Курсовые работы / переработки древесных отходов

Целью курсового проекта является разработка системы автоматического управления переработки древесных отходов. Функциональная схема представлена на рисунке 1.

1- Теплогенератор; 2- Материалопровод; 3- Дробилка молотковая;

4- Барабан сушильный; 5- Батарейный циклон; 6- Вентилятор;

7- Пресс-гранулятор; 8- Охладитель - просеиватель

Рисунок 1 – Функция схема системы переработки древесных отходов

гранул

На стадии подготовки сырья щепа, опил, кора, стружка подаются в молотковую дробилку, установленную над загрузочным устройством материалопровода.

Подаваемое в дробилку сырье должно иметь влажность не более 60% и содержать не более 1,5% посторонних включений в составе сырья сумма коры, хвои, листвы не должна превышать 17% от массы, порода древесины значения не имеет. Измельченное сырье по материалопроводу попадает в камеру сушильного агрегата. Отбор излишней влаги осуществляется горячим воздухом, выработанным теплогенератором. Температура воздуха на входе в сушилку 250-280ºС, на выходе из сушилки продукт имеет температуру 75-100ºС. Сырье высушивается до влажности 8-15%. Далее измельченный и высушенный продукт по пневмотранспорту поступает в батарейный циклон, где происходит разделение высушенного материала и теплоносителя. Отработанный теплоноситель выбрасывается в атмосферу, а высушенный материал подается на питающее устройство пресса-гранулятора непрерывного действия. В случае работы установки производительностью 1000 кг/час, поток высушенного сырья с помощью шнекового транспортера разделяется на два - по количеству прессов. Питающее устройство пресса-гранулятора направляет измельченные и высушенные древесные отходы во внутреннюю полость вращающейся матрицы, имеющей отверстия диаметром 7 мм, в которых происходит формирование гранул давлением, созданным при прохождении продукта между матрицей и вращающимися на эксцентриковых осях роликами. Через выходное отверстие пресса - гранулятора готовые гранулы попадают на охлаждающий транспортер - просеиватель, где происходит охлаждение и очистка гранул от мелкой фракции. Мелкая фракция, собранная пылеулавливаюшей установкой подается обратно в бункер над прессом - гранулятором, делая процесс непрерывным и безотходным. Очищенные и остывшие гранулы попадают в тару для упаковки и транспортировки к месту хранения.

1 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Структурная схема данной системы приведена на рисунке 2.

МП - микропроцессор, ДрУ– дробильное устройство, ТР – трубопровод,

ТепГен – теплогенератор, БС– барабан сушильный,

ДТ – датчик температуры

Рисунок 2 - Структурная схема системы автоматического управления

переработкой древесных отходов

Параметры регулируемой системы:

- максимальный интервал обновления данных T₀ = 4 сек;

- время регулирования t_p=25 c;

- колебательность М  1,2;

- перерегулирование  = 0%;

2 Выбор элементной базы

2.1 Выбор микропроцессорной системы

PIC16C84 (или PIC16F84) фирмы "Microchip" - миниатюрный, но мощный микроконтроллер. Он основан на EEPROM или "FLASH" технологии, позволяющей перепрограммировать его буквально за секунды. Типовое количество циклов перезаписи - около 1000. Из его 18-ти выводов 13 могут использоваться как разряды ввода/вывода общего назначения. Когда они программируются на вывод, то допускают ток "1" до 20мА и ток "0" до 25мА. Это позволяет разрабатывать на данном микроконтроллере простые и недорогие электронные устройства и делает его идеальным для желающих изучить принципы работы микроконтроллеров.

Этот короткое руководство предназначено для людей, которые только что собрали или купили программатор для PIC микроконтроллера и хотят убедиться, что оба, программатор и микроконтроллер, работают. Для этого сначала необходимо обладать некоторыми знаниями о структуре и функционировании PIC микроконтроллера.

Передаточная функция микропроцессора равна 1.

