330 / ЗаданКурсЖурналПолныйМПУСУ / 1СУ_УчасткомТермообраб

ВВЕДЕНИЕ

цию участка термической обработки

вания, которые они выполнить уже не

Не секрет, что замена старого обору

металлических изделий на машино

в состоянии.

дования на новое требует больших ка

строительном предприятии. Если сами

В данной статье описывается пример

питальных вложений. Кроме того, на

печи могут работать десятилетиями (в

реализации автоматизированной сис

всё время проведения переоборудова

настоящее время на многих предпри

темы, выполняющей функции форми

ния, как правило, приходится останав

ятиях продолжают функционировать

рования, регистрации, архивирования

ливать производство. Следовательно,

печи, введённые в эксплуатацию 20 30

данных и управления с использовани

к затратам непосредственно на модер

и более лет назад), то приборы контро

ем устройств дистанционного ввода

низацию

оборудования добавляются

ля, управления и регистрации параме

вывода серии ADAM 4000 в комплекте

потери, вызванные остановкой техно

тров технологических процессов мо

с программным

пакетом GeniDAQ.

логического процесса. Можно ста

рально и физически устаревают в тече

Представленная

система разработана

раться не замечать данную проблему,

ние существенно более короткого про

специалистами

Казанского государ

однако рано или поздно возникает си

межутка времени. Причём если к са

ственного технического университета

туация, когда откладывать модерниза

мим печам зачастую претензий не воз

им. А.Н. Туполева и опробована на Ка

цию дальше уже нельзя, хотя бы по

никает, то к системам контроля и уп

занском авиастроительном производ

причине отсутствия материальной ба

равления часто предъявляются требо

ственном объединении (КАПО) им.

зы

для

поддержания

С.П. Горбунова.

оборудования

в надле

жащем виде. Часто та

НАЗНАЧЕНИЕ

кая

ситуация

усугубля

И ЦЕЛИ

ется тем, что выводить

ВНЕДРЕНИЯ

технику

из эксплуата

СИСТЕМЫ

ции

на

длительный

Автоматизированная

срок,

требуемый

для

система управления тех

полного переоборудова

нологическими процес

ния, тоже не представ

сами

термического

ляется

возможным. В

участка

предназначена

ряде

случаев

выход

из

для

контроля, поддер

подобной

ситуации

жания температуры пе

можно найти в обновле

чей

и

формирования

нии

только

системы

временных интервалов

поддержания

техноло

согласно

технологичес

гических параметров. К

ким

требованиям,

числу таких случаев сле

предъявляемым в каж

54

Здание заводоуправления Казанского авиастроительного

дует отнести модерниза

дом конкретном случае.

производственного объединения им. С.П.Горбунова

www.cta.ru

СТА 3/2008

Р А З Р А Б О Т К И / М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И Е

Целями внедрения системы явля

ОПИСАНИЕ АППАРАТНОГО

дальнейшей судьбе (отправлять в брак

лись:

ОБЕСПЕЧЕНИЯ

или нет) обработанного в таких усло

● замена морально устаревших конт

Для

построения автоматизирован

виях изделия.

рольно регистрирующих и управля

ной системы управления технологиче

В качестве компьютера оператора на

ющих устройств;

скими

процессами

термического

стадии проведения эксперименталь

● перевод устройств архивирования

участка было использовано оборудова

ных и отладочных работ применялся

параметров термической обработки

ние и программное обеспечение фир

обыкновенный офисный компьютер.

на электронные носители информа

мы Advantech. В качестве температур

Требования к нему не выходили за рам

ции;

ных датчиков использовались штатные

ки требований, предъявляемых к ком

● автоматизация процессов сбора и об

термопары, установленные в термо

пьютеру со стороны

разработчиков

работки информации о температур

шкафах. Количество термопар в тер

программного пакета GeniDAQ. Един

ных режимах выдержки изделия;

мошкафах различного типа колеблется

ственное отличие – увеличение объёма

● объединение всех устройств визуали

от одной до трёх. Первичный сбор ин

жёсткого диска до 120 Гбайт, что вы

зации, управления, контроля и архи

формации осуществлялся

модулями

звано только расширением возможно

вирования в единый центр управле

аналогового ввода ADAM 4011D. Дан

стей по части хранения архивов и ни

ния.

