Информация, необходимая для проектирования систем автоматического управления

Одна из профессиональных задач инженера-технолога в области автоматизации производственных процессов – разработка технического задания на проектирование систем управления технологическим оборудованием. От того, насколько полно и обоснованно составлены технические требования к системам управления, зависит эффективность функционирования и эксплуатации создаваемого технологического оборудования, а равно и стабильное качество выпускаемого продукта, в частности, качество сварного соединения, сварной конструкции.

Для создания систем автоматического управления циклом работы технологического оборудования и систем автоматического регулирования (САР) нужна различная исходная информация, которая должна быть включена в техническое задание. Рассмотрим коротко эту информацию отдельно по каждому виду управления.

1.2.1. Информация, необходимая для проектирования систем управления циклом работы технологического оборудования

Системы управления циклом проектируются обычно одновременно с проектированием механической части технологического оборудования (источников питания дуги, сварочных автоматов и установок). Разработчик систем управления в первую очередь должен знать, какие и в какой последовательности должны выполняться элементарные технологические операции и требуемые по технологии промежутки времени, регламентирующие эту последовательность. Соответствующая информация должна быть подготовлена специалистом, хорошо знающим особенности процесса сварки или другой технологической операции, а также физику процессов обработки предмета труда на каждой рабочей позиции технологического процесса. Эта информация может быть представлена или в форме текста, или, что предпочтительнее, в форме циклограммы

Оформление текстов технического задания по описанию последовательности выполнения элементарных операций или соответствующих этим текстам циклограмм не регламентировано какими-либо обязательными правилами ни по форме, ни по содержанию. Однако в любом случае необходимо стремиться к тому, чтобы информация воспринималась легко и однозначно. Этому требованию в большей мере отвечает циклограмма - упорядоченная во времени последовательность выполнения совокупности основных и вспомогательных элементарныхопераций, из которых состоит конкретная технологическая операция, например, такие, как операция «сборка под сварку» или «сварка», или обе эти операции в совокупности.

Для примера на рис. 2 представлен один из возможных вариантов изображения циклограммы для процесса точечной контактной сварки при изготовлении сварного узла, состоящего из двух свариваемых деталей. Сборку деталей под сварку и съем готового узла планируется выполнять автоматически. Сам процесс сварки предполагает постановку двух точек последовательно друг за другом.

На циклограмме цикл выполнения каждой элементарной операции изображается прямоугольником произвольной высоты (для наглядности прямоугольник можно заштриховать).

Промежутки времени на циклограмме рекомендуется отмечать качественно, не нормировано; количественное значение этих

Рис. 2. Циклограмма процесса контактной точечной (две точки)

сварки с автоматической сборкой узла под сварку

и его удалением из рабочей зоны после сварки

Изменение какого-либо параметра по величине в ходе процесса целесообразно изображать на отдельной строке как отдельную элементарную операцию, например, так, как это показано на рисунке для такого параметра режима, как усилие сжатия.

В графе циклограммы «Наименование элементарной операции» вместо термина «сварка» следует употреблять там, где это явствует из физики способа сварки, термин «плавление металла».

Кроме циклограммы, техническое задание должно содержать характеристику каждого параметра режима по следующим позициям:

1) наименование параметра и его размерность;

2) рабочее (рабочие) значение параметра;

3) допустимые отклонения (точность) рабочего значения параметра в абсолютных единицах или в процентах от рабочего значения;

4) максимально желаемое значение параметра;

5) минимально желаемое значение параметра;

6) характер изменения параметра в пределах заданного диапазона (или плавно, или дискретно; если дискретно, то указать шаг дискретности);

7) закон изменения (линейно, по экспоненте или как-то иначе);

8) необходимость контроля величины параметра в ходе выполнения операции.

Сведения по всем восьми пунктам и всем параметрам режима, включая и характеристику промежутков времени, отмеченных на циклограмме, целесообразно оформлять в виде таблицы (см. таблицу 1 для циклограммы, изображенной на рис. 2).

