Адаптивная система управления электротехническим комплексом окраски металлических изделий в электростатическом поле

Возникнув на рубеже 1950 — 1960 гг., технология нанесения порошковых полимерных покрытий получила широкое распространение. В настоящее время ее значение продолжает возрастать. Ежегодный прирост производства порошковых красок за рубежом в среднем составляет 15−20% [1]. В общем объеме продукции лакокрасочной промышленности на долю порошковых красок в Западной Европе приходится — 13%, в США — 7% [1].

Технология нанесения порошковых покрытий обладает целым рядом положительных качеств, обеспечивающих ее преимущество перед традиционными способами нанесения лакокрасочных покрытий [1, 2]. К наиболее важным ее достоинствам следует отнести безотходность [1], возможность получения покрытий из материалов с уникальными свойствами [1, 3], высокую производительность и возможность практически полной автоматизации [1,2]. Из существующих способов нанесения порошковых материалов наибольшее распространение получила технология нанесения покрытий в электростатическом поле.

Основными требованиями к организации процесса напыления являются: получение качественных покрытий, обеспечение необходимой производительности установки, максимальная автоматизация. В настоящее время практически все установки управляются вручную. Параметры процесса окраски определяются опытом персонала, а это не позволяет гарантировать приемлемое качество покрытий при действии различных возмущений. Существует необходимость в разработке такой системы автомагического управления электротехническим комплексом нанесения полимерных порошковых покрытий, которая позволит оптимальным образом организовать процесс окраски.

Большинство проведенных исследований [1, 3] сводилось к определению влияния того или иного параметра на процесс нанесения покрытий. В этих случаях остальные параметры процесса не контролировались (либо не указывались). Результаты отдельных авторов не всегда сопоставимы. Ограниченность известных работ не позволяет определить рациональные величины параметров процесса окраски.

В проведенных исследованиях мало внимания уделялось построению моделей процесса нанесения порошковых полимерных покрытий. Выбор рациональных режимов работы установок носил поверхностный характер [4, 6, 12, 21−23]: проводились эксперименты для конкретной (часто лабораторной) установки с ее специфичными условиями, далее строились зависимости, на основании которых делались выводы (справедливые только для описанных условий). В тех работах, где уделялось внимание моделированию процесса, либо модели [22] были линейными (что не соответствует экспериментальным зависимостям выходных величин от входных), либо модели [23] строились для частных случаев с ограниченным числом входных факторов. Таким образом, существует необходимость разработки методики построения модели процесса окраски изделий в электростатическом поле. На базе модели система управления может оптимизировать технологический процесс (т.е. определить оптимальные соотношения входных факторов для достижения некоторого объективного критерия). Иначе говоря, устройство управления будет работать по принципу системы с эталонной моделью. Такое решение обусловлено тем, что регулирование по отклонению осуществляется быстрее, чем при поисковом алгоритме. В самой же эталонной модели поиск оптимальных значений входных факторов происходит не в реальном, а в машинном времени, которое определяется вычислительной мощностью компьютера. Использование адаптивной системы управления электротехническим комплексом окраски позволит исключить влияние неконтролируемых факторов (влажности воздуха, распределения воздушных потоков вблизи поверхности детали и т. п.) за счет их компенсации подстройкой управляемых факторов.

Для проверки достоверности разрабатываемая методика, синтезируемая модель и создаваемая система управления электротехническим комплексом окраски должны быть опробованы на каком-либо реальном промышленном объекте. В качестве примера выбрана камера окраски завода холодильников «Стинол». Как и на других предприятиях отрасли, здесь остро стоит вопрос повышения эффективности окраски и снижения брака, поэтому весьма актуальна проблема построения системы автоматического управления.

Изложенные выше соображения послужили основанием для выбора темы диссертации: «Адаптивная система управления электротехническим комплексом окраски металлических изделий в электростатическом поле».

Работа выполнена на кафедре электропривода Липецкого государственного технического университета в соответствии с планом научно-исследовательских работ по теме: «Исследование систем программного управления технологическими процессами».

