Главная → Примеры внедрения → Автоматизация процесса производства лопаток ГТД с помощью компьютерных средств в установке направленной кристаллизации УВНК-8П (ОАО "Мотор Сич")

Автоматизация процесса производства лопаток ГТД с помощью компьютерных средств в установке направленной кристаллизации УВНК-8П (ОАО "Мотор Сич")

Начальник бюро С.А. Юрченко.

Процесс вакуумного литья лопаток ГТД в установке направленной кристаллизации УВНК-8П автоматизирован с помощью компьютерных средств измерительной и управляющей техники и функционирует с 2002 г. в литейном цехе ОАО "Мотор Сич".

Автоматизация установки осуществлена с помощью вычислительного комплекса фирмы "Мера", в основой которого является прибор MIC-400. Комплекс представляет собой АСУ ТП в классическом понимании этого слова: измерение параметров и управление параметрами технологического процесса.

Техническое исполнении комплекса АСУ ТП

Аппаратные средства АСУ ТП размешены в стойке фирмы "Rittal" и представляют собой двухуровневую систему. Первый уровень это MIC-400 с набором модулей, второй уровень - операторская станция в виде ПЭВМ промышленного исполнения. Связь между уровнями внутри стойки осуществляется по сети Ethernet. В стойке также скомпонованы: устройство бесперебойного питания, Нub для организации сети, принтер, клавиатура, монитор 19", коммутатор монитора и клавиатуры, для подключения их к MIC или к ОС, кроссовые панели и источники питания.

Рис. 1. Стойка с аппаратными средствами. Вид сбоку.

Клавиатура и принтер располагаются на телескопических выдвижных полках. Лицевая дверь стойки застеклена. Управление технологическим процессом осуществляется с клавиатуры или, при закрытой двери, с помощью 16 клавишного дистанционного пульта фирмы "Инду кей" из силиконовой резины со степенью защиты IP65.

Решение использовать двухуровневую компоновку системы мотивируется тем, что при разработке проекта предусматривалась связь АСУ ТП по ЛВС с другими компьютерами цеха и обеспечением мощного графического интерфейса для связи с плавильщиком. Для разделения задач принято решение о построении двухуровневой системы.

Для администрирования функций в АСУ ТП применяется система "Даллас". Ввод пароля происходит путем введения специального ключа с микросхемой в гнездо. Функция распознавание пароля одна из задач ОС.

Функции уровней АСУ ТП

Нижний уровень реализован на MIC-400 и осуществляет:

сбор измерительной информации с помощью модулей серии МС;
ввод дополнительных градуировочных характеристик;
преобразование измеренных сигналов в физический параметр ;
формирование и передача пакета данных в ОС;
прием команд от ОС и формирование заданий для управляющих модулей MIC;
аварийный алгоритм работы АСУ ТП;
мониторинг измерительных каналов;
калибровка измерительных каналов.

Верхний уровень ОС реализован на базе ПЭВМ промышленного исполнения. На ней осуществляется:

прием данных с MIC;
передача управляющих сигналов на модули ЦАП MIC'а;
ввод исходных данных для плавки (тип детали, комментарии к плавке, и.т.д.)
визуализация технологического процесса по мнемосхеме установки;
отображение плавки в графическом виде;
отображение плавки в виде мониторинга тех. процесса;
графическое отображение плавки металла в тигле индуктора;
печать протокола плавки;
архивирование данных плавок;
программа просмотра архива плавок;
передача данных по сети ЛВС;
прием данных по сети ЛВС;
администрирование функций (распознавание паролей).

Суть процесса направленной кристаллизации
Целью процесса направленной кристаллизации является получение лопаток со строгой ориентацией кристаллов по вертикальной оси. Разновидностью этого процесса является получение монокристаллической структуры , то есть лопатки состоящей из одного кристалла, строго ориентированного по оси Z. Обеспечивается это разогревом форм до определенной температуры, их выдержкой при этой температуре, а после расплавления металла и его слива в формы - охлаждением форм в расплавленном алюминии с требуемой скоростью. При этом нужно соблюсти следующие условия:

время прогрева форм в печи;
регламентируемое время металла в расплавленном состоянии;
температуру алюминия в кристаллизаторе в начале и в конце процесса кристаллизации;

Необходимость автоматизации такого многофакторного процесса очевидна, так как автоматизация исключает зависимость результатов плавки от человеческого фактора. Процесс направленной кристаллизации осуществляется в установке УВНК-8П и состоит из следующих этапов:

загрузки форм в печь подогрева форм;
создания вакуума;
нагрева форм с требуемой скоростью до заданной температуры;
опускание форм с заданной скоростью в кристаллизатор;
обеспечение требуемых температур по выдержке форм;
подъем форм в исходную позицию;
выгрузка форм.