Таблица 1

Характеристика параметров режима для сварки толщин 3 + 3 мм

материала 40ХН2МА

При характеристике параметров режима их максимальные значения целесообразно указывать примерно на 20% больше рабочих. Это требование обусловлено двумя обстоятельствами. Во-первых, необходимо иметь запас по величине параметра для возможной его корректировки по ходу выполнения операции; во-вторых, работа на режимах, несколько меньших максимального, характеризуется большей надежностью и стабильностью.

Минимальные значения параметра назначают примерно в 10 раз меньше рабочих, что определяется спецификой конкретных процессов (однозначных и универсальных правил относительно минимальных значений не существует). Например, установлено, что для качественной заварки кратера замкнутого шва при сварке неплавящимся электродом рабочее значение тока сварки следует уменьшать не меньше, чем в четыре раза, что уже может служить ориентиром при назначении минимальной величины этого параметра режима.

Характер изменения параметра режима может быть или плавным, или дискретным; при выборе дискретного характера изменения необходимо указывать шаг дискретности.

Закон изменения параметра может быть или линейным, или нелинейным. В последнем случае закон изменения изображается или на отдельной строке циклограммы, или специальным рисунком (графиком) после таблицы параметров режима.

Необходимость контроля в таблице параметров режима можно отмечать словами «да» или «нет».

Точность для большинства параметров следует выбирать в пределах (3…5)% от рабочего значения.

Кроме всех вышеперечисленных сведений, техническое задание должно содержать и другие требования, относящиеся к проекту системы управления. Например, требования по количеству и размещению пультов управления, размещению органов управления и приборов контроля, требования к блокировкам, обеспечивающим безаварийную эксплуатацию оборудования и т.д. Однако эти вопросы уже выходят за рамки настоящего курса по отведенному на него времени.

1.2.2. Информация, необходимая для проектирования систем автоматического регулирования

Напомним, что применение систем автоматического регулирования обусловлено необходимостью компенсировать (частично или полностью) влияние возмущений на параметры качества продукции. Уже из этой фразы можно заключить, что в объем информации на проектирование систем автоматического регулирования должны войти такие сведения, как перечень параметров качества и наиболее вероятных возмущений, действующих на эти параметры, перечень параметров режима, т.к. компенсировать влияние возмущений в частных случаях можно за счет стабилизации рабочих значений этих параметров. Поэтому в техническом задании необходимы сведения о допустимых отклонениях параметров режима.

Задача определения допустимых отклонений параметров режима может быть решена технологом расчетным путем, если известны математические модели, связывающие параметры качества с параметрами режима, или на основе специально проведенного эксперимента, когда таких моделей нет. В профессиональной деятельности второй путь – экспериментальное исследование – наиболее вероятен, а специфика определения допустимых отклонений в конкретной ситуации зависит с методической точки зрения не от физической природы параметров, а от того, сколько параметров качества и параметров режима принимается во внимание.

Задачу по определению допустимых отклонений параметров режима можно сформулировать следующим образом:

зная рабочие значения параметров режима и соответствующие им параметры качества, по допустимым отклонениям параметров качества определить допустимые отклонения параметров режима.

Рассмотрим некоторые ситуации по мере их усложнения, начиная с простейшей.

Самой простой следует считать ситуацию, когда технологическую операцию можно охарактеризовать одним параметром режима (обозначим этот параметр через Х) и одним параметром качества (обозначим этот параметр через Y). По условию задачи известно Хр, Yр, DYд. Требуется определить DХд. Для решения вопроса необходимо провести эксперимент, позволяющий построить зависимость Y = f (Х).

Порядок определения DХд после проведения эксперимента состоит в следующем:

а) необходимо построить график зависимости параметра качества Y (ось ординат) от параметра режима Х (ось абсцисс) так, чтобы он проходил через точку с заданными рабочими координатами параметров процесса или близко от нее;

б) если график нелинейный, следует провести касательную к нему в рабочей точке и далее работать с касательной;

в) от заданного значения параметра качества отложить вверх (вниз) по оси ординат его допустимое значение DYд и, используя касательную, определить максимально (минимально) допустимое значение параметра режима на оси абсцисс;

г) определить допустимое отклонение параметра режима (статическую точность стабилизации этого параметра) как разность

между рабочим значением и его максимальным (минимальным) значением.

Предположим для примера, что параметром режима является ток дуговой сварки (Iр = 80 А), а параметром качества – ширина шва (Ер = 8 мм) стыкового соединения. При этом DЕд = ±1 мм.