Цель работы состоит в синтезе адаптивной системы управления электротехническим комплексом окраски металлических изделий полимерными порошковыми материалами в электростатическом поле при недетерминированных внешних воздействиях.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

— разработана методика построения математических моделей процесса нанесения полимерных порошковых покрытий;

— проведены необходимые эксперименты, на их основе построена статистическая модель процесса нанесения порошковых покрытий;

— экспериментально подтверждена достоверность модели;

— разработана структура адаптивной системы с эталонной моделью для управления электротехническим комплексом окраски, выбраны элементы аппаратной части системы;

— разработана методика синтеза эталонных моделей для адаптивной системы управления;

— разработаны алгоритмы и листинги программного обеспечения компьютера и микропроцессорного контроллера, входящих в разработанную систему автоматического управления комплексом окраски;

— проверена эффективность работы системы путем математического моделирования с экспериментальной проверкой полученных значений.

Методы исследования. Задачи, поставленные в ходе исследований, решались экспериментально на рабочей установке, применялись методы математического и статистического моделирования на ЭВМ, использовались аналитические методы.

Научная новизна работы.

1. Разработана методика построения математической модели процесса окраски металлических поверхностей в электростатическом поле.

2. Разработаны структура и алгоритм работы адаптивной системы управления с эталонной моделью для электротехнического комплекса окраски металлических изделий полимерными порошковыми материалами в электростатическом поле.

3. Разработана методика синтеза эталонных моделей адаптивной системы управления электротехническим комплексом окраски.

Практическая ценность.

1. Разработана программа, позволяющая синтезировать модели процесса нанесения порошковых полимерных покрытий в электростатическом поле, а также эталонные модели для адаптивной системы управления электротехническим комплексом окраски.

2. Для практического подтверждения разработанной методики моделирования синтезирована модель реальной камеры окраски, используемой на заводе холодильников «Стинол». На модели рассчитаны зависимости выходных параметров от входных факторов. Анализ этих графиков дает возможность определить характер влияния каждого входного фактора. Это позволяет определить стратегию работы на установке для получения качественного покрытия.

3. Разработана аппаратная часть и алгоритмы работы адаптивной системы управления с эталонной моделью для электротехнического комплекса нанесения полимерных порошковых покрытий.

На защиту выносятся.

1. Методика построения модели процесса окраски металлических изделий полимерными порошковыми материалами в электростатическом поле.

2. Методика синтеза эталонных моделей для построения адаптивной системы управления электротехническим комплексом окраски.

3. Программа синтеза эталонных моделей адаптивной системы управления.

4. Аппаратная часть и алгоритмы работы адаптивной системы управления электротехническим комплексом окраски.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

— областной научной конференции «Молодежь и наука на рубеже XXI века», Липецк, 1997;

— научно-технической конференции кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов», Липецк, 1999;

— техническом совете ЗАО ЗХ «Стинол», Липецк, 2000.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, отражающих содержание диссертационной работы.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и пяти приложений. Объем работы составляет 194 страницы, в том числе 90 страниц текста, 33 рисунка, 8 таблиц, библиографический список из 86 наименований, приложения на 57 страницах.

Выводы

Для повышения качества окраски металлических изделий в электростатическом поле разработана адаптивная система автоматического управления электротехническим комплексом окраски. Эта система автоматически осуществляет регулирование и контроль технологических факторов, а также автоматический контроль качества покрытия. Для обеспечения этого:

— разработана структура адаптивной системы управления электротехническим комплексом окраски;

— разработан алгоритм управления процессом нанесения полимерных порошковых покрытий в электростатическом поле, основой которого является модель процесса, построенная с помощью системы моделирования;

— с использованием модели определены особенности протекания технологического процесса окраски для конкретной установки, которые учтены в алгоритме управления.

Разработанная система управления:

— в ходе эксплуатации осуществляет автоматическую подстройку модели, что позволяет контролировать и учитывать процесс старения оборудования;

— в случае изменения условий проведения окраски, определяет необходимость моделирования, и, либо отключает автоматическое управление, переходя на ручное, либо производит автоматическое моделирование.

