Система оптимального управления гальваническим процессом реверсирования тока в многоанодной ванне

УДК 681.5

СИСТЕМА ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ РЕВЕРСИРОВАНИЯ ТОКА В МНОГОАНОДНОЙ ВАННЕ

© В.В. Конкина1, Д.С. Соловьев2, Ю.В. Литовка3

Тамбовский государственный технический университет, 392000, Россия, г. Тамбов, ул. Советская, 106.

Представлена модификация режима реверсирования тока для многоанодной ванны с целью снижения неравномерности гальванического покрытия обрабатываемого изделия. Рассмотрена структурная схема системы управления процессом. Разработан алгоритм функционирования управляющего устройства и предложена возможная аппаратная реализация исполнительного механизма. Данные усовершенствования обеспечивают качественное покрытие в гальванической ванне различных типов деталей, отличающихся друг от друга формой и размерами, и в то же время не приводят к существенному удорожанию процесса нанесения электрохимического покрытия. Ключевые слова: многоанодная ванна; режим реверсирования тока; гальванические процессы; система управления; структурная схема; управляющее устройство; исполнительный механизм.

ELECTROPLATING OPTIMAL CONTROL SYSTEM OF CURRENT REVERSAL IN MULTIANODE BATHS

V.V. Konkina, D.S. Soloviev, Y.V. Litovka

Tambov State Technical University,

106 Sovetskaya St., Tambov, 392000, Russia.

The article introduces a current reversal mode modification for a multianode bath designed in order to reduce uneven plated coating of a workpiece. The structural diagram of the process control system is considered. The algorithm of control device operation is developed and possible hardware implementation of the actuator mechanism is proposed. These improvements ensure quality electroplating of different types of parts differing in size and shape without substantial increase in the cost of electrochemical plating.

Keywords: multianode bath; current reversal mode; galvanic processes; control system; structural diagram; control device; actuator.

Технологические процессы гальванического производства являются одними из наиболее энерго- и ресурсоемких в металлообрабатывающих отраслях промышленности. Основным звеном в технологической цепочке является гальваническая ванна, работа которой и определяет результаты функционирования всей линии. Разнообразие применяемого оборудования и режимов функционирования гальванической ванны оказывают решающее влияние на качество обрабатываемой поверхности изделия с точки зрения неравномерности распределения толщины гальванического покрытия. При этом возможности серийного оборудования и существующих режимов электролиза практически исчерпаны для решения данной задачи. В свою очередь, неравномерность гальванического покрытия приводит к отбраковке изделия или требует дополнительной механической обработки. Выходом из сложившейся ситуации является разработка новых режимов функционирования гальванической ванны и оборудования для их реализации.

Для снижения неравномерности гальванического покрытия используются различные способы [1]: применение нетрадиционных режимов работы источников питания (реверсивного, импульсного и ассиметричного переменного тока), поддержание заданных регламентом тех-

1

Конкина Виктория Викторовна, аспирант, тел.: 89050852121, e-mail: konkina-tstu@yandex.ru Konkina Viktoria, Postgraduate, tel.: 89050852121, e-mail: konkina-tstu@yandex.ru

2Соловьев Денис Сергеевич, кандидат технических наук, ассистент кафедры информационных систем и защиты информации, тел.: 89537204867, e-mail: solovjevdenis@mail.ru

Soloviev Denis, Candidate of technical sciences, Assistant Professor of the Department of Information Systems and Information Protection, tel.: 89537204867, e-mail: solovjevdenis@mail.ru

3Литовка Юрий Владимирович, доктор технических наук, профессор кафедры систем автоматизированной поддержки принятия решений, тел.: 89051216115, e-mail: polichem@list.ru

Litovka Yuri, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Automated Decision Support Systems, tel.: 89051216115, e-mail: polichem@list.ru

нологических параметров (температуры, концентрации), использование фигурного анода, то-конепроводящего перфорированного экрана, биполярных электродов, а также ванн со многими анодами.

Существует ряд работ, описывающих комбинацию данных подходов для воздействия на распределение толщины гальванического покрытия, среди которых имеются следующие гальванические процессы:

1) с независимыми источниками питания, напряжения от которых различные [2];

2) с перемещающимися в пространстве ванны анодами [3];

3) с циклически переключающимися анодными секциями [4].

Однако существенными недостатками данных подходов являются:

- высокая стоимость дополнительного оборудования (наличие, по меньшей мере, двух источников питания);

- сложность аппаратной реализации системы управления перемещением анодов в пространстве гальванической ванны и непригодность для серийного производства;

- снижение производительности гальванической ванны.

