965. -89с.

3. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. Л.: Энергия, 1974. -264с.

4. Донской А.В., Рамм Г.С., Вигдорович Ю.Б. Высокочастотные электротермические установки с ламповыми генераторами. Л.: Энергия, 1074. -208с.

5. Установки индукционного нагрева. Под редакцией Слухоцкого А.Е. Л.:Энергоиздат, 1981. -325с.

6. Ткачев В.Н. Износ и повышение долговечности деталей сельскохозяйственных машин. М.: Машиностроение 1971. -264с.

7. Ткачев В.Н., Фиштейн Б. М., Казинцев Н.В., Алдырев Д.А. Индукционная наплавка твердых сплавов. М.: Машиностроение 1970. -183с.

8. Вепринцев В.И. Состояние производства и применение твердых износостойких наплавочных материалов в СССР и за рубежом. В сб. "Износостойкие наплавочные материалы и методы их наплавки". ВыпЛ.М., МДНТП, 1966. -156с.

9. Клочко Н.А. Основы технологии пайки и термообработки твердосплавного инструмента. М.: Металлургия, 1981. -200с.

10. Вологдин В.П., Фогель А.А. Способ наплавки изделий металлом. А.С. №64083, 1941.

11. Вологдин Вл.В. (Ст.) и др. Способ повышения износостойкости гильзы цилиндров двигателя внутреннего сгорания. А.С. №146133, 1962.

12. Боль А.А., Иванайский В.В., Лесков С.П., Тимошенко В.П. Индукционная наплавка, технология, материалы, оборудование. Подобщей редакцией А.А. Боля. Алтайское краевое научно-техническое общество машиностроителей. Барнаул, 1991. -147с.

13. Зайченко Ю.А., Тер-Аракельянц В. А., Дворников В.Н., Щериканов Г.К. Способ односторонней неприрывно-последовательной индукционной наплавки. А.С. №1417323, 1988.

14. Зайченко Ю.А., Косаревский В.В. Транспорт трение технологии. РБ, ЮСТМАЖ, 2005. -207с.

15. Инструкция по восстановлению и упрочнению индукционно-металлургическим способом деталей узлов трения подвижного состава. ЦТ-ЦВ-ЦЛ-590."Транспорт" МПС РФ, 1998. -78с.

16. Вологдин В.В., Вологдин Вл.В. Универсальная автоматизированная установка для индукционного нагрева. Патент РФ №73336, 2008.

17. Вологдин Вл.В., Харазов В.Г. Установка для автоматизированной индукционной наплавки. Патент РФ №73632, 2008.

18. Вологдин В.В., Вологдин Вл.В. Опыт применения магнито-диэлектриков для индукторов. "Индукционный нагрев", №1,2007. -60с.

19. Dr. Valentin Nemkov, Calculation of induction systems in Elta 3.0 program, 2005. -62c.

20. Вологдин Вл.В., Харазов В.Г. Автоматизация процесса индукционного нагрева. Математические методы в технике и технологиях. Сборник трудов. Т.7. Ярославль, 2007. -341с.

21. Вологдин В.В., Вологдин Вл.В., Асамов В.В. Автоматические установки для индукционной пайки твердосплавного инструмента. Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева. Материалы международной конференции, Санкт-Петербург, 2005. -391с.

22. Вологдин В.В., Вологдин Вл.В. Индукционная наплавка. "Индукционный нагрев", №6, Декабрь 2008. -55с.

23. Вологдин В.В., Вологдин Вл.В. Установки индукционного нагрева с транзисторными генераторами. "Силовая интеллектуальная электроника", №2, 2005. -36с.

24. Павлов Н.А. Инженерные тепловые расчеты индукционных нагревателей. М. "Энергия", 1978. -118с.

25. Донской А.В., Звягин И.Е. Высокочастотные электротермические установки. М. "Энергия", 1967. -112с.