Для реализации системы управления разработано программное обеспечение, работа которого опробована на реальной установке окраски, используемой на заводе холодильников «Стинол».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время практически все установки напыления порошковых полимерных покрытий управляются вручную. Показатели процесса окраски определяются опытом персонала, а это не позволяет гарантировать приемлемое качество покрытия при действии различных возмущений. Существует необходимость в разработке такой системы автоматического управления электротехническим комплексом камерой окраски, которая даст возможность оптимальным образом организовать процесс. Детальное изучение работы камеры окраски и синтез системы управления агрегатом невозможны без модели технологического процесса.

По результатам существующих исследований не удается выбрать модели, пригодные для изучения процесса нанесения порошковых красок. Известные рекомендации носят приближенный характер и могут быть использованы только для частных случаев.

Для исследования процесса нанесения полимерных порошковых покрытий использован метод полного факторного эксперимента, позволяющий с помощью уравнения регрессии моделировать технологический процесс. Использование вероятностно-статистического моделирования оправдано тем, что процесс нанесения покрытий электростатическими распылителями характеризуется как наличием случайных неконтролируемых факторов, так и рядом случайных процессов, протекающих при окраске. С помощью экспериментальных данных были выявлены значимые факторы технологического процесса, а также проверена достоверность описания объекта моделью. Специфика регрессионной модели состоит в том, что вне интервалов варьирования точность разработанной модели резко снижается.

В диссертационной работе:

1. Определены необходимые входные факторы управления и выходные показатели контроля качества покрытия. Произведен корреляционный анализ факторов, выявлена значимость каждого из них, оценен характер влияния факторов друг на друга.

2. Разработана методика моделирования, использующая метод подстройки модели, учитывающий взаимосвязь факторов и нелинейный характер зависимостей выходных величин от входных. Для повышения достоверности модели все исследуемое факторное пространство, согласно разработанной методике, предлагается разбивать на несколько интервалов варьирования. Далее, в процессе подстройки, создается набор экспериментальных данных по методу полного факторного эксперимента для каждого интервала варьирования. Количество опытов должно быть достаточным для построения ряда моделей, с удовлетворительной точностью описывающих технологический процесс на всей области существования его входных факторов. Достоверность описания определяется с помощью экспериментальных данных, набираемых в процессе моделирования.

При исследовании процесса, из списка выбираются те модели, которые наиболее точно описывают процесс. Процесс подстройки позволит совершенствовать модель в процессе эксплуатации, что дает возможность получать все более и более точное описание сложного технологического процесса. Набор данных можно расширять в ходе эксплуатации установки. Метод построения статистический модели можно использовать для построения адаптивной системы автоматического управления с эталонной моделью.

3. Разработана методика синтеза эталонной модели адаптивной системы управления электротехническим комплексом. Суть ее заключается в нахождении таких значений входных факторов (на основании оптимизации модели процесса), которые позволяют рационально организовать окраску металлических изделий.

4. Для организации системы автоматического управления разработана программа синтеза эталонных моделей, предоставляющая пользователю удобный интерфейс. Предложенная программа позволяет:

— создавать модель с любым числом входных факторов и выходных показателей процесса;

— проверять достоверность модели с помощью экспериментальных значений;

— осуществлять подстройку модели;

— строить зависимости выходных показателей от входных факторов;

— оптимизировать результаты (определять величины факторов, необходимые для получения покрытия заданной толщины с наилучшей равномерностью).

При этом в ходе работы не ограничивается число исследуемых процессов, т. е. можно работать над построением нескольких моделей одновременно.

5. Разработана аппаратная часть адаптивной системы автоматического управления электротехническим комплексом окраски, которая позволяет осуществлять автоматический контроль и регулирование технологических факторов. В состав системы разработан и включен блок контроля качества окрашиваемых поверхностей.

6. Разработан алгоритм управления, учитывающий особенности процесса окраски для конкретной промышленной установки.

7. Работа системы подтверждена экспериментально путем моделирования работы алгоритма на реальной промышленной установке, применяемой на заводе «Стинол» для окраски металлических деталей холодильников.