W_мп(p) = 1 (1)

2.2 Выбор усилителя

Напряжение, поступающее с ЭВМ равно максимально 10В, а ДПТ для работы в номинальном режиме требуется 220 В.

Требуется усилительное звено с коэффициентом усиления в 22 раза. Это усиление можно обеспечить использованием операционного усилителя. Такими показателями обладает операционный усилитель LT6200-22.

Расчет передаточной функции усилителя. Также как и любое стандартное усилительное (пропорциональное звено), данный усилитель обладает постоянным передаточным числом, или

(2)

2.3 Выбор дробильного устройства

Дробилка молотковая ДМ-1. Дробилки молотковые роторные ДМ - являются наиболее мощными в среднем классе и предназначены для дополнительного измельчения древесных отходов (щепа, стружка технологическая, отходы после сортировки опилок). Установки могут применяться как самостоятельно, так и входить в состав линий, например, на пеллетных заводах.

Получаемую мелкую фракцию применяют для изготовления прессованных изделий, используют в линиях для производства топливных гранул; специального пористого кирпича, древесно-полимерных материалов; для получения биологически-активных веществ; в физико-химических технологических процессах. Важным условием применения дробилки является работа на сухом сырье, предназначена для эксплуатации в закрытом помещении. Допустимые климатические условия: температура окружающего воздуха от -20 ⁰С - +15 ⁰С, относительная влажность 95%. Молотки выполнены из высококачественной инструментальной стали. Подача отходов может быть механизирована при помощи ленточного транспортёра или пневмотранспорта, а отвод фракции - пневмотранспортом в бункер либо на механизированный склад. В комплект поставки входят запасная ось (1 шт.), 24 молотка, паспорт.

Описание работы дробилки ДМ

От электродвигателя через шкивы посредством клиноременной передачи вращение передается на вал ротора. Ротор состоит из двух сварных секций, сидящих на шпонках на валу и конструктивно связаны с шестью осями, на каждой из которых свободно сидят 24 молотка. Под действием центробежной силы инерции молотки занимают радиальное положение, и поступающая стружка крошится на мелкие фракции, и отбрасывается на сито. Готовая измельченная фракция падает на щит, далее через патрубок центробежного вентилятора отсасывается и подается в транспортное устройство. Центробежный вентилятор и ротор имеют независимые приводы.

Технические характеристики дробилки ДМ:

Габаритные размеры:

Длина, мм 1455

Ширина, мм 706

Высота, мм 890

Масса, кг 535

Установленная мощность, кВт 15

Производительность, м³/с 0,14

Перерабатываемое сырье – мелкофракционные древесные отходы (щепа, опил, стружка и тому подобное).

Коэффициент усиления дробильной машины есть степень измельчения, которая является одним из основных показателей дробильных машин:

, (3)

где D_ср - средневзвешенный размер куска исходного материала,

d_ср - средневзвешенный кусок конечного (готового) продукта.

Двигатель постоянного тока 2ПН180МГ.

Технические характеристики двигателя.

Номинальная мощность, Вт 15000

Номинальная частота вращения, мин^-1 1500

Номинальное напряжение питания, В 220

Активное сопротивление обмотки якоря, Ом 0.188

Индуктивность якоря, мГн 24

Момент инерции двигателя, кг*м² 0,2

Начальный пусковой ток при номинальном напряжении, А 42,5

КПД, % 85,5

Масса двигателя, не более, кг 219

Определим номинальный момент двигателя по формуле:

. (4)

Определим угловую частоту вращения вала электродвигателя:

. (5)

Найдем значение электрической конструктивной постоянной:

. (6)

Найдем значение механической конструктивной постоянной:

. (7)

Коэффициент передачи двигателя по управляющему воздействию определяется по формуле:

. (8)

Определим значения электрической и механической постоянных времени электродвигателя по формулам (9) и (10) соответственно.