Исходя из выявленных недостатков существующих технических решений в данной предметной области, можно сделать вывод, что усовершенствование комбинационных подходов с использованием ванн со многими анодами должно заключаться в простоте технической реализации, снижении стоимости необходимого оборудования и повышении производительности гальванической ванны при нанесении более равномерных покрытий. Таким образом, авторами предлагается новый подход к снижению неравномерности распределения толщины гальванического покрытия на основе использования многоанодной гальванической ванны, функционирующей в режиме реверсирования тока.

Однако нанесение оптимального с точки зрения неравномерности распределения толщины гальванического покрытия на изделие невозможно без разработки системы управления предложенным процессом.

Целью данной работы является разработка системы оптимального управления гальваническим процессом реверсирования тока в многоанодной ванне.

Структурная схема системы управления

Сущность предлагаемого процесса заключается в разбиении классического монолитного анода на систему из MxN секций одинакового размера, расположенных в одной плоскости, на равном расстоянии друг от друга, стенок ванны и напротив изделия-катода. Данная система анодных секций подключается к программируемому источнику питания (например, «Пульсар» фирмы ООО «Навиком», «Flex Kraft» фирмы «Kraftelectronic AB») через устройство, которое позволяет отключать требуемые анодные секции для «прямого» и «обратного» режимов реверсирования тока. При этом за время протекания «обратного» тока скорость растворения металла покрытия на более близких к включенным анодным секциям поверхностях катода будет больше, чем к отключенным, что приведет к снижению неравномерности распределения гальванического покрытия.

Система управления (СУ) таким гальваническим процессом должна обеспечивать качественное покрытие в гальванической ванне различных типов деталей, отличающихся друг от друга конфигурацией, размерами и толщиной. Для этого рассмотрим предлагаемый технологический процесс с точки зрения объекта управления (ОУ).

На описываемый ОУ влияют внешние стохастические возмущения f: концентрация посторонних ионов в электролите, состояние поверхности покрываемого металла, вынос электролита в процессе промывки, квалификация оператора.

Входными воздействиями X, обеспечивающими желаемое проведение ОУ, являются: анодное напряжение, концентрация компонентов электролита, геометрия используемых электродов (S , St), уровень и температура электролита, качество предварительной обработки поверхности изделия.

Выходными управляемыми воздействиями У являются длительность технологического процесса (Т), а также катодная плотность при «прямом» (¡рг) и «обратном» (¡О) режиме реверсирования тока.

В качестве управляющих воздействий и выступают подключаемые к источнику питания т, п-е анодные секции, имеющие единичные значения в матрицах режимов работы анодных секций для «прямого» () и «обратного» () реверсирования тока с продолжительности включения трг и тоЬ соответственно.

Структурная схема СУ для данного технологического процесса представлена на рис. 1. Данная схема СУ реализует разомкнутый принцип управления. Использование разомкнутого принципа управления обуславливается невозможностью контроля плотности тока на всей поверхности покрываемого изделия. При этом наличие обратной связи, реализуемой посредством устройства для измерения плотности тока в электролитах, содержащего тороидальный индукционный датчик, подвешиваемый с защемлением на катодной штанге при помощи плоской пружины [5], позволяет судить только о средней плотности тока на поверхности изделия, что не подходит для изделия сложной геометрической формы и не учитывает наличие «краевого» эффекта.

Поисковый алгоритм (ПА) в, изображенный на рис. 1, решает следующую задачу оптимального управления.

Найти режимы работы системы анодных секций Б для «прямого» /рхЫ* (т) и «обратного» /ОЬдт* (т) гальванического процесса реверсирования тока с длительностями трг* и тоЬ*, доставляющие минимум критерию неравномерности распределения толщины наносимого покрытия по поверхности катода вк:

„V ч 1 Г5

Я

V / О I <?тт ( \ к <?тт ( \ ' у '

5

при этом должны выполняться следующие ограничения 2:

5тт

т = £

где 5^ - заданная толщина гальванического покрытия; 5тги - минимальная толщина гальванического покрытия; 5тах - максимальная толщина гальванического покрытия; Т - продолжительность гальванического процесса; Ттах - максимальная продолжительность гальванического процесса; х, у, г - координаты точки в пространстве гальванической ванны; т - момент времени; и - количество периодов включения «прямого» и «обратного» тока.

