3 Автоматизация производства

3.1 Анализ технологического процесса как объекта управления

Процесс нанесения покрытий в серийных и крупносерийных производствах осуществляется на гибких автоматизированных линиях. Недостатком существующих линий является отсутствие, либо недостаточная автоматизация управления и контроля технологическими параметрами, влияющими на качество гальванических покрытий, поэтому необходима дополнительная разработка схемы автоматизации технологического процесса.

Одним из основных направлений решения производственных задач является внедрение средств автоматизации и контрольно-измерительных приборов. Это необходимо для обеспечения необходимого качества покрытия, а также для уменьшения доли ручного труда в управлении процессом на ваннах.

Технологические процессы характеризуются большим числом параметров. Входные параметры дают представление о материальных и энергетических потоках на входе в технологический аппарат (расход сырья, температура и т.д.). Выходные характеризуют выходные потоки (уровень, концентрация). Режимные параметры характеризуют условия протекания процесса. Требования к поддержанию режимных и особенно выходных параметров в заданном диапазоне является обязательным условием проведения технологического процесса. Обязательному контролю подлежат параметры, которые регламентируются технологической картой. Регулируются уровень растворов в ваннах, расход промывной воды, а также концентрации компонентов в основных ваннах и температура. Соответственно ванны, включаемые в автоматические линии, снабжают датчиками и устройствами для контроля и регулирования величины измеряемого параметра в заданном диапазоне. Объектом управления в технологическом процессе являются гальванические ванны и локальные схемы очистки.

В данном процессе применяется автоматизированная система регулирования процессом. Информационное состояние управляемого параметра преобразуется средствами измерений и поступает на вход регулятора. Регулятор сравнивает этот сигнал с заданием и если они не одинаковы, вырабатывает управленческое воздействие в соответствии с заложенным законом регулирования и величиной рассогласования. Регулирующее воздействие подается на исполнительный механизм, который изменяет входную величину таким образом, чтобы выходная величина приняла заданное значение. При контролировании и регулировании материальных потоков (концентрации компонентов и рН) ванна как реальный объект обладает запаздыванием: чтобы измерить рН электролита после внесения дозы корректирующего раствора, необходимо дождаться выравнивания среднего значения рН в ванне.

Выравнивание среднего значения измеряемой величины зависит от размеров ванн, способов перемешивания и достигает десятки минут в объектах, где протекают

тепло- и массообменные процессы, и нескольких секунд в объектах, выходная величина которых представляет собой расход или давление.

Схематически технологический процесс цинкования стальных деталей можно представить следующим образом:

Одновременное обезжиривание-травление → промывка → цинкование → промывка → хроматирование → промывка → сушка.

Процесс нанесения защитного цинкового покрытия начинается с предварительной химической подготовки поверхности.

С позиции загрузки-разгрузки детали поступают в ванну химического обезжиривания-травления. Электролит должен иметь температуру 60-70°С, допустимо отклонение 5°С, так как при уменьшении температуры ниже 55°С процесс обезжиривания-травления проходит неэффективно, что впоследствии влияет на качество покрытия и вызывает его отслоение, а при температуре выше 75°С происходит усиление испарения электролита и распад компонентов, что недопустимо.

Для регенерации раствор из ванны первоначально сливается в сборную ёмкость. Затем раствор обезжиривания-травления очищают от загрязнений на комбинированном фильтре. Для более тонкой очистки раствор пропускают через ультрафильтратор. Затем очищенный раствор насосом подаётся обратно в ванну обезжиривания.

Из ванны химического обезжиривания-травления детали поступают в ванну двухкаскадной промывки, где происходит очистка деталей от оставшегося на них электролита. В ванну двухкаскадной промывки вода подается при помощи насоса-дозатора с расходом 123 дм³/ч и допустимым отклонением 1 дм³/ч, значение отклонения обусловлено технологическими требованиями к качеству промывки и экономической целесообразностью.

Затем детали поступают в ванну цинкования, где происходит нанесения защитного покрытия.