. (9)

. (10)

, (11)

где ; (12)

; (13)

. (14)

Рассчитаем передаточную функцию шкива.

Источником движения является электродвигатель, вращательное движение которого передается через клиноременную передачу приводному шкиву дробилки.

Число оборотов приводного шкива равно произведению числа оборотов электродвигателя, передаточного отношения шкивов и коэффициента проскальзывания ремня:

_{, (15)}

где n_шк - число оборотов в минуту приводного шкива;

n - число оборотов в минуту электродвигателя (1500);

i _шк - передаточное отношение шкивов 148 / 336;

η - коэффициент проскальзывания ремня (0,985).

Подставляя числовые значения в формулу (15), получаем

₍₁₆₎

Передаточная функция шкива представляет собой инерционное звено и рассчитывается, как отношение скорости вращения шкива к скорости вращения двигателя, то есть:

₍₁₇₎

Тогда передаточная функция дробильного устройства запишется:

₍₁₈₎

2.4 Выбор трубопровода

Трубопровод – это запаздывающее звено системы.

Если, например, рассматривается транспортный перенос скалярной субстанции в трубопроводе постоянного сечения и длиной L, то математическая модель динамики переноса может быть представлена в переменных “вход-выход” следующей трансцендентной передаточной функцией (передаточной функцией идеального запаздывающего звена):

(19)

где T(L, s) – изображение по Лапласу сигнала на выходе из трубопровода;

T (0, s) – изображение по Лапласу сигнала на входе трубопровода;

t – постоянная запаздывания (время транспортировки), с.

₍₂₀₎

где L – длина трубопровода, м;

u – скорость течения жидкости, м/с.

₍₂₁₎

где q – пропускная способность, м³/с;

S_тр =1 – площадь поперечного сечения трубопровода, м²,

Исходя из ТЗ L=3м, по техническим характеристикам: проходное сечение трубопровода d=100мм, пропускная способность 0.14 м³/c скорость движения гранул в трубопроводе можно определить. Пропускная способность K_V определяется объемным расходом в м³/c с плотностью, равной 600 кг/м³, пропускаемой регулирующим органом при перепаде давления на нем в 1 кгс/см² (1 атм). При максимальном давлении P_max= 4 атм.

Объемный расход:

м³/с, (22)

где S – поперечная площадь прохода, м²;

S_max – максимальная площадь прохода, м².

м/с, (23)

с (24)

При максимальном расходе время будет минимальным:

21.43 с (25)

Коэффициент усиления определяется как отношение давления P_max к площади прохода при максимально открытой заслонке S_max,

₍₂₆₎

Для упрощения расчетов трубопровод можно также представить в виде резервуара с жидкостью, как апериодическое звено первого порядка.

, (27)

где Т₁=t_min=21.43 c – постоянная времени звена.

Передаточная функция трубопровода.

(28)

2.5 Выбор теплогенератора

Теплогенератор – ТГТ-300 имеет следующие технические характеристики:

Установленная мощность 3,5 кВт.

Расход воздуха 7000 куб.м/час.

Габаритные размеры 2000 х 1300 х 1900.

Масса 1500 кг.

Расход топлива:

дрова-80 кг/час,

уголь-60 кг/час,

торфобрикет-90 кг/час,

пеллеты - 70 кг/час

Передаточная функция теплогенератора представляет собой апериодическое звено первого порядка:

, (29)

где (30)

– максимальная температура нагрева.

, (31)

где t – время нагрева до максимальной температуры.

Передаточная функция нагревательного элемента:

(32)

2.6 Выбор сушильного барабана

Сушильный барабан СБ-2,5:

Габаритные размеры:

длина 5750 мм,

ширина 1400 мм,

высота 2600 мм,

масса 1700 кг

Установленная мощность 7,8 кВт

Производительность 500 кг/час по выходу сухого продукта.

Передаточная функция сушильного барабана представляет собой апериодическое звено первого порядка:

, (33)

где (34)

– постоянная времени сушильного барабана, с; V – рабочий объем, м³;

Q_СБ – расход рабочей жидкости, м³/с.

