Система автоматизированного управления процессом нанесения гальванического покрытия в ванне с токонепроводящим экраном

Обсуждается разработанная авторами автоматизированная система управления процессом нанесения гальванопокрытий, имеющая двухуровневую архитектуру. На нижнем уровне осуществляется управление технологическими параметрами каждой ванны: стабилизация температуры и уровня электролита в ванне; стабилизация или программное управление электрическим током. На верхнем уровне решается задача расчета оптимальной конфигурации токонепроводящего перфорированного экрана (определяются число и ширина отверстий), обеспечивающей минимальное значение неравномерности нанесения цинкового покрытия. Для этого разработана нелинейная математическая модель гальванического процесса в ванне с перфорированным экраном, отличающаяся от известных добавлением краевых условий на токонепроводящем экране. Отмечено, что нелинейности содержат уравнения модели, описывающие граничные условия вблизи анода и катода гальванической ванны. Поэтому разработан численный метод решения уравнений модели, отличающийся реализацией метода Ньютона в математическом пакете Maxima через перенаправление ввода/вывода. В работе описан алгоритм работы с математическим пакетом, особенностью которого является подготовка команд пакета в текстовом формате и парсинг полученных результатов вычислений также из текстового файла. Применяемый численный метод для решения системы уравнений модели имеет квадратичную скорость сходимости, что указывает на его эффективность на большой сетке, например, из 900 узлов. Многочисленные вычислительные эксперименты показали десятикратный выигрыш во времени по сравнению с традиционным итерационным методом, описанным в известных статьях.

Впервые поставлена и решена задача дискретной оптимизации для разработанной автоматизированной системы управления процессом нанесения гальванического покрытия. Особенностью постановки данной задачи являются ограничения, допускающие только полный перебор возможных значений варьируемых параметров, объем которого не велик. Поэтому использовался последовательный алгоритм решения задачи оптимизации. Приведены комбинации возможных значений варьируемых параметров и значения критерия, а также проанализировано время решения задачи оптимизации.

1. Каданер Л. И. Равномерность гальванических покрытий. Харьков: Изд-во Харьк. ГУ, 1960. 414 с.

2. Pchelintseva I. Yu., Pchelintsev A. N., Litovka Yu. V. Modeling of metal distribution when coating flat metal plates in electroplating baths // International Journal of Numerical Modelling: Electronic Networks, Devices and Fields. 2021. Vol. 34, Iss. 2. e2830. 10 p.

3. Шульгин В. Г. Распределение тока и повышение равномерности осаждения металлов в гальванотехнике и гальванопластике. Л.: ЛДНТП, 1983. 31 с.

4. Пчелинцева И. Ю. О проверке адекватности модели электрического поля в гальванической ванне с плоским токонепроводящим экраном // Тезисы докладов XXX Международной научно-технической конференции "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации". 2021. С. 75—76.

5. Кудрявцев Н. Т. Электролитические покрытия металлами. М.: Химия, 1979. 352 с.

6. Demidovich B. P., Maron I. A. Computational mathematics. M.: Mir Publishers, 1981. 688 p.

7. Система компьютерной алгебры Maxima. URL: http:// maxima.sourceforge.net/ru/ (дата обращения: 09.11.2021).

8. 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 // Journal of Computer and Systems Sciences International. 2019. Vol. 58, N. 1. P. 75—85.

9. Litovka Yu. V., Mikheev V. V. Numerical calculation of the electric field in an electroplating bath with bipolar electrodes // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2006. Vol. 40, N. 3. P. 305—310.

10. Litovka Yu. V., Elizarov A. M. A method for calculating the thickness of a coating on a complex-shaped electrode // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2003. Vol. 37. P. 88—91.

11. Оборудование цехов электрохимических покрытий. Справочник / Под ред. П. М. Вячеславова. Л.: Машиностроение, 1987. 310 с.

12. Marenkova E. A., Shamshurin A. I., Kuznetsov S. A. Electrodeposition of tantalum coatings for corrosion protection of nitinol articles // Applied Electrochemistry and Corrosion Protection of Metals. 2015. Vol. 88. P. 398—406.

13. Vinokurov E. G., Meshalkin V. P., Vasilenko E. A., Nevmyatullina Kh. A., Burukhina T. F., Bondar V. V. System analysis of the efficiency and competitiveness of chroming technologies // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2016. Vol. 50. P. 730—738.

14. Frenzel I., Holdik H., Barmashenko V., Stamatialis D. F., Wessling M. Electrochemical reduction of dilute chromate solutions on carbon felt electrodes // Journal of Applied Electrochemistry. 2006. Vol. 36. P. 323—332.

15. Виноградов О. С., Виноградова Н. А., Завалин В. В., Ульянов А. А. Способы повышения техносферной безопасности электрохимических производств // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2021. Т. 10, № 3 (55). С. 154—158.

16. Дасоян М. А., Пальмская И. Я. Оборудование цехов электрохимических покрытий. Л.: Машиностроение, 1979. 287 с.

17. Коррозионная стойкость оборудования химических производств: Способы защиты оборудования от коррозии. Справочное издание / Под ред. Б. В. Строкана, А. М. Сухотина.Л.: Химия, 1987. 280 с.

18. Виноградов С. С. Организация гальванического производства. Оборудование, расчет производства, нормирование. М.: Глобус, 2005. 240 с.

19. Грилихес С. Я. Обезжиривание, травление и полирование металлов. Л.: Машиностроение, 1983. 101 с.

20. Румянцев Е. М., Давыдов А. Д. Технология электрохимической обработки металлов. М.: Высшая школа, 1984. 159 с.