Введение
Развитие способа микродугового оксидирования (МДО) вентильных металлов сегодня ведется в таких направлениях, как поиск состава электролитов для формирования требуемых покрытий, поиск моделей описания физико-химических превращений компонент электролита и обрабатываемого материала в фазе микродуг, поиск решения задач стабилизации параметров процесса обработки в электролитической ванне, поиск новых факторов влияния на свойства покрытий, таких как электромагнитные поля, давление и др.
В области развития и совершенствования электрической составляющей режима обработки продолжает изучаться влияние различных режимов на свойства покрытий, а также совершенствуются подходы к синтезу параметров режимов. Выполняются исследования влияния формы тока и напряжения, частоты и периодичности следования импульсов, последовательности режимов обработки, стабилизации параметров режимов в процессе обработки. Параллельно идет процесс развития систем измерения параметров покрытия в процессе обработки, базирующихся на косвенных измерениях электрических и неэлектрических параметров. В описывающие процесс формирования покрытий модели включают все большее число дополнительных параметров: оптических, спектральных, температурных, параметров проводимости электролита и т.д.
Таким образом, требования, предъявляемые к современному оборудованию и его программному обеспечению, предназначенному для сопровождения исследований, существенно отличаются от требований к промышленным установкам МДО. Особенно это проявляется в части информационного обеспечения, систем измерений параметров, систем обработки и анализа данных. Очевидна необходимость создания специального программного обеспечения (ПО) автоматизированной системы научных исследований (АСНИ), благодаря которой появляется возможность значительно повысить качество исследований и сократить затраты ресурсов на проведение исследований.
Целью данного исследования является совершенствование процесса проведения научных исследований режимов микродугового оксидирования за счет разработки специализированного программного обеспечения.
Материалы и методы исследования
При анализе оборудования для МДО различных производителей и публикуемых материалов авторов, создающих исследовательские установки в рамках своих научных работ, можно отметить, что функциональные возможности оборудования направлены в первую очередь на реализацию технологии нанесения покрытия и формирование режимов обработки, и в меньшей степени подходят для накопления и анализа экспериментальных данных, выявления характерных связей, выполнения синтеза и исследования применимости математических моделей.
Анализ позволил выделить следующие тенденции в области развития способа формирования покрытий с помощью МДО:
− смещение исследований в область изучения влияния сложных форм тока и напряжения в электрических импульсах обработки [1, 2],
− изучение влияния режимов с чередованием импульсов различной формы и режимов с различной частотой импульсов [3];
− изучение возможности стабилизации параметров режимов обработки [4, 5];
− развитие способа косвенных измерений параметров покрытий в процессе обработки [6, 7];
− поиск новых математических моделей, учитывающих большее число управляемых факторов, а также приемов и способов компенсации неучитываемых факторов [8];
− развитие систем поддержки принятия решений для определения режимов обработки при разработке нового оборудования и модернизации существующего [9, 10].
В ходе анализа процессов исследования МДО можно сделать вывод, что развитие способа МДО происходит в направлениях совершенствования методов и подходов к синтезу режимов обработки и создания интеллектуальных систем прогнозирования свойств покрытий. Это, в свою очередь, определяет необходимость создания систем, обеспечивающих процесс научных исследований с разработкой специального ПО.
Авторами были сформулированы основные требования к ПО АСНИ МДО, которые можно разделить на три основные группы: общесистемные, пользовательские и функциональные.
1. К общесистемным требованиям относятся:
− наличие возможности сбора, накопления и обработки экспериментальных данных;
− возможность ввода и хранения данных, полученных от внешних систем и введенных вручную;
− возможность синтеза и оценки математических моделей процесса МДО;
− возможность генерации версии ПО для работы с конкретным типом оборудования МДО.
2. Пользовательские требования к интерфейсу:
− возможность разграничения прав доступа пользователей;
− возможность составления рецептов обработки (последовательности режимов);
− возможность отображения данных в текстовой и графической формах;
− наличие шаблонов настроек режимов и рецептов;
− обеспечение возможности доступа к базе моделей технологического процесса МДО и внесения новых моделей;
− наличие удаленного доступа к системе.
3. Основные функциональные требования:
− измерение и отображение интегральных значений напряжения и тока, проходящих через систему «электролит – деталь», температуры электролита и других параметров, а также профиля напряжения и тока за период единичного импульса обработки;
− прогнозирование свойств покрытий на основании косвенных измерений;
− контроль за процессом формирования покрытия, позволяющий детектировать возникновение основных технологических проблем (срыв обрабатываемой детали, растравливание детали, отсутствие зажигания микроразрядов, угасание микроразрядов, возникновение дуговых разрядов и др.);
− сохранение в БД информации о правах доступа, рецептах обработки (последовательности режимов), режимах обработки, регистрируемых параметрах процесса обработки, качестве полученных покрытий и математических моделях, описывающих косвенные измерения и связи между параметрами режимов обработки и свойствами покрытий;
− обеспечение безопасности персонала и защиты от выхода из строя оборудования (ввиду возможности появления напряжений на оборудовании более 1 кВ).