26. Бондаренко Д.Н., Дзлиев С.В., Чмиленко Ф.В. Автоматизация управления транзисторными генераторами для индукционного нагрева. Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева. Материалы международной конференции, Санкт-Петербург, 2005. -391с.

27. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М., "Высшая школа", 1967.-600с.

28. Гитгарц Д.А. Исследование динамических свойств и автоматизация индукционных электротермических установок. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. JL, 1975. -34с.

29. Зенков А.Е. Разработка методов расчета и исследование плоских индукционных нагревателей. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербург, 2001.-16с.

30. Шатунов А. Н. Моделирование и исследование индукционных систем с разрезным проводящим тиглем при плавке оксидных материалов.

31. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербург, 2008. 20с.

32. Бабат Г. И. Индукционный нагрев металлов и его промышленное применение: Изд-ние 2-е, перераб. и дополн. М-Л.: Энергия, 1965. - 552с.

33. Лозинский М. Г. Промышленное применение индукционного нагрева. -М.: Академия наук СССР, 1958. -672с.

34. Родигин Н. М. Индукционный нагрев стальных изделий. -Свердловск: Металлургиздат, 1950. -246с.

35. Современные энергосберегающие электротехнологии: Учеб. пособие для вузов/ Ю. И. Блинов, А. С. Васильев, А. Н. Никаноров и др. -СПб: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2000. 564с. '

36. Электротермическое оборудование: Справочник / Сост. А. П. Альтгау-зен, Н. М. Некрасова, М. Б. Гутман; Под общ. ред. А. П. Альтгаузена. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1980. - 416 с.

37. Установки индукционного нагрева. / Под редакцией . А. Е.Слухоцкого. Л.: Энергоиздат, 1981. -325с.

38. High efficiency induction heating as a production tool for heat treatment of continuous strip metal. // Sheet Metal Industries. 1982. - Vol. 59, N12.-P. 889-892.

39. Никаноров A. H. Моделирование, исследование и разработка индукцион-ных систем для нагрева ленты в поперечном магнитном поле. Дис. канд. техн. наук, Ленинград, 1989. -125с.

40. Barglik J. Electromagnetic and Temperature Fields in Induction Heaters for Thin Strips. // Proc. of the International Induction Heating Seminar, Padua, May 13-15, 1998. Padua, 1998. - P. 95-102.

41. V. Bukanin, F. Dughiero, S. Lupi, A. Zenkov. Edge Effects in Planar Induction Heating Systems. Proceeding of the International Seminar on Heating by Internal Sources. Padua, September 12-14,2001. P. 533-538.

42. Виштак П. А, Кондратенко И. П., Ращепкин А. П., Крутилин В. А., Джоулево тепловыделение в процессе индукционного нагрева плоских ферромагнитных тел в бегущем магнитном поле. // Техническая электродинамика. 1986. - № 2. - С. 21-28.

43. Firetianu V., Gheysens R. Numerical modelling of the travelling field diffusion. Induction heating and electromagnetic stirring.//IEEE Transactions on Magnetics, Vol.28, № 2, March 1992. P. 1489-1492.

44. Немков В. С., Демидович В. Б. Теория и расчёт устройств индукцион-ного нагрева. JL: Энергоатомиздат, 1988. - 280 с.

45. Немков С. С. Электрический расчёт многосекционного плоского индуктора с магнитопроводом. // Промышленное применение токов высокой частоты. Труды ВНИИТВЧ- JL: Машиностроение.— Вып. 15. — 288с.

46. Кувалдин А. Б. Индукционный нагрев ферромагнитной стали -М.: Энергоатомиздат, 1988. -199с.

47. Павлов Н. А. Тепловые расчёты индукционных нагревателей для заготовок прямоугольного сечения. //Промышленное применение токов высокой частоты. Труды ВНИИ ТВЧ. Л.: Машиностроение, 1975. -Вып. 15. - С. 13-26.