ный модуль удобен тем, что имеет

какого влияния на работоспособность

встроенный

цифровой

дисплей. Это

системы не оказывает. Впоследствии,

ТРЕБОВАНИЯ,

предоставляет термисту

возможность

уже на стадии отладки системы, заказ

ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СИСТЕМЕ

контролировать температуру, не отходя

чик решил, что данный вариант его ус

Заказчик поставил условие,

чтобы

от рабочего места. Так как данный мо

траивает, и удовольствовался ранее ус

модернизация проводилась без вывода

дуль предполагает подключение только

тановленным компьютером.

печей из эксплуатации на срок более

одной термопары, количество исполь

Структурная схема системы управле

двух суток подряд, и предъявил следу

зуемых модулей определяется количес

ния технологическими процессами

ющие требования к системе управле

твом термопар. Включением нагрева

термического участка представлена на

ния:

телей управляют

цифровые сигналы,

рис. 1.

● система должна обеспечивать ха

поступающие с

модуля

дискретного

рактеристики не хуже, чем характе

ввода вывода ADAM 4050. В качестве

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ристики используемого оборудова

исполнительных

устройств

использу

Программное обеспечение было раз

ния;

ются твердотельные реле фирмы Sharp.

работано при

помощи прикладного

● система должна подавать звуковые

Для обеспечения управления реле, а

программного

пакета

GeniDAQ. Для

сигналы при возникновении аварий

также

для

согласования

модулей

облегчения процесса

наблюдения за

ной ситуации;

ADAM 4050 с датчиками состояния за

состоянием технологического процес

● архивирование данных должно про

слонок

термошкафов

и

кнопками

са и установки заданных параметров

изводиться как на электронных но

«Старт/Стоп» используется специаль

используется многооконный режим. В

сителях, так и в бумажном виде;

но разработанная интерфейсная плата.

основном окне выводится информа

● система должна быть унифицирова

На этапе разработки системы нами бы

ция о температуре, уставке, времени и

на для всех типов печей, используе

ло заложено в схему два модуля

стадии технологического процесса по

мых на участке термической обра

ADAM 4050. В качестве преобразова

всем печам. Для изменения значения

ботки;

теля интерфейса RS 232 компьютера

уставки температуры, включения печи,

● режим работы при необходимости –

оператора в интерфейс RS 485, связы

задания времени выдержки, графичес

круглосуточный;

вающий модули ввода вывода, приме

кого отображения изменения темпера

● при аварийном отключении питания

нён модуль ADAM 4520.

туры и включения/выключения по

нагревательных

элементов

печей

Для сохранения работоспособности

каждой печи используются отдельные

должен обеспечиваться режим, по

в случае отключения электроэнергии

окна (по количеству печей). Вид глав

зволяющий избежать потери посту

все регистрирующие устройства, а так

ного окна и одного из установочных

пающей информации;

же устройства системы обработки и ар

окон представлен на рис. 2 и 3 соответ

● выдаваемая на экран оператора ин

хивации данных снабжены источника

ственно.

формация должна быть полной, то

ми бесперебойного питания. Эти ис

Принцип работы достаточно прост.

