РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКОЙ

DEVELOPMENT OF A PLASMA CUTTING CONTROL DEVICE

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 данной работе рассматривается разработка усовершенствованного устройства управления для систем плазменной резки. Проведён анализ текущих проблем традиционных систем управления и предложена двухпроцессорная архитектура на базе микроконтроллера STM32H7. Работа фокусируется на стабилизации технологических параметров, таких как ток электрической дуги, и поддержании оптимального расстояния между соплом и заготовкой с использованием алгоритмов адаптивного управления с активным подавлением возмущений (ADRC). Результаты показывают значительное улучшение качества реза с точностью стабилизации тока ±2% и временем реакции менее 5 мс. Экономическая эффективность разработанного устройства подтверждена сроком окупаемости всего 4–5 месяцев.

ABSTRACT

This paper discusses the development of an advanced control device for plasma cutting systems. Current challenges of traditional control systems are analyzed, and a dual-processor architecture based on the STM32H7 microcontroller is proposed. The work focuses on stabilizing technological parameters such as arc current and maintaining the optimal nozzle-to-workpiece distance using Active Disturbance Rejection Control (ADRC) algorithms. The results show a significant improvement in cut quality with a current stabilization accuracy of ±2% and a response time of less than 5 ms. The economic efficiency of the developed device is demonstrated with a payback period of only 4-5 months.

Ключевые слова: Плазменная резка, система ЧПУ, устройство управления, адаптивное управление, промышленная автоматизация, STM32.

Keywords: Plasma cutting, CNC, control system, adaptive control, industrial automation, STM32.

Современное промышленное производство характеризуется устойчивой тенденцией к интенсификации технологических процессов и повышению требований к точности изготовления металлоизделий. Среди существующего многообразия способов обработки металлов плазменная резка занимает особое положение благодаря удачному сочетанию производительности, универсальности по отношению к обрабатываемым материалам и приемлемой себестоимости операции. Эффективность процесса плазменной резки в значительной степени определяется характеристиками устройства управления, отвечающего за стабилизацию параметров режущей дуги, синхронизацию перемещения плазмотрона и поддержание заданных технологических режимов. Электрическая дуга при плазменной резке представляет собой сложный нелинейный объект с быстро меняющимися параметрами, что предъявляет повышенные требования к динамическим характеристикам системы регулирования. Нестабильность тока дуги, колебания напряжения, неконтролируемый дрейф расстояния «сопло – заготовка» приводят к ухудшению качества реза, увеличению ширины канала, образованию грата и снижению ресурса расходных элементов плазмотрона.

На основе анализа современного состояния автоматизированного производства установлено, что плазменная резка занимает существенную долю операций раскроя листового проката толщиной от 1 до 50 мм.

Было предложено устройство управления, удовлетворяющее следующим требованиям: обеспечение стабилизации тока дуги в диапазоне 30–160 А с точностью не хуже ±2% при колебаниях напряжения сети до ±10%; поддержание заданного расстояния «сопло – заготовка» по сигналу обратной связи от датчика напряжения дуги; управление зажиганием дежурной и рабочей дуги в соответствии с заданной циклограммой; приём управляющей программы от внешнего CAM-комплекса по стандартному цифровому интерфейсу.

Разработанная архитектура основана на использовании двухпроцессорной структуры. Первое ядро обеспечивает работу пользовательского интерфейса, загрузку и интерпретацию управляющих программ, ведение журнала событий, обмен с верхним уровнем АСУ ТП. Второе ядро отвечает за работу интерполятора, контуров регулирования и формирование импульсов управления приводами. В качестве вычислительного ядра реального времени выбран микроконтроллер STM32H743VIT6 в корпусе LQFP-100 с тактовой частотой 480 МГц, объёмом встроенной флеш-памяти 2 МБ и ОЗУ 1 МБ, наличием аппаратного блока с плавающей точкой и встроенных периферийных модулей.

Для контура регулирования тока дуги применена структура с активным подавлением возмущений (ADRC), обеспечивающая робастность системы при изменении параметров объекта, что особенно важно при работе с нелинейной дугой. Параметр b₀, представляющий собой оценку коэффициента передачи объекта, принят равным 8000. Полоса пропускания наблюдателя возмущений выбрана равной 1000 рад/с, что обеспечивает быстрое отслеживание изменений тока дуги без чрезмерной чувствительности к шумам. Для координатных контуров (оси X, Y, Z) применены классические ПИД-регуляторы. Проверочный расчёт показал, что полоса пропускания замкнутого контура составляет 22 Гц, запас устойчивости по фазе – 47°, перерегулирование при ступенчатом воздействии – 4,3%, что удовлетворяет заданным требованиям.

Разработана система контроля параметров резки, обеспечивающая измерение тока дуги (датчик Холла LEM HAS 200-S, диапазон до 200 А, точность 1%), напряжения дуги (резистивный делитель 1:100 с изолированным усилителем AMC1311, точность 0,1 В), расхода газов (тепловые датчики Honeywell HAFB), температуры плазмотрона (термопары типа K). Точность измерения напряжения 0,1 В обеспечивает позиционирование высоты горелки с погрешностью не более 0,05 мм при крутизне вольт-высотной характеристики 2 В/мм.

Выполненные расчёты подтверждают работоспособность принятых технических решений. Параметры регуляторов обеспечивают необходимое качество переходных процессов: перерегулирование не более 5% и время регулирования не более 50 мс для координатных контуров. Суммарная потребляемая мощность устройства составляет около 42 Вт, что с учётом коэффициента запаса 1,5 требует блока питания мощностью не менее 65 Вт (в проекте принят блок питания мощностью 100 Вт). Суммарная интенсивность отказов составила 4,8·10⁻⁶ 1/ч, что соответствует средней наработке на отказ 208 тыс. часов или приблизительно 24 года непрерывной работы.

С экономической точки зрения, полная себестоимость разработки устройства составляет 2 523 304 руб. Себестоимость изготовления одного опытного образца – 219 855 руб. Внедрение устройства обеспечивает годовой экономический эффект в размере 4 202 980 руб., формируемый преимущественно за счёт повышения производительности оборудования (68,2%), снижения количества брака (19,7%) и экономии расходных материалов (2,5%). Срок окупаемости капитальных вложений потребителя составляет 4–5 месяцев, что является крайне привлекательным показателем для промышленного оборудования.

Математические модели и моделирование подтвердили эффективность использования регуляторов ADRC для компенсации нелинейности плазменной дуги, обеспечив высокую точность стабилизации тока и расстояния. Экономические расчёты показали коммерческую привлекательность разработки с коротким сроком окупаемости по сравнению с импортными аналогами. Разработанное устройство может быть использовано для модернизации существующих установок плазменной резки на машиностроительных предприятиях с целью повышения качества выпускаемой продукции и снижения эксплуатационных издержек.

Список литературы:

1. ГОСТ Р 15.309-2022. Система разработки и постановки продукции на производство. Плазменная резка. Общие требования.
2. ГОСТ Р 15.310-2023. Система разработки и постановки продукции на производство. Оборудование для плазменной резки. Требования безопасности.
3. Рубцов В.Е., Панфилов А.О., Княжев Е.О. и др. Отработка методики плазменной.
4. резки меди марки М1, алюминиевого сплава Д16Т и титанового сплава ОТ4-1 с использованием плазмотрона с обратной полярностью // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, №4. – С. 33–52.
5. Vereshchago E.M., Kostyuchenko V.I., Novogretskiy S.M. Analysis of a DC-DC Converter Operating on Plasma Arc // Electrical Engineering & Electromechanics. – 2023. – No. 5. – P. 31–36.