novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.23.462-472novtexmech-1246Research ArticleАВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИAUTOMATION AND CONTROL TECHNOLOGICAL PROCESSESРазработка и исследование системы оптимального управления гальваническими процессами в ваннах со многими анодамиDevelopment and Research of the Optimal Control System of Electroplated Processes in Multi-Anode BathsСоловьевД. С.SolovjevD. S.

Д. С. Соловьев, канд. техн. наук, доц.

Solovjev D. S., Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor

Tambov, 392000

solovjevdenis@mail.ruСоловьеваИ. А.SolovjevaI. A.

И. А. Соловьева, ассистент

Tambov, 392000

good.win32@yandex.ruТамбовский государственный университет имени Г. Р. ДержавинаРоссияTambov State University named after G. R. DerzhavinRussian Federation202206092022239462472Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20222022Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1246

Рассматривается проблема повышения равномерности распределения толщины гальванических покрытий на поверхности обрабатываемых деталей. Проведен анализ управляющих воздействий, оказывающих влияние на равномерность гальванического покрытия, в ходе которого отдано предпочтение использованию ванн со многими анодами. Существующие режимы протекания гальванического процесса в ваннах со многими анодами не находят широкого распространения вследствие конструктивной сложности реализации, возникающей из-за необходимости обеспечения равномерности толщины получаемого покрытия для многономенклатурных производств. Авторами предлагается режим протекания гальванического процесса, в ходе которого отыскивается оптимальное число и размеры анодов, а также сила тока и длительность его протекания через каждый из анодов, которые обеспечивают выравнивание распределения силовых линий электрического поля в электролите между анодами и поверхностью покрываемой детали. Для реализации оптимального управления предлагаемым режимом разработана структура системы управления (математическая модель, поисковый алгоритм, управляющее и исполнительное устройства) с обратной связью по силе тока через поверхность детали и предложен алгоритм ее работы (на базе ПИД закона и релейного управления), практическая реализация которых осуществлена с использованием инструментального программного комплекса промышленной автоматизации CoDeSys V2.3 на языке программирования функциональных блоков FBD. На примере нанесения цинкового покрытия на Z-образную деталь найдено оптимальное управление предлагаемым режимом протекания гальванического процесса. В результате имитационного моделирования найденного режима осуществлена настройка контура регулирования в целях достижения минимума интеграла от квадрата отклонения уставки и продемонстрирована корректность алгоритма работы системы управления с точки зрения получаемого относительного отклонения средней толщины покрытия в 5 %, что сопоставимо с погрешностью современных толщиномеров.

The relevance of increasing the distribution uniformity of the electroplated coating thickness on the surface of details is considered in the article. The analysis of control actions that affect the uniformity of the electroplated coating thickness was carried out, during which preference was given to the use of multi-anode baths. The existing modes of the electroplated process in multi-anode baths aren’t widely used due to the constructive implementation complexity arising from the need to ensure the uniformity of the resulting coating thickness for multi-assortment industries. The authors propose an electroplated process mode, during which the optimal number and anodes size are found, as well as the current and duration of its flow through them, which ensure the alignment of the electric field lines distribution in the electrolyte between the anodes and the coated detail surface. The control system structure (mathematical model, search algorithm, control and actuator) with feedback on the current through the detail surface is designed to implement considered mode optimal control and an algorithm for its operation (based on the PID law and relay control) is proposed. The practical implementation was carried out using the industrial automation software package CoDeSys V2.3 in the programming language FBD. The proposed mode optimal control was found on the example of applying a zinc coating to a Z-shaped detail. As a result of simulation modeling, the control loop was tuned to the squared deviation integral minimum of the setpoint and the correctness of the control system operation algorithm was demonstrated by a relative average coating thickness deviation up to 5 %, which is comparable to the error of modern thickness gauges.