есть иметь максимально допусти

точники выбирались по паспортному

После запуска программа выводит на

мую применяемым программным

времени работы от батарей, исходя из

дисплей главное окно отображения

пакетом частоту

дискретизации, и

условия, что температура в термошка

информации (рис. 2). В данном окне

без каких либо пропусков;

фу выходит за пределы допустимой

выводится информация только о со

● система должна работать в реальном

нормы

приблизительно за двадцать

стоянии печей, то есть загружена печь

масштабе времени протекания тех

минут. Мы

использовали

источники

или нет, текущая температура, включе

нологических процессов;

Back UPS мощностью 1000 В·А компа

на или выключена, время выдержки

● управление процессами должно быть

нии АРС. Применение источников

детали в печи. При достижении време

простым;

бесперебойного

питания

позволило

ни окончания выдержки детали цвето

● система должна контролировать вре

продолжать слежение за ходом техно

вой сигнализатор, расположенный ря

мя технологического процесса;

логического процесса даже в условиях

дом со счётчиком времени, меняет цвет

● должен быть обеспечен контроль ре

прекращения подачи электроэнергии

с зелёного на красный. Одновременно

акции термиста на сигнал заверше

от основного источника и по получен

на участке автоматически включается

55

ния процесса.

ным данным принимать решение о

сирена. Выключение сирены происхо

СТА 3/2008

www.cta.ru

© 2008, CTA

Тел.: (495) 234-0635 Факс: (495) 232-1653

http://www.cta.ru

Р А З Р А Б О Т К И / М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И Е

в бумажном виде используется интер

Комната оператора

фейс программы связывания и внедре

Компьютер

RS 485

ния

(встраивания)

объектов

OLE

оператора

RS 232

Automation. Интерфейс связывания и

ADAM 4520

внедрения объектов OLE Automation

Участок

Модули

Модули

предназначен для организации

взаи

термической

ADAM 4011D

ADAM 4050

модействия между GeniDAQ и другими

обработки

приложениями Windows, поддержива

ющими механизм OLE. В нашем слу

чае это программа Excel. Так как ско

Термопара 2

Термопара 1

Интерфейсная

Блок

рость изменения параметров среды до

твердотельных

статочно низкая (выборка точек произ

плата

реле

водится с интервалом в 1 минуту), то

Термопара 3

Термопара 4

Датчики

Кнопки

данная программа позволяет строить

состояния

«Старт/Стоп»

графики технологического процесса в

заслонок

термошкафов

реальном масштабе времени с последу

ющей их распечаткой в бумажном ва

рианте. Отличие графиков, получен

Рис. 1. Структурная схема системы управления технологическими процессами термического

ных при помощи интерфейса OLE

участка

Automation и элемента отображения

«Просмотр архива данных», в том, что

дит только после открывания печи,

Для ввода параметров технологическо

первый запоминает данные только с

свидетельствующего о том, что термист

го процесса достаточно выбрать печь,

момента, когда температура достигла

приступил к выгрузке заготовок. Как

где будет проводиться обработка заго

уровня уставки (с учётом минусового

только печь открывается, сирена вы

товок, далее указать тип и толщину за

уровня допуска), а во втором случае за

ключается, цветовой сигнализатор ста

готовок, отметить номер технологичес

поминаются все события с момента за

новится зелёным, а счётчик времени

кого процесса и нажать в окне клавишу

пуска программы.

обнуляется. Новый цикл начинается

«Ввод», соответствующую заданной

после того, как в печь будет загружена

печи. Программа самостоятельно уста

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

заготовка, о чём термист просигнали

новит температурный режим и опреде

Первоначально в качестве регулиру

зирует нажатием кнопки «Старт», рас

лит время, необходимое для проведе

ющего элемента был выбран простей

положенной рядом с соответствующей

ния процесса в зависимости от типа за

ший пороговый элемент с температур

печью. Следует отметить, что запуск

готовки и её толщины.