Процесс загрузки и выгрузки форм осуществляется под контролем плавильщика. С этой целью в соответствующих местах технологического процесса на экране появляется сообщение, требующее подтверждения оператора. Текстовое сообщение дублируется речевым сообщением. Подтверждение операции осуществляется с помощью дистанционного пульта. Для этого задействованы две кнопки пульта, интерпретирующие команды плавильщика: Да и Нет.

Процесс набора вакуума автоматический. Набор вакуума связан с управлением насосами и затворами, пневматическими клапанами. Для этих задач в MIC размещены модули выдачи дискретных сигналов. Для обеспечения требуемой токовой нагрузки по включению вакуумных механизмов, а также электродвигателей перемещения форм, в кроссовой секции стойки АСУ ТП расположены модули твердотельных реле. Реле комплектуются под требуемые токи включения механизмов.

Управление циклограммой нагрева (набор температуры, выдержка, сброс температуры), а также скоростью подъема и опускания осуществляется в автоматическом режиме. Для этой цели в ОС реализованы следующие алгоритмы:

ПИД регулирования;
Регулирование скорости механизма подъема и опускания;
Плавного разгона и торможения механизма опускания/подъема форм.
Расчета и слежения за расстоянием, пройденным формами до кристаллизатора.

Управление мощностью индуктора для плавки металла осуществляется от АСУ ТП. Выбор мощности осуществляет плавильщик с помощью еще двух кнопок на дистанционном пульте: больше/меньше. Прогрев носка тигля и слив металл происходит в ручном режиме. Для обеспечения требуемых температур металла при плавке используется фотопирометр спектральных отношений и термопара погружения, которую в необходимые технологические моменты погружают в тигель с расплавом металла. На специальной панели монитора в графическом и цифровом виде отображаются показания термопары погружения и фотопирометра. Для измерения температуры металла фотопирометром необходимо обеспечить зеркало на поверхности металла. С этой целью на дистанционном пульте предусмотрена пятая кнопка по нажатию которой происходит автоматический сброс мощности в индукторе, необходимая выдержка для успокоения поверхности металла, измерение и отображение показаний на экран, возврат мощности в прежнее состояние.

Для обеспечения перечисленных функций аналогового управления в MIC установлены модули преобразования цифры в аналог (ЦАП). Таких модулей два типа: с выдачей сигнала в виде тока и напряжения.

Программное обеспечение
Нижнего уровня — MIC.
На MIC использовано программное обеспечение фирмы "Мера" — пакет обработки сигналов (ПОСМ). Это базовое программное обеспечение, которое включает опрос модулей, пересчет по градуировочным характеристикам, калибровку измерительных каналов.

Для обеспечения функций управление объектом через модули выдачи аналоговых сигналов, в ПОСМ функционирует подпрограмма приема управляющих сигналов из ОС.

Верхнего уровня — ОС
На ОС реализована многозадачная система, функции которой понятны из сказанного выше. Кроме этого все ключевые моменты плавки дублируются речевыми сообщениями (Например: "Включен механизм опускания форм"), работа концевых выключателей также сопровождается звуками различных тонов, а передержка времени работы какого-нибудь механизма - коротким звуком разбитого стекла.

Отдельно можно остановиться на мнемосхеме установки.

В ОС реализована программа отображения установки в графическом виде. Движение всех механизмов установки контролируется по их отображению на экране монитора по мнемосхеме . Внешний вид установки на экране монитора максимально приблизили к реальному виду. Для этого элементы установки были сфотографированы цифровым аппаратом и эти изображения скомпонованы специальной программой в единую схему, способную отображать перемещения механизмов.

Рис. 2. Стойка с аппаратными средствами. Вид спереди.

Рис. 3. Стойка с аппаратными средствами. Вид сзади (коммутация).

Результат эксплуатации
С августа 2002 г. АСУ ТП введена в работу в режиме опытной эксплуатации. С декабря 2002 г. в режиме серийного производстве лопаток ГТД. Система работает стабильно и надежно. В условиях плавильного участка и при температуре окружающей среды цеха до 35 °С без дополнительного охлаждения стойки АСУ ТП. При аттестации системы подтверждается заявленная фирмой "Мера" точность измерительных каналов. При этом нужно учесть, что на плавильном участке работают тиристорные преобразователи, которые сильно загрязняют питающее напряжение и землю помехами.

Автоматизация процесса в установке УВНК-8П позволила увеличить выпуск годных лопаток по макроструктуре на 10-15%.