Рис. 3. Определение допустимого отклонения тока сварки

Изменим, незначительно усложнив, исходную ситуацию: пусть параметров качества будет два (Y1, Y2) и по-прежнему один параметр режима (Х).

Порядок определения DIд в этой ситуации предполагает построение по результатам эксперимента двух графиков: один для зависимости Y1 = f (Х), другой для зависимости Y2 = f (Х). По первой зависимости так же, как показано на рис. 3, определяется допустимое отклонение DХд1, при котором обеспечиваются допустимые значения параметра Y1, по второй - DХд2, при котором обеспечивается требуемое качество параметра Y2.

Если оказалось, как это обычно бывает, что отклонения DХд1 и DХд2 не равны, для окончательного решения следует выбрать меньшее из них, т.к. только в этом случае будет гарантировано качество и для Y1, и для Y2.

Теперь можно сделать обобщение: если конкретная ситуация характеризуется одним параметром режима и количеством параметров качества больше одного, из всех локальных (частных) допустимых отклонений параметра режима окончательно как максимально допустимое должно быть выбрано наименьшее.

Во всех этих ситуациях решение о максимально допустимом отклонении единственное и однозначное.

Рассмотрим простейшую ситуацию, которая принципиально отличается от предыдущих тем, что допускает множество решений (теоретически – бесконечное множество).

Пусть параметров режима два (Х1 и Х2), а параметров качества один (Y). Для этой ситуации должен быть проведен эксперимент, позволяющий построить графики для двух зависимостей: Y = f(Х1) при Х2 = Х2р и Y = f(Х2) при Х1 = Х1р. Предположим, что эксперимент проведен и графики построены (напомним, если графики нелинейны, следует провести касательные к ним через точки с рабочими значениями параметров).

Дальнейшие действия состоят в следующем:

а) по каждому из графиков определяют так называемые коэффициенты влияния:

К_Х1 = DY/DX1 и К_Х2 = DY/DX2,

для чего задают любое удобное значение DY, используя которое, находят из графиков соответствующие значения DХ1 и DХ2, после чего определяют численные значения коэффициентов влияния (предположим для примера, что К_Х1 = 0,5 и К_Х2 = - 0,2);

б) составляют уравнение для допустимого отклонения параметра качества, используя числовые значения коэффициентов К:

DYд = 0,5DХ1 + 0,2DХ2. (1)

Знаки слагаемых в уравнении (1) должны быть одинаковыми, если даже коэффициенты К имеют разные знаки; это правило обусловлено двумя обстоятельствами: во-первых, отклонения параметров режима от рабочих значений независимы друг от друга, и, во-вторых, допустимые отклонения параметров режима целесообразно определять для условия, при котором отклонения параметра качества, вызванные тем и другим параметром режима, суммируются.

Далее заменяют DYд на его числовое значение, которое по условию задачи, напомним, должно быть известно.

Пусть DYд = 1, тогда

1 = 0,5DХ1 + 0,2DХ2. (2)

Требуемое качество будет обеспечено, если при одновременно возникших отклонениях сумма слагаемых правой части уравнения (2) будет равна единице или будет меньше единицы. Таких парных решений для значений DХ1 и DХ2 может быть теоретически бесчисленное множество. Выбрать конкретное решение для значений DХ1 и DХ2 – дело разработчика систем автоматического регулирования. Уравнение (2) может быть представлено геометрически в координатах DХ1 и DХ2 прямой линией, которую можно назвать линией равного уровня для DYд = 1.

Чтобы построить линию равного уровня, удобнее всего найти две ее точки, одна из которых лежит на оси DХ1, другая – на оси DХ2. Так, для уравнения (2) при DХ2 = 0 DХ1 = 2, а для DХ1 = 0 DХ2 = 5. Линия равного уровня, проходящая через точки с

а) б)

Рис. 4. Построение области допустимых отклонений

параметров режима

координатами DХ2 = 0; DХ1 = 2 и DХ1 = 0; DХ2 = 5, показана на рис. 4,а. Треугольник, образованный отрезками координатных осей и линией равного уровня, называется областью допустимых отклонений (ОДО) параметров режима. Любая точка, взятая на границе этой области, определяет пару максимально допустимых отклонений для параметров Х1 и Х2, для чего достаточно из взятой точки провести перпендикуляры на каждую из координатных осей. Если координаты точки таковы, что она располагается внутри ОДО, - качество будет выше, т.е. отклонения DYд будут меньше максимально допустимых. Если точка располагается за пределами ОДО, - качество будет хуже, т.е. отклонения DYд будут больше максимально допустимых.