ным гистерезисом, равным ±0,2°С. Ис

цикла начнётся только в том случае,

Включение печей осуществляется из

пытания, проведённые с использова

если нажатие кнопки «Старт» произой

установочного окна. На рис. 3 в качес

нием такой схемы регулирования, по

дёт в течение короткого промежутка

тве примера представлено окно печи

казали вполне удовлетворительные ре

времени (10 20 минут, конкретная ве

отпуска ПН15. Из рисунка видно, что

зультаты: точность поддержания тем

личина определяется типом термошка

печь включена и с момента начала вы

пературы укладывалась в допустимый

фа) после того, как будет открыта и за

держки прошло 5 минут. Для просмот

диапазон согласно техническому зада

крыта печь. Такой порядок работы реа

ра динамики изменения температуры в

нию (рис. 4). Однако проведённые экс

лизуется интерфейсной платой, распо

реальном масштабе времени использу

перименты для более высоких темпе

ложенной вместе с модулями дискрет

ется элемент отображения «Просмотр

ратур и при различных исходных со

ного ввода вывода. Использование в

архива данных» редактора форм отоб

стояниях печи выявили некоторые не

этих целях интерфейсной платы позво

ражения. Хранение информации про

достатки данной схемы. Несмотря на

ляет не загружать компьютер операто

изводится с помощью блока архивиро

то, что температура находится в преде

ра обработкой временных задержек.

вания данных редактора задач про

лах допуска, видно, что график на рис.

По просьбе представителя заказчика

граммы GeniDAQ.

в программе

предусмотрено

задание

Для документиро

типовых технологических процессов.

вания результатов

56

Рис. 3. Вид одного из установочных окон

Рис. 2. Вид главного окна

www.cta.ru

СТА 3/2008

Р А З Р А Б О Т К И / М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И Е

Уставка 900°С. Нагрев от комнатной температуры

Уставка 680°С. Остывание до заданной температуры

904

Уставка

689

902

688

900

687

898

686

(°С)

896

(°С)

685

Темперература

894

Темперература

684

892

683

890

682

888

681

Уставка

886

680

884

679

882

678

0

5

10

15

20

25

0

5

10

15

20

а

Время (мин)

б

Время (мин)

Рис. 4. График колебания температуры при регулировании пороговым элементом: а — уставка 900°С, выход с меньшей температуры на более

высокую; б — уставка 680°С, выход на требуемую температуру с более высокой

4 а несимметричен относительно за

заданной, а во втором – выше. И хотя

ПИД регулирования. Выходной си

данной уставки, причём средняя тем

лабораторные исследования образцов

гнал блока определяется выражением:

пература в этом случае ниже требуе

показали, что качество обработки со

мой. Данный эксперимент проводился

ответствует требуемым характеристи

при условии, что печь предварительно

кам, заказчики попросили устранить

была холодной и нагрев осуществлялся

данный недостаток.

от температуры участка. В другом слу

Для устранения выявленного недо

чае, когда выход на требуемую темпе

статка вместо порогового элемента на

ратуру проходил от высокой темпера

ми был использован ПИД регулятор.

где

туры к более низкой, наблюдалось сме

Этот переход не потребовал каких ли

U(t) – уровень выходного сигнала бло

щение среднего уровня разброса вверх

бо доработок схемных решений, так

ка ПИД;

(рис. 4 б). Таким

образом, в

первом

как в состав программного пакета

P – пропорциональный коэффициент;

случае средняя температура была ниже

GeniDAQ

входит стандартный

блок

I – интегральный коэффициент;

57

СТА 3/2008

www.cta.ru

© 2008, CTA

Тел.: (495) 234-0635 Факс: (495) 232-1653

http://www.cta.ru

гналов управления на устройства зву

Уставка 900°С. ПИД регулятор

Уставка 400°С

ковой и визуальной сигнализации;

903

406

901

Уставка

● включение режима отсчёта времени

404

выдержки по команде, поступившей

899

Пороговый

элемент

402

от термиста после достижения задан

897

(°С)

(°С)

Уставка

ной температуры.

895

400

Внешний вид типового модуля регу

Темперература

Темперература

889

396

ройства ADAM 4011D. Количество ус

893

398

лирования

температуры показан на

891

ПИД

рис. 6. Модуль выполнен на базе уст

регулятор

887

394

танавливаемых модулей регулирования

885

температуры определяется

количест

883

392

вом зон нагрева конкретного шкафа.