Для выполнения указанных требований при разработке АСНИ МДО необходимо разработать аппаратную и программную части системы. Пример разработки аппаратной части системы был описан в других статьях авторов [11, 12].
Разработка программной части начинается с процедуры синтеза структуры программного обеспечения.
На схеме (рис. 1) представлена структура ПО АСНИ МДО, которая соответствует перечню сформулированных задач.
Результаты исследования и их обсуждение
В соответствии с предложенной структурой было создано программное обеспечение АСНИ МДО. Аппаратная часть системы была реализована в виде технологического источника тока с силовым регулятором, выполненным по тиристорно-конденсаторной схеме [13]. При создании ПО было разделено на технологическую и информационную части. В качестве модели, по которой строится программное обеспечение, выбрана событийно-ориентированная модель.
Технологическая часть функционирует на специальном модульном контроллере (разработан специально для данной системы) под управлением операционной системы (ОС) реального времени ChibiOS, входящем в состав технологического источника тока (ТИТ). Применение специального контроллера с ОС реального времени было обусловлено необходимостью выполнения следующих требований: гарантированное время реакции на события, высокая отказоустойчивость при управлении высоковольтным оборудованием, обеспечение высокой скорости регистрации электрических параметров, управление формой импульсов обработки.
Информационная часть ПО функционирует в ОС Windows на ПК в виде автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора. Выполнение АРМ в виде программы для ПК открывает возможности дальнейшего развития ПО за счет совершенствования и добавления информационно-управляющих подсистем.
Так, например, в состав ПО включен модуль слежения за параметрами процесса МДО на базе нейронной сети. Модуль позволяет вести наблюдение за свойствами формируемых покрытий на основании косвенных измерений [6].
ПО АРМ написано на языке Java (среда разработки – NetBeans IDE). Система хранения данных построена на базе SQL-сервера (MySQL) и обеспечивает принцип открытости в части обмена данными.
АРМ оператора обеспечивает следующие функциональные возможности:
− различные права доступа персонала;
− вывод информации о происходящих процессах в удобной графической и текстовой форме (графиков напряжений, токов, температур, графиков эпюр тока/напряжения нагрузки, текущей схемы силового блока), о параметрах режима обработки, состоянии оборудования ТИТ и электромеханического узла и т.д.;
− создание, сохранение, редактирование, копирование, запуск на выполнение рецептов обработки;
− сохранение информации о пользователях, рецептах, режимах и полной информации о проведенных обработках в реляционной базе данных;
− просмотр информации в графическом и текстовом виде о выполненных обработках и применяемых рецептах с возможностями масштабирования.
Рис. 1. Структура ПО установки МДО
Рис. 2. Пример реализации экранной формы управления рецептом
Рис. 3. Формы тока и напряжения системы «электролит – покрытие – деталь»
На рисунке 2 приведен пример начальной экранной формы, которая содержит информацию об операторе, времени проведения обработки, детали, материале и электролите, рецепте обработки, текущих параметрах нагрузки, текущей схеме силового преобразователя и режиме обработки с его параметрами, состоянии систем электромеханического узла электролитической ванны.
На отдельную экранную форму выводится информация в графической форме о процессах, протекающих в нагрузке за период импульса сетевого напряжения (рис. 3).
При проведении процесса обработки ПО АРМ выполняет отслеживание различных ситуаций, при которых необходимо произвести корректировку рецепта или прервать процесс обработки. С этой целью был реализован ряд алгоритмов слежения за параметрами процесса МДО с индикацией наступления события, а именно: превышения максимальных значений напряжения/тока, превышения максимального значения температуры электролита, превышения температуры контура охлаждения, недостаточного давления контура охлаждения, недостаточного давления в системе барботажа, недостаточной скорости потока воздуха в системе вентиляции, превышения количества электричества, прошедшего через электролит (выработка), угасания МДО-разряда, отсутствия зажигания МДО разряда, срыва детали, начала процесса растравливания детали.
Контроль наступления указанных событий выполняется ПО АРМ, которое может в зависимости от настроек как останавливать процесс, так и игнорировать событие. Прерывание процесса обработки также может быть инициировано контроллером ТИТ с переходом его в новое состояние и уведомлением об этом событии АРМ.
Заключение
На основании анализа процессов исследований в области микродугового оксидирования сформированы требования к программному обеспечению автоматизированной системы научных исследований МДО. Исходя из требований определены основные задачи ПО АСНИ. Для решения поставленных задач предложена обобщенная структура ПО, определены основные подсистемы и их функции. Представлен вариант реализации ПО АСНИ для тиристорно-конденсаторной установки МДО, приведен пример структуры БД и экранных форм.
Таким образом, в статье предложен подход к созданию ПО для АСНИ МДО, которая в значительной степени позволяет сократить ресурсы и повысить эффективность и качество проведения исследований, что подтверждено примером реализации системы.