Модернизация системы управления электродугового реактора постоянного тока совмещенного типа с вертикальными электродами

Данная работа посвящена модернизации системы управления электродугового реактора постоянного тока совмещенного типа с вертикальным расположением электродов.
Объектом исследования существующая плазмохимическая установка, разработанная на базе микроконтроллера ATmega328 и одноплатного компьютера Raspberry Pi.
Цель работы – реализация систем мониторинга рабочих режимов, систем поддержания стабильной электрической мощности на дуге в условиях изменения величины разрядного промежутка в электродуговых реакторах постоянного тока.
Результатом работы является повышение надежности и удобства использования плазмохимического реактора постоянного тока.
Значимость работы заключается в улучшении системы, которая используется для создания карбида вольфрама, карбида молибдена и других материалов.

Введение ………………………………………………………………………………………………….. 13
1 Анализ предметной области ……………………………………………………………… 15
1.1 Методы получения нанодисперсных материалов …………………………….. 15
1.2 Плазмохимические реакторы …………………………………………………………… 16
1.3 Обзор существующих реакторов ……………………………………………………… 18
1.4 Вывод по главе 1 …………………………………………………………………………….. 21
2 Модернизация системы управления плазмохимического реактора …….. 23
2.1 Принцип работы системы ……………………………………………………………….. 23
2.2 Обзор систем позиционирования …………………………………………………….. 24
2.2.1 Корпус для 3-D принтера …………………………………………………………. 24
2.2.2 Корпус фрезерного станка ……………………………………………………….. 25
2.2.3 Линейные привода …………………………………………………………………… 26
2.3 Сборка системы позиционирования ………………………………………………… 26
2.4 Разработка системы дистанционного контроля ………………………………… 28
2.5 Вывод по главе 2 …………………………………………………………………………….. 29
3 Сборочные и пусконаладочные работы системы управления
плазмохимического реактора постоянного тока ………………………………………… 31
3.1 Модернизация системы позиционирования ……………………………………… 31
3.2 Адаптация алгоритма работы ………………………………………………………….. 32
3.3 Повышение надежности системы ……………………………………………………. 37
3.4 Реализация системы дистанционного управления ……………………………. 39
3.4.1 Настройка Raspberry Pi …………………………………………………………….. 39
3.4.2 Подключение к удаленному рабочему столу…………………………….. 42
3.4.3 Настройка видеосвязи ……………………………………………………………… 44
3.4.4 Обмен данными ……………………………………………………………………….. 45
3.5 SCADA система………………………………………………………………………………. 47
3.6 Апробирование реактора …………………………………………………………………. 49
3.7 Вывод по главе 3 …………………………………………………………………………….. 51
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение53
4.1 Потенциальные потребители результатов исследования ………………….. 53
4.2 Анализ QuaD …………………………………………………………………………………… 54
4.3 SWOT-анализ ………………………………………………………………………………….. 56
4.4 Оценка готовности разработки к коммерциализации ……………………….. 57
4.5 Инициация разработки ……………………………………………………………………. 59
4.6 Планирование научно-исследовательских работ ……………………………… 60
4.6.1 Иерархическая структура работ ……………………………………………….. 60
4.6.2 План разработки ………………………………………………………………………. 61
4.6.3 Определение трудоемкости выполнения работ и разработка графика
проведения ………………………………………………………………………………………………. 63
4.6.4 Разработка графика проведения научного исследования …………… 66
4.7 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) …………………………. 68
4.7.1 Расчет материальных затрат НТИ …………………………………………….. 68
4.7.2 Основная заработная плата исполнителей темы ……………………….. 70
4.7.3 Дополнительная заработная плата исполнителей темы …………….. 71
4.7.4 Отчисление во внебюджетные фонды ………………………………………. 72
4.7.5 Накладные расходы …………………………………………………………………. 72
4.7.6 Прямые затраты……………………………………………………………………….. 73
4.7.7 Расчет амортизационных отчислений ………………………………………. 73
4.7.8 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта
4.8 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования ……………………… 75
4.9 Вывод по главе 4 …………………………………………………………………………….. 77
5 Социальная ответственность …………………………………………………………….. 79
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ….. 79
5.1.1 Специальные правовые нормы трудового законодательства …….. 80
5.1.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны. .. 80
5.2 Производственная безопасность ……………………………………………………… 81
5.2.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов………….. 82
5.2.2 Обоснование мероприятий по снижению уровней воздействия
опасных и вредных факторов на исследователя (работающего) ………………… 89
5.3 Экологическая безопасность……………………………………………………………. 91
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях…………………………………………. 92
5.4.1 Анализ вероятных ЧС………………………………………………………………. 92
5.4.2 Разработка превентивных мер по предупреждению ЧС…………….. 92
5.4.3 Разработка действий в случае возникновения ЧС ……………………… 93
5.5 Выводы по разделу …………………………………………………………………………. 94
Заключение ……………………………………………………………………………………………… 96
Список литературы ………………………………………………………………………………….. 98
Приложение А (обязательное) Схема подключения оборудования ………….. 103
Приложение Б (справочное) Раздел на иностранном языке ……………………… 105

В результате выполнения данной работы была модернизирована система
управления действующего плазмохимического реактора постоянного тока с
вертикальными электродами. Данная установка активно используется для
получения и исследования таких материалов как: карбид молибдена, карбид
титана, карбид вольфрама, а также высокоэнтропийных материалов и других
важных и полезных для науки материалов.
Были достигнуты следующие цели:
1. изучены существующие системы плазмохимического синтеза;
2. изучены некоторые конструкции для позиционирования;
3. произведен выбор конструкции для реализации системы
позиционирования;
4. произведен монтаж системы;
5. реализовано заземление корпуса согласно ПТЭЭП;
6. реализовано дистанционное управление и видеосвязь с
использованием одноплатного компьютера Raspberry;
7. был реализован обмен данными между одноплатным компьютером
и аппаратной платформой Arduino, и создана SCADA-система с
использованием программного обеспечения CoDeSys;
8. разработаны алгоритмы для поддержания заданного разрядного
промежутка между электродами;
9. реализованы алгоритмы для проведения серийных экспериментов.
Все поставленные цели были достигнуты в полном объеме.
После модернизации системы производительность повысилась
примерно в 2-3 раза, а количество отказов снизилось с 7 из 40 до 1 из 40, что
является очень высоким показателем.
Заземление корпуса снижает риск получения повреждений
электрическим током и защищает систему от поломки в непредвиденных
ситуациях.
Настройка дистанционного управления позволяет управлять реактором
дистанционно и проводить отладку некоторых процессов, а с помощью
видеосвязи появилась возможность снимать процесс протекания реакции.
Используя SCADA-систему можно в более удобном формате
устанавливать параметры синтеза, следить за параметрами и производить
проверку всех кнопок и датчиков. Кроме того, вычислительные возможности
Raspberry Pi значительно больше, чем у Arduino, и мы можем производить
различные вычисления с полученными данными. Например, посчитать
мощность или энергию, которую получил материал в процессе синтеза.
Алгоритмы для поддержания разрядного промежутка делают процесс
более стабильным и снижают погрешность, поскольку при увеличении
расстояния между электродами также увеличивается и зашумленность сигнала.
Серийное проведение экспериментов позволяет исследовать новые
режимы синтеза, и ускоряют процесс, что позволяет не только исследовать
материалы, но и начать их малое производство.
Таким образом, выполненные работы значительно улучшили
характеристики реактора и упростили работу с ним. С использованием данного
реактора были получены различные материалы, по исследованию которых
было написано множество статей, в том числе и в международной базе scopus.