а

950

140

1950

2450

б

0

5

10

15

20

25

Время (мин)

Время (мин)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рис. 5. Графики колебания температуры: а — при использовании ПИД7регулятора, разогрев

В результате проведённой описан

печи до 900°С; б — при работе с ПИД7регулятором (синяя линия) и с пороговым элементом

ным способом модернизации участка

(зелёная линия), уставка 400°С

термической обработки заготовок уда

лось как существенно снизить затраты

D – дифференциальный коэффици

● ПИД регулирование

температуры

на приобретение новой материально

ент;

термоэлементов печей;

технической базы, так и обеспечить

e(t) – ошибка регулируемого параметра

● архивирование с помощью интер

минимальный простой оборудования в

(t – текущее время);

фейса связывания и внедрения объ

период замены устаревшего контроль

Ts – период сканирования задачи в ми

ектов OLE Automation;

но регистрирующего

оборудования

нутах;

● задание заранее запрограммирован

(монтаж оборудования проводился при

Se(k) – накопленная ошибка за k изме

ных технологических процессов, ис

работающем термошкафе, для пере

рений.

ходя из марки материала, типа заго

ключения термопар и силового комму

Для использования данного блока с

товки, толщины заготовки и типа пе

тирующего модуля понадобилась оста

ключевым исполнительным механиз

чи, где будет производиться обработ

новка оборудования на время всего

мом выходной сигнал был пропущен

ка;

около 30 минут). Одновременно был

через пороговый элемент с гистерези

● отслеживание аварийных

ситуаций

усовершенствован процесс документи

сом ±0,1. Применение такой схемы ре

по отклонению от заданного значе

рования данных о термической обра

гулирования

значительно

изменило

ния температурной уставки на вели

ботке в бумажном виде и внедрён ре

всю картину (рис. 5). Как видно из рис.

чину, большую допуска, и подача си

жим архивирования в электронном ви

5 а, значительно увеличилась

последующим копированием на

поддержания

температуры

носителях. Хранение ин

значений температуры уменьшился

производится в виде файлов

до 2°С при уставке 900°С).

Excel; фрагмент заархивиро

ние колебаний температуры

данных, иллюстрирующий их

уровня уставки стало более

форму представления, приве

ным по сравнению с рис. 4.

табл. 1.

Система

позволяет

наглядно видно, как уменьшился

просмотр архивов на уда

брос температуры при изменении

рабочих местах.

мы регулирования, на рис. 5 б:

процессе эксплуатации система

разница между максимальным

показала высокую надёж

и

минимальным значениями

ность и гибкость. Весь про

при работе с ПИД регулятором

цесс её работы проходит в ре

равна 3°С (рис. 5 б, синяя ли

альном масштабе времени. ●

ния), в то время как при ис Рис. 6. Внешний вид типового модуля регулирования температуры

пользовании порогового регуля

тора эта величина

превышала

Таблица 1

10°С (рис. 5 б, зелёная линия).

Фрагмент хранимых в табличном виде данных технологического процесса

Стратегия, заложенная в редакторе

ПН15

задач, реализует с помощью элементов

Минуты

Треал.

Туставки

Дата

Время

управления окна отображения следую

1

107,9

100

Mon

May

19

2008

11:38:50

щие функции:

2,03

113,7

100

Mon

May

19

2008

11:39:52

● включение каждой конкретной печи

3,03

117,2

100

Mon

May

19

2008

11:40:52

по отдельности;

4,02

119

100

Mon

May

19

2008

11:41:51

● выключение каждой конкретной пе

5,02

119,7

100

Mon

May

19

2008

11:42:51

чи по отдельности и выключение

5,9

119,5

100

Mon

May

19

2008

11:43:44

всех печей сразу;

58

5,95

119,5

100

Mon

May

19

2008

11:43:47

6

119,5

100

Mon

May

19

2008

11:43:50

www.cta.ru

СТА 3/2008

© 2008, CTA

Тел.: (495) 234-0635 Факс: (495) 232-1653

http://www.cta.ru