Информационно-измерительная система для исследования процесса электрохимического осаждения покрытий

Покрытия с заранее заданными эксплуата-       Структурная схема автоматизированной

ционными свойствами за последнее время приобретают значительный удельный вес в современной промышленности. Одновременно повышаются требования, предъявляемые к технологии электроосаждения серебра и физико-химическим свойствам получаемых осадков. В лаборатории «Наноструктурированных покрытий» СамГТУ была разработана и внедрена в производство автоматизированная система управления технологическим процессом электрохимического серебрения. Основные свойства формируемых покрытий при заданном составе электролита определяются параметрами и формой технологического тока, которые рассчитываются и задаются на основе анализа показателей процесса и полученной модели, связывающей их со свойствами покрытий. Разработанная система используется вместе с автоматизированной информационно-измерительной экспертной системой. В этом случае измерительная система корректирует параметры тока и напряжения в соответствии с реальной ситуацией в ванне с электролитом. При разработке системы необходимо предусмотреть режимы ручного управления. В этом случае параметры процесса задаются с клавиатуры или внешнего генератора управляющего сигнала.

Марков Александр Сергеевич, студент

Марков Владимир Сергеевич, студент информационной и управляющей системы приведена на рис. 1 (система управления током выделена штриховой линией).

В автоматизированной системе выделены следующие структурные элементы и влияющие величины:

• -    безцианистый дицианоаргентатный электролит с добавление УДА. Непрерывному измерению подлежат такие величины как температура, показатель PH, проводимость. Состав электролита определяется периодическим отбором проб;

• -    процесс формирования функциональных серебряных покрытий характеризуется функциональными свойствами получаемых покрытий, таких как износостойкость, твердость, блеск, адгезия, шероховатость, пористость и показателями производительности процесса, такими как скорость осаждения, расход электролита, потребляемая мощность;

• -    источник технологического тока, формирующий управляющие воздействия (амплитуда тока нанесения и коэффициент асимметрии);

• -    исполнительная часть автоматической системы управления технологическим процессом, осуществляющая формирование сигнала формы технологического тока;

• -    автоматизированная информационноизмерительная экспертная система, осуществляющая сбор данных и передачу этой информации в автоматическую систему управления для принятия решений о коррекции процесса, индикацию и регистрацию основных параметров.

  
  
  

Рис. 1. Информационно-измерительная и управляющая система

Используемый в разработанной системе источник тока обладает следующими характеристиками, показанные в таблице 1. Исполнительная часть системы управления обеспечивает возможность задания параметров типовых силовых сигналов, формируемых источником тока по интерфейсу RS-232. При этом осуществляется включение / выключение источника, определение режима (ток / напряжение), определяется форма тока (постоянный уровень, меандр, гармонический сигнал с постоянной составляющей, асимметричный синус) и задаются такие параметры как:

• -    постоянный уровень (в систему управления

от внешней ЭВМ передается значение напряжения / тока);

• -    меандр (от внешней ЭВМ передается значение амплитуды, частоты и постоянной составляющей напряжения / тока);

• -    гармонический сигнал с постоянной составляющей (от внешней ЭВМ передается значение амплитуды, частоты и постоянной составляющей напряжения / тока);

• -    асимметричный синус (от внешней ЭВМ передается значение частоты амплитуды верхней полуволны и амплитуды нижней полуволны).

Таблица 1. Характеристики источника технологического тока

максимальная частота выходного сигнала, Гц	200
тип задания выходного сигнала	ШИМ- последовательность
частота управляющего сигнала, кГц	5
максимальная амплитуда выходного сигнала, В	24
максимальная амплитуда тока, А	50
режимы стабилизации	напряжение / ток
напряжение питания источника тока, В	220
частота питающего напряжения, Гц	50-60
уровень подавления частоты ШИП на выходе, при сопротивлении нагрузки 0,5 Ом. дБ	не менее 40
температура эксплуатации, ºC	от -10 до +40
габариты, см	13x22x45
масса, кг	18

Параметры протокола обмена данными: скорость передачи данных 9600 бит/с, количество бит данных 8, стоп-бит – 1, старт бит – 1, контроль четности отсутствует, управление потоком отсутствует. Система даёт возможность задания мгновенных значений выходного силового сигнала, формируемого источником тока, отсчетами входного управляющего аналогового сигнала с учетом заданного масштаба. Предельные значения входного аналогового сигнала составляют ±10 В. Граничная частота в спектре сигнала 200 Гц. Таким образом, в рассматриваемом режиме управления от входного аналогового сигнала за один период управляющего ШИМ-сигнала (частота 5 кГц, период 0,2 мс) система совершает аналого-цифровое преобразование, вычисляет соответствующую полученному значению отсчета ширину импульса или скважность и далее формирует импульс ШИМ- сигнала. Указанные особенности функционирования системы определяют ее быстродействие и тот факт, что в рассматриваемом режиме выходной сигнал будет запаздывать относительно входного минимум на 0,2 мс. Система управления имеет возможность работать в автономном режиме, т.е. без входных управляющих сигналов. В этом режиме форма и параметры тока задаются с панели управления системы посредством элементов ввода и отображения информации. В автономном режиме также задается последовательность изменения амплитуды тока верхней и нижней полуволны и длительность их действия для получения градиентных покрытий с параметрами, меняющимися по толщине. Информационно-измерительная система предназначена для первичного преобразования. Структурная схема, разрабатываемая ИИС, приведена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема информационно-измерительной системы