Матрица, описывающая режим работы системы анодных секций для «прямого» включения, имеет вид:

'/Р

№

для «обратного» включения:

Iob (т) =

1MxN

^ (т)... Ii (т)... 1% (т р

^Д

IMMbi

Рис. 1. Структурная схема СУ

где

Ipr (Т) =

m,n V /

Iob (т) =

m,n V /

10, если т, п-я секция в момент времени т е трг отключена от «плюса» источника питания; 1, если т, п-я секция в момент времени т е трг подключена к «плюсу» источника питания; | 0, если т, п-я секция в момент времени т е тоЬ отключена от «минуса» источника питания;

1 оЬ

1, если т, п-я секция в момент времени т е т подключена к «минусу» источника питания.

В работе [6] для рассматриваемого процесса предложена математическая модель (ММ) F, система уравнений которой содержит закон Фарадея, Ома в дифференциальной форме, а так же дифференциальное уравнение Лапласа в частных производных, описывающее распределение потенциала в пространстве многоанодной гальванической ванны. При этом конфигурация гальванической ванны задается геометрической моделью рецепторного типа.

Для поиска оптимальной конфигурации системы анодных секций для «прямого» и «обратного» режимов (элементов матрицы режима работы (4) и (5) соответственно) используется

метод полного перебора, при этом отыскание длительностей «прямого» и «обратного» включения осуществляется методом Хука и Дживса [7].

В результате взаимодействия ПА G и ММ F на входе управляющего устройства (УУ) формируется информация об оптимальном режиме нанесения гальванического покрытия u*. При этом СУ получает сведения о значении входных координат X, возмущающих воздействиях f и задающего воздействия Z, которые содержат требуемую толщину покрытия 5zad (2) и длительность технологического процесса Tmax (3). В свою очередь УУ реализует найденный оптимальный режим на ОУ при помощи исполнительного механизма (ИМ) путем задания необходимых команд K, формирующих параметры найденного вектора u*

Алгоритм функционирования управляющего устройства

Потребность в автоматизации гальванических производств обусловливается не только соображениями технологического и экономического порядка, но и необходимостью избавления персонала от работы во вредных условиях труда. В настоящее время для данной предметной области наблюдается переход от использования в качестве УУ программируемых логических контроллеров к промышленным персональным компьютерам (ППК), пригодных для применения в агрессивных условиях труда [8]. Для ППК предусмотрена установка разнообразных плат связи с датчиками и ИМ. При этом технические решения, ориентированные на экстремальные условия эксплуатации, приводят к увеличению стоимости ППК в два -три раза по сравнению с персональными компьютерами такого же класса. Однако для данной задачи автоматизации достаточно весьма ограниченных характеристик ППК, что делает данный выбор в качестве УУ адекватным.

Схема работы УУ представлена на рис. 2.

Опишем основные шаги. В результате нахождения ПА G оптимального управления u* длительности «прямого» тpr* и «обратного» тоЬ* режима реверсирования, а также значения

силы тока и напряжения задаются в программируемом источнике питания. При этом современные источники питания снабжены программируемыми логическими выводами, один из которых должен быть настроен на сигнализацию о начале гальванического процесса. В свою очередь УУ находится в ожидании активного уровня данного сигнала. Между тем, УУ дополнительно получает сведения о найденных режимах работы анодных секций ipxN* (т) и ¡0bxN* (т).

После получения сигнала от источника питания о начале гальванического процесса УУ начинает цикл по всему количеству и переключений, для которого посредством управляющих команд K в ИМ передаются те анодные секции, индексы которых в найденных матрицах имеют единичное значение, с длительностью временных задержек соответствующих установленным в источнике питания. Данная последовательность действий повторяется до выполнения условия (3).

Аппаратная реализация исполнительного механизма

В качестве аппаратной реализации ИМ СУ рассматриваемой модификации гальванического процесса предлагается следующая электрическая схема, представленная на рис. 3.

Связь УУ с ИМ посредством набора требуемых команд K реализуется с использованием LPT-порта с архитектурой параллельного приема-передачи информации и сигналами TTL уровня, который содержит в себе 25 контактов [9]:

- 8 контактов (регистр Data) для чтения/записи данных;

- 5 контактов (регистр Status) для чтения данных;

- 4 контакта (регистр Control) для записи данных;

- 8 контактов типа «земля» (GND), которые соединены между собой.

Опишем кратко работу ИМ. После настройки параметров найденного вектора оптимального управления u* на источнике питания УУ программно переводится в режим ожидания. При получении сигнала о начале гальванического процесса посредством оптотранзисто-ра U10, который подает сигнал TTL уровня на контакт Status 6, УУ переводится в режим включения требуемых активных анодных секций для «прямого» режима (согласно элементам мат-

рицы (4)) посредством системы реле К1-К9 через соответствующие сигналы порта Data 0 -Data 7, Control 2. После выдерживания требуемой временной задержки f средствами программной реализации выдается новая команда, замыкающая активные анодные секции для «обратного» режима согласно элементам матрицы (5), также выдерживается задержка длительностью fb*. Далее описанные действия согласно схемы работы УУ, представленной на рис. 2, повторяются до достижения условия (3) или сигнала низкого уровня с контакта Status 6, свидетельствующего о прекращении гальванического процесса.

