ПОСТРОЕНИЕ УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКОЙ НА БАЗЕ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ЧПУ

CONSTRUCTION OF A PLASMA CUTTING CONTROL DEVICE BASED ON MODERN CNC SYSTEMS

Abdalmajid Mohammed W R

Master’s student, Department of Electronics, Radio Engineering and Communication Systems, Orel State University named after I.S. Turgenev,

Russia, Orel

Filina Anna Vladimirovna

Scientific supervisor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Electronics, Radio Engineering and Communication Systems, Oryol State University named after I.S. Turgenev,

Russia, Orel

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены вопросы разработки устройства управления плазменной резкой металлов на основе современных систем числового программного управления. Выполнен анализ существующих решений в области автоматизации процессов плазменной резки, определены основные требования к проектируемой системе и предложена структура устройства управления с двухпроцессорной архитектурой. Разработаны основные функциональные узлы устройства, система контроля параметров резки и программное обеспечение реального времени. Проведена оценка технических и экономических показателей предлагаемого решения. Полученные результаты подтверждают эффективность применения разработанного устройства для повышения качества резки, производительности оборудования и снижения эксплуатационных затрат.

ABSTRACT

The article considers the development of a plasma cutting control device based on modern computer numerical control systems. Existing automation solutions for plasma cutting processes were analyzed, the main requirements for the designed system were identified, and a dual-processor control architecture was proposed. The main functional units of the device, a cutting parameter monitoring system, and real-time software were developed. Technical and economic indicators of the proposed solution were evaluated. The results obtained confirm the effectiveness of the developed control device in improving cutting quality, increasing equipment productivity, and reducing operating costs.

Ключевые слова: плазменная резка, устройство управления, ЧПУ, автоматизация производства, FreeRTOS, система контроля, микроконтроллер.

Keywords: plasma cutting, control device, CNC, industrial automation, FreeRTOS, monitoring system, microcontroller.

Современные технологии обработки металлов предъявляют повышенные требования к качеству, производительности и точности выполнения технологических операций. Одним из наиболее эффективных способов термической обработки металлических заготовок является плазменная резка, широко применяемая в машиностроении, металлообработке и других отраслях промышленности.

Качество процесса плазменной резки во многом определяется характеристиками системы управления, обеспечивающей согласованную работу источника питания дуги, координатных приводов, системы подачи газа и узла регулирования высоты плазмотрона. Недостаточная точность поддержания технологических параметров приводит к снижению качества реза, увеличению количества брака и росту эксплуатационных затрат.

Анализ существующих систем управления плазменной резкой показал, что большинство представленных решений обладают высокой функциональностью, однако имеют ряд существенных недостатков. К ним относятся зависимость от импортной элементной базы, ограниченные возможности модернизации, закрытая архитектура программного обеспечения и высокая стоимость внедрения. В связи с этим актуальной задачей является разработка отечественного устройства управления, обеспечивающего требуемые показатели качества и производительности при использовании доступной компонентной базы.

Целью работы является разработка устройства управления плазменной резкой, обеспечивающего стабилизацию технологических параметров процесса и повышение качества обработки металлических заготовок.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• выполнен анализ современных систем управления плазменной резкой;
• сформированы технические требования к устройству;
• разработана структурная схема системы управления;
• выполнен выбор элементной базы и разработаны функциональные узлы устройства;
• разработано программное обеспечение реального времени;
• проведена оценка технической и экономической эффективности проекта.

В качестве основы проектируемой системы выбрана двухпроцессорная архитектура. Первый процессор обеспечивает функционирование пользовательского интерфейса, обработку управляющих программ и обмен информацией с внешними системами автоматизации. Второй процессор предназначен для выполнения задач реального времени, включая интерполяцию траекторий движения, регулирование технологических параметров и формирование управляющих сигналов для приводов.

Применение двухпроцессорной архитектуры позволяет обеспечить независимость выполнения критически важных задач от нагрузки пользовательского интерфейса и повысить устойчивость работы всей системы управления.

В состав разработанного устройства входят центральный процессорный модуль, модуль ввода-вывода, система управления приводами, модуль управления источником питания дуги, система регулирования высоты плазмотрона, система контроля параметров резки, интерфейсы связи и блок питания.

Для обеспечения надежной работы устройства применены средства гальванической развязки цифровых и аналоговых цепей, а также специальные меры по повышению помехоустойчивости.

Программное обеспечение устройства реализовано на языке С с использованием операционной системы реального времени FreeRTOS. Архитектура программного обеспечения включает драйверы периферийных устройств, подсистему обработки сигналов, модули регулирования, интерполяции и пользовательский интерфейс.

Разработанная система контроля параметров резки обеспечивает измерение и обработку основных технологических параметров процесса в режиме реального времени. Полученные данные используются для формирования управляющих воздействий и реализации функций адаптивного управления.

Результаты выполненных расчетов подтвердили работоспособность принятых технических решений. Разработанное устройство обеспечивает требуемые показатели точности регулирования, быстродействия и надежности. Применение современных микроконтроллеров и цифровых интерфейсов связи позволяет интегрировать систему в существующие производственные комплексы.

Проведенный экономический анализ показал высокую эффективность внедрения разработанного устройства. Расчеты подтверждают возможность быстрого возврата инвестиций и конкурентоспособность предлагаемого решения по сравнению с существующими аналогами.

Таким образом, разработанное устройство управления плазменной резкой представляет собой эффективное решение для модернизации технологического оборудования и повышения эффективности производственных процессов. Полученные результаты могут быть использованы при создании новых автоматизированных комплексов плазменной резки и совершенствовании существующих систем управления.

Список литературы:

1. Тавакколи М., Горбани С. Обзор методов управления и диагностики дуговой плазмы // Plasma Science and Technology. – 2023. – Т. 25, № 1. – Ст. 015504. – DOI: 10.1088/2058-6272/acac8a.
2. Тенг Ю., Дэн В., Пэй В., Ли И., Дин Л., Сян Х. Обзор методов управления сетеформирующими преобразователями в энергосистемах с высокой долей возобновляемых источников энергии // Global Energy Interconnection. – 2022. – Т. 5, № 3. – С. 276–287. – DOI: 10.1016/j.gloei.2022.06.010.
3. Верещаго Е. М., Костюченко В. И., Джангыров М. В., Еременко А. П., Стогниенко Е. В. Синтез системы управления импульсным источником тока для плазменной дуги // Electrical Engineering & Power Engineering. – 2025. – № 3. – С. 7–16. – DOI: 10.15588/1607-6761-2025-3-1.
4. Верещаго Е. М., Костюченко В. И., Новогрецкий С. М. Анализ работы DC-DC преобразователя в системе плазменной дуги // Electrical Engineering & Electromechanics. – 2023. – № 5. – С. 31–36. – DOI: 10.20998/2074-272X.2023.5.05.