В рассматриваемой схеме выделены следующие структурные элементы: Дt – датчик температуры, служит для преобразования температуры электролита в ванне в электрические сигналы; Дu.ист – датчик напряжения на источнике технологического тока; Дu.в. – датчик напряжения на клеммах электродов ванны; ДI – датчик тока цепи; У1 - У4 – усилители сигнала. Данные усилители выполняют две функции: масштабирование сигнала с датчиков и согласование сопротивлений датчиков и входных сопротивлению АЦП; АЦП – аналогово-цифровой преобразователь для преобразования аналоговых сигналов в цифровой код; ИОН – источник опорного напряжения, необходим для высокоточной работы АЦП; дисплей – жидкокристаллический индикатор, который служит для вывода информации для пользователя; клавиатура – кнопочный блок для ввода параметров и управление меню ИИС; МК – микроконтроллер, управляет работой АЦП и дисплея, обрабатывает поступающую информацию, подает управляющие сигналы на исполнительную часть; RS485 – преобразователь интерфейса UART микроконтроллера в RS-485; RS-232 – преобразователь интерфейса UART микроконтроллера в RS232.

Подключение периферийных устройств, таких как, клавиатура, дисплей, внешняя ЭВМ, исполнительная часть системы управления подразумевает разработки или использования стандартных протоколов обмена данными. Для записи, визуализации, обработки и хранения сигналов, отображающих технологические параметры гальванического осаждения покрытий, разработан пакет прикладных программ, имеющий возможность формирования отчетного протокола технологической обработки деталей, регистрируемых с помощью аналого-цифровых преобразователей. Рабочей программе присвоено имя «Galvanic sedimentation». Программа работает в среде Windows XP-Windows 7. Программа представляться в виде дистрибутива исполняемого файла и содержит средство защиты, ограничивающих ее применение (по сроку использования, по функциям и т.п.). На рис. 3 представлен внешний вид всего комплекса. Аппаратный комплекс состоит из блоков управления режимами работы источника тока серебрения в соответствии с описанием приведенным выше.

КАНАЛ

УПРАВЛЕНИЯ

ВАННЫ ОБЕЗЖИРИВАН

ИНДИКАТОРЫ АКТИВНОГО СИГНАЛА РЕГУЛЯТОРА

КАНАЛ

УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРО ВАННЫ

ПРОМЫВКИ

КАНАЛ

УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРО

ВАННЫ МЕДНЕН

КАНАЛ УПРАВЛЕНИ ЦИРКУЛЯЦИЕ

КАНАЛ УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРО ВАННЫ СЕРЕБРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ pH

КНОПКИ "ПУСК" РЕГУЛИРОВА НИЯ

КНОПКИ "СТОП" РЕГУЛИРОВА НИЯ

'/Д^Т

БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ВСТРОЕННЫМ И ТИПОВЫМИ РЕЖИМАМИ ИСТОЧНИКА

ТОКА СЕРЕБРЕНИЯ

БЛОК ПРАВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКОМ

ТОКА ПРОЦЕССА МЕДНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ

БЛОК УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ ИСТОЧНИКОМ ТОКА СЕРЕБРЕНИЯ

Рис. 3. Внешний вид аппаратного комплекса системы управления процессом серебрения

Выводы: в результате разработки информационно-измерительной и управляющей системы появилась возможность промышленного использования технологического экологически-безопасного процесса получения электрохимических серебряных покрытий с использованием бесцианистого электролита на асимметричном переменном токе. Это стало возможным путем выполнения следующих условий:

• -    повышение точности стабилизации температуры, электрической проводимости и показателя pH электролита, а также введение в процесс серебрения соответствующих указанным величинам информационных каналов контроля, управления и регистрации;

• -    обеспечение возможности управления частотой асимметричного тока. До этого в процессе серебрения использовался ток промышленной частоты 50 Гц. При этом невозможно было получать покрытия с требуемой шероховатостью, а также возникали поверхностные дефекты. В результате внедрения системы появилась возможность управлять плотностью покрытий, обеспечивая градиент механических свойств;

• -    повышение точности установки тока серебрения, что обеспечило равномерность покрытий по толщине и прогнозирование свойств покрытий;

• -    обеспечение возможности независимого изменения коэффициентов асимметрии тока в широких пределах, что позволило гибко управлять показателями механической прочности получаемых покрытий;

• -    автоматизация процесса управления технологическими режимами, определяемыми током, напряжением, частотой;

• -    внедрение программного обеспечения, позволяющего регулировать технологические режимы в процессе осаждения путем программного изменения тока, коэффициента асимметрии и частоты во времени. Это позволяет уменьшить количество работников, повысить производительность и снизить требования к квалификации оператора линии (при этом уменьшается влияние человеческого фактора).

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, в рамках выполнения ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20072013 годы», госконтракт № 14.518.11.7023.

INFORMATION AND MEASURING SYSTEM FOR RESEARCHTHE PROCESS OF ELECTROCHEMICAL SEDIMENTATIONOF COVERINGS

Alexander Markov, Student

Vladimir Markov, Student