Рис. 2. Схема работы УУ

Рис. 3. Схема электрическая принципиальная ИМ

Для исключения электрической связи между высоким силовым напряжением источника питания и низким напряжением LPT-порта ППК используется гальваническая развязка U1-U9. Следует отметить, что в электрической схеме, продемонстрированной на рис. 3, отсутствуют интегрирующие цепочки, следовательно, частота переключения «прямого» и «обратного» режимов реверсирования будет определяться соответствующими параметрами используемого источника питания и набором электромеханических реле. При этом данная аппаратная реализация ИМ позволяет использовать систему из 3x3 (MxN) анодных секций с возможностью расширения до 12 секций за счет использования оставшихся контактов Control 0, Control 1, Control 3, Status 3, Status 4, Status 5, Status 7. В свою очередь, ППК возможно оснастить 4 LPT-портами. Рассмотренная схема рассчитана для коммутации токов до 30 А и напряжения до 12 В, а визуализация режимов включения анодных секций возможна с применением линейки све-тодиодов HL1-HL9.

Заключение

В работе проанализированы существующие подходы к снижению неравномерности гальванических покрытий с использованием многоанодных ванн, а также выявлены их недостатки, к которым относятся высокая стоимость применяемого оборудования, сложность технической реализации и снижение производительности гальванической линии в целом. Предложена модификация режима реверсирования тока для многоанодной ванны, заключающаяся в разбиении монолитного анода на систему анодных секций, подключаемую к программируемому источнику питания через устройство, позволяющее отключать требуемые анодные секции для «прямого» и «обратного» режимов реверсирования тока.

Рассмотрена структурная схема системы управления технологическим процессом нанесения гальванопокрытий, реализующая разомкнутый принцип управления. Предложен алгоритм функционирования управляющего устройства, отличающийся учетом режимов работы системы анодных секций для гальванического процесса реверсирования тока в многоанодной ванне. При этом в качестве управляющего устройства выбран промышленный персональ-

ный компьютер. Разработана одна из возможных технических реализаций исполнительного механизма системы управления, позволяющая осуществлять рассмотренный процесс для системы из 9 (с возможностью расширения до 12) анодных секций и коммутировать ток до 30 А при напряжении 12 В.

Дальнейшие исследования будут направлены на разработку программного обеспечения системы управления предложенным технологическим процессом.

Статья поступила 24.04.2015 г.

Библиографический список

1. Автоматизация в гальванотехнике: монография / И.В. Милованов, Ю.В. Литовка, С.А. Васильев, А.А. Кузнецов. Тамбов: ТПО «Дело», 1993. 70 с.

2. Дьяков И.А. Система управления выпрямителем многоанодных гальванических ванн // Радиотехника. 2010. № 12. С. 52-54.

3. Патент № 4233524/23-02 СССР. Установка для нанесения гальванопокрытий / А.Н. Алексеев. Опубл. 30.10.88; Бюл. № 40.

4. Соловьев Д.С., Литовка Ю.В., Милованов И.В. Оптимизация режимов работы гальванической ванны с циклическим включением анодных секций // Радиотехника. 2011. № 5. С. 71-77.

5. Патент № 2154065/07 СССР. Устройство для измерения плотности тока в электролитах / С.М. Бубнов. Опубл. 25.02.77. Бюл. № 7.

6. Конкина В.В., Соловьев Д.С. Математическая постановка задачи оптимального управления гальваническим процессом в реверсивном режиме для многоанодной ванны // Теоретические и практические аспекты технических наук: сб. ст. междунар. науч.-практ. конф. Уфа: НИЦ «Аэтерна», 2014. С. 41-43.

7. Konkina V.V., Solovjev D.S. Mathematical modelling of electroplating in reverse mode for the multianode bath // ISJ Theoretical & Applied Science. 2015. Vol. 03, № 23. P. 59-62.

8. Дроздов С.В., Золотарев С.Г. Встраиваемые компьютерные модули компании CompuLab: функциональность и надежность, требуемая для военных, транспортных и промышленных систем // Компоненты и технологии. 2009. № 3. С. 48-52.

9. Павлов В.А. Система ввода-вывода ПК. Параллельный порт: учеб.-метод. пособие и практикум по циклу «Система ввода-вывода ПК». Саров, Изд-во СарФТИ, 2005. 204 с.