Передаточная функция нагревательного элемента:

(35)

2.7 Выбор датчика температуры

В качестве датчика температуры для исследуемой локальной системы выберем термометр сопротивления платиновый тсп 0204

Измерение температуры термосопротивлениями основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.

Вид функции R = f(t) зависит от природы материала. Для изготовления чувствительных элементов серийных термосопротивлений применяются чистые металлы, к которым предъявляются следующие требования: металл не должен окисляться или вступать в химические реакции с измеряемой средой; температурный коэффициент электрического сопротивления металла  должен быть достаточно большим и неизменным; функция R = f(t) должна быть однозначна.

Наиболее полно указанным требованиям отвечают: платина, медь, никель, железо и другие. Основной недостаток термосопротивлений: большая инерционность (до 10 мин.).

Для измерения температуры наиболее часто применяются термосопротивления типов ТСП (платиновые) и ТСМ (медные).

ТСП 0204 предназначены для измерения температуры жидких, газообразных сред и твердых тел.

Технические характеристики:

Конструктивное исполнение 00

l, мм 50

Диапазон измеряемых температур, ⁰С 0+300

Номинальная статическая характеристика 100П

Класс допуска В

Показатель тепловой инерции, с 5

Степень защиты от пыли и воды IP55

Материал защитной арматуры 12Х18Н10Т

Термосопротивление представляет собой апериодическое звено 1–го порядка.

Рассчитаем передаточную функцию термосопротивления.

Уравнение датчика температуры:

(36)

Следовательно, передаточная функция:

(37)

где - температурный коэффициент сопротивления;

R - сопротивление;

t - температура.

Коэффициент определим по статической характеристике, представленной на рисунке 3.

Рисунок 3 - Статическая характеристика датчика температуры

Рассчитаем температурный коэффициент сопротивления:

. (38)

Постоянная времени представляет собой время обработки входного сигнала:

(39)

где – показатель тепловой инерции, с

Передаточная функция датчика температуры:

(40)

с учетом рассчитанных функций, структурная схема системы управления:

Рисунок 4 – Структурная схема системы управления с учетом

рассчитанных передаточных функций

3 РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКА ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

В качестве датчика обратной связи выбран термосопротивление ТСП 0204, определим его чувствительность.

Рассмотрим статическую характеристику термосопротивления, она представляет собой зависимость сопротивления от температуры.

Для платинового термосопротивления она имеет вид прямой, как представлено на рисунке 5.

Рисунок 5 – Статическая характеристика платинового термосопротивления

Диапазон измеряемых температур для выбранного термосопротивления ТСП 0204 составляет от 0 до 300⁰С, тогда, согласно статической характеристики, сопротивление изменяется от 71.89 Ом до 156.22 Ом.

Произведем расчет чувствительности датчика обратной связи.

Сопротивление металлического проводника R зависит от температуры, согласно формуле:

, (41)

где R₁÷R₂ – диапазон изменения сопротивления ТСП 0204;

T₁÷T₂ – диапазон изменения температуры ТСП 0204;

α – температурный коэффициент сопротивления.

Следовательно температурный коэффициент:

. (42)

Для металлического терморезистора чувствительность определяется следующим образом:

S_д = α = 0.00391 . (43) Приведем таблицу, где показана зависимость сопротивления платинового терморезистора от температуры.

Таблица 1 – Зависимость платинового термосопротивления от температуры

Температура, °С	Сопротивление, Ом
0	71.89
20	77.512
40	83.134
60	88.755
80	94.377
100	99.999
120	105.62
140	111.24
160	116.86
180	122.49
200	128.11
220	133.73
240	139.35
260	144.97
280	150.6
300	156.22

Следовательно, подобранное термосопротивление полностью удовлетворяет задаче поддержания температуры в рабочей камере термостата и подобрано верно.