Автоматизированная система для экспериментальных исследований сварочных процессов на основе ВК М-6000

14.07.2018
При экспериментальных исследованиях процессов сварки много времени затрачивается на расшифровку и обработку данных, измеренных с помощью осциллографов, самописцев и других регистрирующих приборов. В одной из работ описана автоматизированная система сбора и обработки экспериментальной информации, в которой параметры процесса измерялись специальным цифровым регистрирующим устройством, а вычислительная машина «Минск-22» использовалась в основном для пакетной обработки.

В дальнейшем в ИЭС была создана автоматизированная система управления научными исследованиями (АНИ), проводимыми с целью разработки новых систем автоматического управления сварочными процессами на базе мини-ЭВМ (АСУ ТП СВ).

Современные мини-ЭВМ благодаря высокому быстродействию, наличию развитой системы устройств для связи с объектом и программного обеспечения, приемлемому объему памяти и относительно небольшой стоимости широко применяются в системах автоматизации научных исследований. Использование таких систем для лабораторных измерений дает ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционными средствами. Так, одна и та же аппаратура может использоваться для решения многих задач. Данные обрабатываются в реальном времени, а это позволяет активно экспериментировать, т. е. измерять и анализировать данные в ходе эксперимента и своевременно вносить коррективы, что невозможно при пакетной обработке. Особенно целесообразно использовать системы АНИ на основе мини-ЭВМ при исследовании технологических процессов с целью создания математических моделей этих процессов, а также при отработке алгоритмов и макетов автоматизированных систем управления.

Система АНИ разрабатывалась с учетом необходимости ее применения в экспериментах по различным способам сварки. Аппаратурная часть системы скомпонована на базе агрегатных модулей ACBT-M вычислительного комплекса М-6000. Математическое обеспечение построено по модульному принципу и включает стандартные программы управления вводом-выводом, трансляторы с языков МНЕМОКОД и ФОРТРАН, систему БЭЙСИК, а также проблемно-ориентированные программы для работы в реальном времени с различными объектами.

На систему возлагались следующие основные функции:

- измерение, сбор и первичная обработка данных о процессе сварки;

- контроль состояния оборудования и параметров режима сварки;

- статистическая обработка данных эксперимента и расчет математических моделей;

- исследование моделей, отработка алгоритмов контроля качества сварных соединений и управления процессом;

- макетирование систем управления и их исследование на физических моделях.

Предусматривалась также возможность расширения функций системы путем включения дополнительных аппаратурных и программных модулей.

Структурная схема системы представлена на рис. 1. В нее включен процессор М-6000 с оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) на 16 тыс. слов и арифметическим расширителем.

С помощью аналого-цифрового преобразователя, коммутаторов среднего и низкого уровней, модулей управления коммутаторами, а также нормирующих усилителей с аналоговых датчиков снимается информация.

Показания двухпозиционных датчиков вводятся через модули группового управления вводом дискретной информации, модули ввода инициативных и дискретных сигналов, а также модули ввода число-импульсных сигналов.

Для вывода управляющих сигналов применяются модули группового управления выводом дискретной информации, бесконтактные и контактные модули кодового управления, модули позиционного управления, а также цифро-аналоговые преобразователи.

При использовании всех модулей комплекса № 3 BK М-6000 к системе можно подключить 167 аналоговых датчиков, 184 двухпозиционных и 5 число-импульсных. Возможное количество управляемых выходов зависит от типа подключаемых устройств, например, при управлении двухпозиционными механизмами оно составляет 120.

Для связи системы с оператором используются перфоратор ПЛ-150, фотосчитыватель FS-1501, устройство печати с клавиатурой «Консул», дисплей СИД-1 000 и телетайп Т-63. Кроме того, имеется многоканальный магнитофон и самописец Н327-5.

Программное обеспечение (ПО) системы АНИ состоит из внутреннего ПО BK М-6000 и внешнего ПО (рис. 2). Основная часть программ внешнего ПО составлена на алгоритмическом языке ФОРТРАН. Программы обслуживания периферийных устройств (датчиков и исполнительных элементов) написаны на МНЕМОКОДе. В зависимости от решаемой задачи можно использовать различный формат представления данных: с фиксированной запятой при необходимости максимальной скорости обработки (при этом длина слова 16 или 32 бита выбирается с учетом точности вычисления); с плавающей запятой при отсутствии строгих ограничений по быстродействию.

Основу внешнего ПО составляют программы статистического анализа и программы экспериментальных исследований. Для статистического анализа данных разработаны следующие программы:

- проверка закона распределения по методу Колмогорова;

- проверка однородности дисперсий по критерию Кохрена;

- двухфакторный дисперсионный анализ;

- расчет средних значений, дисперсий и коэффициентов корреляции; расчет математических моделей по методу регрессионного анализа с пошаговым исключением незначимых факторов;

- расчет среднеквадратичного и относительного отклонения;

- расчет амплитудно-частотных характеристик.