48. Павлов Н. А. Тепловые расчёты при индукционном нагреве листового проката. // Промышленное применение токов высокой частоты. Труды ВНИИ ТВЧ. M-JL: Машиностроение, 1965.-Вып. 6. -С. 25-42.

49. Демидович В. Б., Немков В. С., Никаноров А. Н., Стефанов Б. В. Методика расчёта энергетических параметров индукционных нагревателей металлической ленты с поперечным магнитным полем. // Технология лёгких сплавов. М., ВИЛС. - 1989. - Вып. 2. - С. 79-83.

50. Немков В. С. и др. Математическое моделирование устройств ; высокочастотного нагрева / В. С. Немков, Б. С. Полеводов, С. Г. Гуревич;

51. Под ред. А. Н. Шамова. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Политехника, 1991. -79с.

52. Немков В. С., Полеводов Б. С., Гуревич С. Г. Математическое моделирование устройств высокочастотного нагрева. JL: Машиностроение, 1993. -76с.

53. Немков С. С., Смольников JI. П. Расчёт электрических параметров индукторов без магнитопроводов для нагрева плоских тел // Исследование специ-альных вопросов электротермии: / Сб. статей ЧТУ. Чебоксары. -1982. - С. 42-46.

54. Alexandrova Т. D., Alonso A. A., Gurevich S. G., Iokhina I. I. Numerical Simulation of the' Induction Heating Systems. // Proc. of the International Induction Heating Seminar, Padua, May 13-15, 1998. Padua, 1998.-P. 167-173.

55. Новгородцев А. Б. Теория электромагнитного поля: Учеб. пособие. С.П6.: Изд-во СПбГТУ, 1995. - 222с.

56. Лыков А. В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.-680с.

57. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. -541с.

58. Mitsubishi FX2N PLC user's manual. 2008. -422c.

59. Павлов H. А., Лысенко Ю. Л. Исследование режимов работы индукционных систем для локального нагрева. // Изв. ЛЭТИ: Сб. науч. тр. Ленингр. электротехн. ин-та им. В. И. Ульянова (Ленина). Л., 1988. -Вып.401. — С. 104-115.

60. Нейман JI. Р. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах. -M.-JL: Госэнергоиздат, 1949. 190с.

61. Зимин Н. В. Кинетика охлаждения поверхностно нагретых стальных изделий. // Применение токов высокой частоты в электротермии. / Под ред. А. Е. Слухоцкого. Л., Машиностроение, 1973. С. 60-65.

62. Рыскин С. Е. и др. Оборудование для индукционной термообработки. М.-Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1966. — 158с.

63. Пейсахович В. А. К вопросу о равномерном нагреве движущейся металлической ленты в поперечном магнитном поле. // Промышленное применение токов высокой частоты в электротермии. -М-Л.: Машгиз,- 1961. Книга 53. - С. 40-52.

64. Пейсахович В. А., Парадня П. А. Методика расчёта линейного индуктора. // Электротехническая промышленность. Сер. Электротермия, 1978. Вып. 3.— 187с.

65. Пейсахович В. А. Энергетические соотношения при нагреве металлической ленты в поперечном магнитном поле. // Промышленное применение токов высокой частоты. Труды ВНИИ ТВЧ. Л.: Машиностроение, 1966. - Вып. 7. - 375с.

66. Саутин С.Н. Планирование эксперимента в химии и химической технологии. -Л.: Химия 1975. -48с.

67. Зимин Л. С. Особенности нагрева тел прямоугольной формы. // При-менение токов высокой частоты в электротермии. / Под ред. А. Е. Слухоцкого. Л.: Машиностроение, 1973. -280с.

68. ГОСТ Р 50397 92. Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения. Введ. 01.07.93. М.: Изд-во стандартов, 1993. -17с.

69. Применение промышленных контроллеров для автоматизации процессов индукционного нагрева / Вл.В. Вологдин, В.Г. Харазов // Автоматизация в промышленности, №5, 2009, -С.22-24.