Таким образом, в техническом задании на проектирование систем автоматического регулирования должно быть указано или уравнение линии равного уровня, позволяющее вычислить максимально допустимые отклонения для параметров режима, или приведена область допустимых отклонений, когда геометрическая интерпретации возможна.

В том случае, когда при двух параметрах режима параметров качества два и более, уравнения и линии равного уровня строятся для допустимого отклонения каждого параметра качества. Так, на рис. 4,б область допустимых отклонений построена для двух параметров качества и ограничена отрезками координатных осей и ближайшими к ним отрезками «аб» и «бв» линий равного уровня.

Если параметров режима три и более, для определения допустимых отклонений параметров режима становится целесообразным проведение полного или дробного факторного эксперимента с центром в точке с рабочими значениями параметров режима. Результат такого эксперимента может быть представлен системой уравнений, связывающих количественно параметры качества с параметрами режима в пределах области изменения (варьирования) параметров режима при проведении эксперимента. Например, для четырех параметров режима (Х1, Х2, Х3, Х4) и двух параметров качества (Y1, Y2) система уравнений может иметь следующий вид:

Y1 = Ко1 + К1*Х1 + К2*Х2 + К3*Х3 + К4*Х4;

Y2 = Ко2 + К5*Х1 + К6*Х2 + К7*Х3 + К8*Х4.

Все коэффициенты К для этих уравнений количественно определяются по результатам эксперимента. Подробно планирование полного факторного эксперимента и обработка его результатов изложены в [2].

Итак, можно сформулировать еще одно обобщение: если параметров режима больше одного, то независимо от количества параметров качества решений по поводу значений максимально допустимых отклонений параметров режима может быть множество.

Кроме параметров режима, процесс сварки характеризуется также параметрами пространственного положения сварочного инструмента. Основными из этих параметров являются: отклонение электрода в сторону от стыка; установочная длина дуги (расстояние от конца электрода до поверхности изделия, выставляемое перед началом сварки) и наклон оси электрода к поверхности изделия.

По поводу этих параметров в техническом задании на разработку соответствующих систем автоматического регулирования должны быть указаны, так же как и для параметров режима, допустимые отклонения от заданных рабочих значений.

Относительно допустимого смещения в сторону от стыка и допустимого отклонения от заданной величины угла наклона вопрос для конкретных ситуаций решается обычно на основе результатов специально организованного эксперимента.

По поводу допустимого отклонения установочной длины дуги на основании многолетнего опыта установлено, что при сварке неплавящимся электродом в широком диапазоне сварочных токов (примерно от 80 до 500 А) при стабилизации установочной длины дуги с точностью ± 0,5 мм обеспечивается желаемое качество процесса сварки. При сварочных токах меньше 80 А точность стабилизации должна быть примерно в два раза выше. При сварке на токах выше 500 А точность стабилизации может быть несколько ниже, например, ± 0,8 мм или даже ±1,0 мм.

Если изделие, которое подлежит сварке, имеет кривизну свариваемого соединения в горизонтальной или в вертикальной плоскости, обусловленную конструкцией изделия, в техническом задании следует дать эскиз соединения с размерами, характеризующими кривизну, или приложить к техническому заданию чертеж изделия, позволяющий количественно судить о кривизне соединения.

Поскольку для отслеживания кривизны потребуется применять специальный датчик, разработчику системы автоматического регулирования обязательно потребуется информация о сборочных приспособлениях и поперечном сечении собранного под сварку соединения. Эти сведения нужны для того, чтобы правильно выбрать габариты датчика (датчиков), а также способ и место его (их) размещения на сварочном оборудовании.

В заключение подчеркнем, что грамотно и полно разработанное техническое задание – залог успешного проектирования автоматической системы управления любым объектом, независимо от его физической природы.