Непосредственно при цинковании контролируемыми параметрами являются плотность тока, и уровень электролита. Плотность тока 2±0,5 А/дм². Повышение i более 2 А/дм² приводит к получению крупнозеристых осадков, а снижение i приводит к увеличению времени осаждения покрытия, что приводит к уменьшению производительности производства. Температура электролита при цинковании составляет 20±5°С.

Для регенерации электролита цинкования его сливают в электролизер, где происходит проработка при малых плотностях тока для удаления электроположительных примесей (в основном меди) и накопившегося цинка. После раствор поступает на механический фильтр, а после электролит с помощью центробежного насоса возвращается в ванны цинкования.

В ванне возможно повышение уровня раствора из-за внесения воды из предыдущей промывки либо его понижение за счет испарения. В связи с этим требуется установка датчика регулирования уровня. Уровень необходимо поддерживать в пределах 700±50 мм. Если уровень раствора будет выше, то ванна переполнится. При уровне ниже заданного детали не будут полностью погружены в раствор, что снизит качество их очистки.

Следующая стадия – холодная двухкаскадная промывка. Расход воды на промывку 5,25±1 дм³/ч. При расходе воды ниже не обеспечивается необходимое качество промывки деталей и происходит повышение межоперационной ПДК по основному компоненту выше установленного значения, а расход выше экономически не выгоден. Поэтому целесообразно автоматически контролировать расход воды через ванну промывки.

Для регенерации промывные воды сливаются в сборную ёмкость, в которой необходимо поддерживать уровень 700±50 мм, чтобы ёмкость не переполнилась. В ёмкости происходит нейтрализация сточных вод, поэтому возникает необходимость в контроле рН. Далее насосом прокачивается через механический фильтр и гиперфильтратор. Гиперфильтратор имеет два выходящих потока: чистая вода, которая с помощью насоса возвращается в технологический цикл и концентрат, который идет на утилизацию. В гиперфильтраторе необходимо следить за давлением, которое создаёт вода. Сбор концентрата осуществляется в ёмкость, поэтому необходимо знать, когда уровень в ёмкости достигнет максимального значения 700±50 мм.

После двухкаскадной промывки идет процесс хроматирования. Контролируемыми параметрами в данной ванне являются уровень (700±50 мм) и pH (1,5-2). При повышении pH пассивная пленка будет иметь плохое сцепление с основой либо не будет образовываться вообще. Температура раствора 20-25 ºС.

Регенерация электролита проводится следующим образом. Отработанный раствор из ванны хроматирования подаётся в анодное пространство мембранного электролизёра с катионитовой мембраной, в котором происходит окисление Cr (III) до Cr (VI), а в катодное – 5%-ную серную кислоту.

Это позволяет обеспечить практически полное удаление примесей Сr ³⁺ и Zn²⁺ из анодного пространства мембранного электролизёра. Хромовая кислота поступает в ёмкость для корректировки, откуда насосом подаётся в ванну пассивации.

Следующая операция – горячая промывка. Температура воды 50-60ºС, допустимо отклонение 5°С. При температуре выше данного значения произойдет разрушение хроматной пленки, что недопустимо.

Потом детали поступают на сушку. В сушильной камере поддерживается температура 50±10°С, т.к. при более низкой температуре детали не досушатся.

После сушки детали возвращаются на позицию загрузки-разгрузки.

На качество покрытия влияет точность времени нахождения деталей на каждой операции. Это достигается за счет применения в работе линии автооператора, работающего по циклограмме, построенной в соответствии с технологическим процессом.

По условиям технологического процесса необходимо контролировать температуру в ванне нанесения цинкового покрытия, электролизере и электрокоагуляторе, поддерживать температуру в ванне совмещённого обезжиривания-травления и горячей промывки. Осуществлять регулирование уровня раствора в аппаратах, регулировать концентрацию составляющих компонентов раствора. Производить измерение расхода используемых реагентов. При фильтрации раствора под высоким давлением необходимо регулировать давление фильтрования.