Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТАНОВКИ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ ДЛЯ СОПРОВОЖДЕНИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Яценко В.М. 1 Константинов И.С. 2 Федоров В.И. 3 Маматов А.В. 4
1 ООО «ЭЛСИС БелГУ»
2 БГТУ им. В. Г. Шухова
3 НИУ «БелГУ»
4 ФГБОУ ВО «Марийский государственный университет»
Целью данного исследования является совершенствование процесса проведения научных исследований режимов микродугового оксидирования за счет разработки специализированного программного обеспечения. Проведен анализ существующего оборудования для микродугового оксидирования, который показал его малую ориентированность для накопления информации о процессе и использовании его в научных исследованиях. Авторами были сформулированы основные требования к программному обеспечению автоматизированной системы научных исследований микродугового оксидирования, которые можно разделить на три основные группы: общесистемные, пользовательские и функциональные Проведен анализ функциональных требований к программному обеспечению установок микродугового оксидирования, используемых для сопровождения научных исследований. Предложена структура программного обеспечения автоматизированной системы научных исследований технологического процесса микродугового оксидирования. Приведен пример синтеза автоматизированной системы научных исследований технологического процесса микродугового оксидирования, построенной на базе тиристорно-конденсаторного технологического источника тока. В соответствии с предложенной структурой было создано программное обеспечение автоматизированной системы научных исследований микродугового оксидирования. Показаны результаты работы разработанного программного обеспечения, отдельные экранные формы интерфейса автоматизированного рабочего места исследователя. Таким образом, в статье предложен подход к созданию программного обеспечения автоматизированной системы научных исследований технологического процесса микродугового оксидирования, которое в значительной степени позволяет сократить ресурсы и повысить эффективность и качество проведения исследований, что подтверждено примером реализации системы.
микродуговое оксидирование
автоматизированная система научных исследований
база данных
программное обеспечение
интерфейс автоматизированного рабочего места
1. Голубков П.Е., Карпанин О.В. Автоматизированный лабораторный стенд для получения и исследования МДО-покрытий // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. 2015. № 4(16). С. 35-39.
2. Голубков П.Е. Совершенствование средств измерений электрических параметров микродуговых оксидных покрытий: дис. …канд. техн. наук. Пенза, 2002. 163 с.
3. Дударева Н.Ю., Бутусов И.А., Кальщиков Р.В. Влияние режимов микродугового оксидирования на механические свойства образцов из алюминиевого сплава // Вестник ПНИПУ. Механика. 2014. № 4. С. 102-116.
4. Карпанин О.В., Сафонов А.В., Ометов С.Ю. Автоматизированная установка для микродугового оксидирования // Молодой ученый. 2015. № 9 (89). С. 247-251.
5. Бадаев Р.А., Карпин О.В., Таищев С.Р. Автоматизированная установка микродугового оксидирования // Материалы и технологии XXI века: сборник статей ХIV Международной научно-технической конференции (Пенза, 28–29 марта 2016 г.). Пенза: Приволжский Дом знаний, 2016. С. 136-140.
6. Ломакин В.В., Зайцева Т.В., Путивцева Н.П., Яценко В.М, Пусная О.П.Реализация поддержки принятия решений в управлении процессом микродугового оксидирования на базе искусственных нейронных сетей // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Экономика. Информатика. 2016. № 23(244). С. 124-133.
7. Печерская Е.А., Голубков П.Е., Мельников О.А., Печерский А.В., Максов А.А., Анисимова А.А. Анализ причин, влияющих на показатели качества покрытий, полученных методом микродугового оксидирования // Известия вузов. Поволжский регион. Технические науки. 2022. № 2 (62). С. 92-102.
8. Печерская Е.А., Голубков П.Е., Карпанин О.В., Козлов Г.В., Печерский А.В. Интеллектуальная система управляемого синтеза оксидных покрытий // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2019. № 2 (28). С. 107-112.
9. Степанов С.В., Карпанин O.В. Автоматизированный лабораторный стенд микродугового оксидирования // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. «Материаловедение». 2014. С. 153-157.
10. Фаткуллин А.Р., Парфенов Е.В. Автоматизация технологического процесса плазменно-электролитического оксидирования на основе косвенного контроля толщины покрытия по электрическим характеристикам // Вестник УГАТУ. 2016. № 4 (74). С. 38-44.
11. Яценко В.М., Ломакин В.В. Синтез структурных и технических решений при проектировании установки микродугового оксидирования // Экономика. Информатика. 2023. № 50(2). С. 398–409.
12. Яценко В.М., Ломакин В.В. Распределенный алгоритм управления установкой микродугового оксидирования // Научный результат. Информационные технологии. 2023. № 4. С. 40-49.
13. Яценко В.М., Иванов М.Б., Храмов Г.В. Технологическая установка микродугового оксидирования // Общество с ограниченной ответственностью «Керамик тех» (ООО «Керамик тех»). 2019. Бюл. № 16.

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.

missing image file

Рис. 1. Структура ПО установки МДО

missing image file

Рис. 2. Пример реализации экранной формы управления рецептом

missing image file

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.


Библиографическая ссылка

Яценко В.М., Константинов И.С., Федоров В.И., Маматов А.В. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТАНОВКИ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ ДЛЯ СОПРОВОЖДЕНИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ // Современные наукоемкие технологии. – 2024. – № 7. – С. 94-100;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=40091 (дата обращения: 31.10.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674