имитационное моделированиесистема оптимального управленияструктурная схемаалгоритмгальванический процессванна со многими анодамиsimulation modelingoptimal control systemstructural schemealgorithmelectroplated processmultianode bathReferencesВинокуров Е. Г., Бурухина Т. Ф., Гусева Т. В. Гальваническое производство в России: оценочный подход, задачи повышения ресурсной и экологической эффективности // Технология металлов. 2020. № 7. С. 2—6.Vinokurov E. G., Burukhina T. F., Guseva T. V. Electroplating industry in Russia: assessment approach, improvement tasks of resource and environmental effectiveness, Tekhnologiya metallov, 2020, vol. 7. pp. 2—6 (in Russian).Деулин Б. И. Ионообменная установка для экспрессанализа концентрации ионов в растворах электролитов // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2013. № 1 (104). С. 31—33.Deulin B. I. Ion exchange installing for express analysis the concentration of ion in the electroyte solution, Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2013, vol. 1, no. 104, pp. 31—33 (in Russian).Асеева А. В., Попов А. Н. Эжекторное перемешивание растворов в гальванотехнике // Гальванотехника и обработка поверхности. 2004. Т. 12, № 1. С. 44—49.Aseeva A. V., Popov A. N. Ejector mixing of solutions in electroplating, Gal’vanotekhnika i obrabotka poverhnosti, 2004, vol. 12, no. 1, pp. 44—49 (in Russian).Милованов И. В., Васильев С. А. Выбор и управление температурными режимами в гальванических ваннах // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2002. Т. 8, № 3. С. 473—478.Milovanov I. V., Vasilyev S. A. Choice and control of temperature modes in electroplating baths, Vestnik Tambovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2002, vol. 8, no. 3, pp. 473—478 (in Russian).Варенцов В. К., Юсин С. И., Варенцова В. И. Влияние плотности тока и скорости протока раствора на динамику осаждения меди на электроды из углеродных волокнистых материалов // Химия в интересах устойчивого развития. 2009. Т. 17, № 4. С. 349—358.Varentsov V. K., Yusin S. I., Varentsova V. I. Effect of current density and solution flow rate on the dynamics of copper precipitation on the electrodes made of carbon fibrous materials, Himiya v interesah ustojchivogo razvitiya, 2009, vol. 17, no. 4, pp. 349—358 (in Russian).Банников А. А., Литовка Ю. В. Оптимальное размещение катодов в автоматизированной системе управления гальванической ванной // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2021. № 3 (65). С. 3—9.Bannikov A. A., Litovka Yu. V. Optimal placement of cathodes in an automated control system for a galvanic bath, Vesti vysshih uchebnyh zavedenij Chernozem’ya, 2021, vol. 3, no. 65, pp. 3—9 (in Russian).Дьяков И. А. Система управления выпрямителем многоанодных гальванических ванн // Радиотехника. 2010. № 12. С. 52—54.D’yakov I. А. Control system of the rectifier of multianode galvanic baths, Radiotekhnika, 2010, vol 12, pp. 52—54 (in Russian).Пчелинцева И. Ю., Литовка Ю. В. Система автоматизированного управления процессом нанесения гальванического покрытия в ванне с токонепроводящим экраном // Мехатроника, автоматизация, управление. 2022. Т. 23, № 4. С. 188—196.Pchelintseva I. Yu., Litovka Yu. V. Automated control system for the process of electroplating in a bath with a non-conductive of electric current screen, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2022, vol. 23, no. 4, pp. 188—196 (in Russian).Соловьев Д. С., Као В. З., Литовка Ю. В. Оптимальное управление технологическим процессом нанесения гальванического покрытия в ванне с дополнительными катодами и биполярными электродами // Мехатроника, автоматизация, управление. 2016. Т. 17, № 8. С. 547—553.Solovjev D. S., Cao V. Z., Litovka Yu. V. Optimal control for the electroplating process based on the supplementary cathode and bipolar electrode, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2016, vol. 17, no. 8, pp. 547—553 (in Russian).Бутягин П. И., Большанин А. В., Арбузова С. С. Влияние межэлектродного расстояния и соотношения площадей катода и анода на скорость формирования и состав МДО покрытий // Гальванотехника и обработка поверхности. 2021. Т. 29, № 1. С. 4—8.Butyagin P. I., Bolshanin A. V., Arbuzova S. S. Influence of the interelectrode distance and the ratio of the cathode and anode areas on the formation rate and properties of MAO coatings, Gal’vanotekhnika i obrabotka poverhnosti, 2021, vol. 29, no. 1, pp. 4—8 (in Russian).Милованов И. В. Моделирование и оптимизация токовых режимов в процессах нанесения гальванопокрытий // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2002. Т. 8, № 4. С. 603—611.Milovanov I. V. Modeling and optimization of current regimes in the process of electroplated coatings, Vestnik Tambovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2002, vol. 8, no. 4, pp. 603—611 (in Russian).Лютов А. Г., Ишкулова А. Р. Автоматизированная система экстремального управления процессом нанесения гальванического покрытия в ванне с многосекционными анодами // Мехатроника, автоматизация, управление. 2017. Т. 18, № 3. С. 185—191.Lutov A. G., Ishkulova A. R. Automated system the extreme multidimensional management of process plating, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2017, vol. 18, no. 3, pp. 185—191 (in Russian).Соловьев Д. С., Мукина И. А., Литовка Ю. В. Особенности оптимального управления гальваническими процессами в многоанодной ванне с различными значениями силы тока // Мехатроника, автоматизация, управление. 2017. Т. 18, № 9. С. 631—636.Solovjev D. S., Mukina I. A., Litovka Yu. V. Specific features of the optimal control of the electroplating processes in a multianode bath with different amperage values, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2017, vol. 18, no. 9, pp. 631—636 (in Russian).Дутов А. В., Литовка Ю. В., Нестеров В. А., Соловьев Д. С., Соловьева И. А., Сыпало К. И. Поиск оптимального управления токовыми режимами в гальванических процессах со многими анодами при разнообразии номенклатуры обрабатываемых изделий // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2019. № 1. С. 78—88.Dutov A. V., Sypalo K. I., Solovjev D. S., Litovka Y. V., Solovjeva I. A., Nesterov V. A. Search for the optimal control over current regimes in electroplating processes with multi anodes at a diversified assortment of treated articles, Izvestiya Rossijskoj akademii nauk. Teoriya i sistemy upravleniya, 2019, vol. 1, pp. 78—88 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.