Для экспериментальных исследований в Институте электросварки разработаны программные модули:

- сбор, регистрация и накопление данных. Программа осуществляет последовательный опрос датчиков параметров процесса сварки, анализирует, какая операция цикла сварки выполняется машиной и с заданной для каждой операции частотой опроса измеряет текущие сигналы датчиков, формируя массивы данных; контроль состояния оборудования;

- первичная обработка данных. По массивам мгновенных сигналов датчиков программа рассчитывает требуемые параметры процесса. Модификация этого модуля вычисляет в реальном времени параметры процесса, необходимые для расчета регулирующего воздействия;

- проверка моделей (расчет моделей со структурой полинома первого и второго порядка);

- уточнение моделей по методу регрессионного анализа или по методу стохастической аппроксимации;

- обеспечение формирования управляющего воздействия с помощью цифро-аналогового преобразователя для исполнительных устройств с аналоговым входом;

- модуль диалога, позволяющий исследователю ввести в память системы данные о результатах эксперимента и включить в работу требуемую подпрограмму, находящуюся в памяти ЭВМ.

На основе перечисленных программных модулей созданы рабочие программы накопления экспериментальных данных, экспериментальной проверки и уточнения моделей контроля и регулирования

Система применялась при исследовании процесса контактной точечной сварки легких сплавов и сталей. На сварочной машине были установлены датчики параметров режима (усилия сжатия, сварочного тока, напряжения между электродами) и датчики состояния оборудования (наличия воды, воздуха и напряжения в сети). Аналоговые датчики через нормирующие преобразователи подключены к модулям аналогового ввода BK М-6000, а датчики состояния оборудования — к модулям дискретного ввода. Для регулирования процесса к ЭВМ подключена схема управления сварочным током. Алгоритм исследования процесса точечной сварки приведен на рис. 3.

Область исследования процесса, как известно, целесообразно ограничить допустимыми отклонениями параметров режима с центром, соответствующим оптимальному режиму сварки. Область оптимальных режимов определяется методом последовательного симплекс-планирования. В найденной области производилось исследование влияния параметров режима на диаметр литого ядра сварной точки, а также степень взаимной связи этих параметров с целью определения переменных, которые целесообразно включить в модель процесса. Параметры опытной сварки измеряли и регистрировали системой АНИ с использованием программы накопления экспериментальных данных. Полученные массивы данных обрабатывались программой расчета средних значений дисперсий и коэффициентов корреляции. При построении модели в нее включались переменные, которые, с одной стороны, значимо связаны с выходным параметром процесса а, с другой, не имеют высокой взаимной связи. Математическая модель процесса строилась с помощью программы расчета моделей по методу регрессионного анализа с пошаговым исключением незначимых членов. Точность полученных моделей проверялась по результатам опытной сварки образцов при изменении ее режимов и возмущающих воздействий в заданном диапазоне. При этом использовалась программа экспериментальной проверки моделей. Результаты эксперимента обрабатывались программой расчета среднеквадратичного и относительного отклонения для оценки ошибки прогнозирования по каждой модели. На основе анализа полученных данных производился окончательный выбор математической модели процесса.

Исследовалась точечная сварка легких сплавов толщиной 2...3 мм на контактной машине типа МТПТ-400. Описанные эксперименты проводились в условиях механического завода. Данные о параметрах режима сварки записывались на измерительный магнитофон, затем в ИЭС считывались с магнитной ленты в ОЗУ и обрабатывались на ЭВМ. Для качественного анализа информация с магнитофона выводилась также на самописец (рис. 4).

Рассмотрим работу программы экспериментальной проверки моделей (рис. 5). Перед сваркой с помощью модулей диалога и формирования управляющего воздействия можно задать сварочный ток через телетайп. В начале массива данных (рис. 6) число 040 соответствует требуемому току, а буква У определяет смысл введенной информации «управляющее воздействие». В ходе выполнения сварки по значениям сигналов датчиков анализируется текущая операция (предварительное сжатие, сварка, проковка) и с заданной для каждой операции частотой формируется массив мгновенных значений сварочного тока, напряжения между электродами и усилия сжатия. После окончания сварки по полученным данным рассчитывается энергия, выделившаяся в сварочном контакте, и сопротивление между электродами. Предусматривается возможность печати либо всех мгновенных значений параметров, либо только совпадающих с максимальными значениями тока сварки, либо, наконец, текущих значений до первого максимума и далее только соответствующих максимумам тока.

В приведенном примере распечатаны мгновенные значения усилия сжатия F, напряжения между электродами U, сварочного тока I, сопротивления R и энергии Q. После печати массива мгновенных значений рассчитывается и печатается среднее сварочное усилие сжатия FC, относительное изменение сопротивления за время сварки R = R1-R2/R1, где R1 и R2 — соответственно максимальное и минимальное сопротивление R за время сварки. Все данные выводятся в относительных единицах.
Автоматизированная система для экспериментальных исследований сварочных процессов на основе ВК М-6000

Информация о параметрах процесса обрабатывается модулем проверки моделей. При этом рассчитывается диаметр ядра сварной точки по пяти моделям, отличающимся своей структурой. Точность расчета выбрана до второго знака после запятой, т. е. число 447 означает 4,47 мм. Анализ полученной информации позволяет выбрать оптимальную структуру модели.

В дальнейшем предполагается расширение системы добавлением магнитных дисков, что позволит существенно повысить ее эффективность как при разработке программ, так и при проведении экспериментальных исследований.

Применение разработанной системы позволило значительно сократить время исследований, а также выполнить более сложные эксперименты, например исследовать макет системы регулирования точечной сварки с обратной связью по математической модели процесса. В целом система АНИ гибка, точна и оперативна при обработке данных и может быть рекомендована для использования при экспериментальном исследовании технологических процессов.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: