Введение

Механизация и комплексная автоматизация промышленности и транспорта во многом зависят от создания совершенных средств автоматического взвешивания и дозирования сыпучих материалов и жидкостей в химической, металлургической, угольной и пищевой промышленности, строительстве, железнодорожном, речном и морском транспорте, производстве стройматериалов и пластмасс.

Разработка совершенных типов весов и весовых дозирующих приборов ведется на базе применения упругих весовых элементов, электрорезистивных, вибрационно-частотных, магнито-анизотропных, ферродинамических, пневматических датчиков в совокупности с наиболее совершенными электрическими, пневматическими, гидравлическими агрегатными унифицированными системами регулирования, управляемыми по различным технологическим показателям счетно- аналитическими машинами и другими средствами автоматизации.

Приборы и средства автоматизации для измерения и дозирования массы, предназначенные для автоматизации взвешивания, учета и дозирования различных материалов, сырья, полуфабрикатов и готовой продукции, включают в себя различные весы и весовые дозаторы. Возможная классификация весов и весовых дозаторов в зависимости от погрешности, пределов и производительности, уровня их автоматизации и области применения охватывает 4 основные группы (рисунок 1):

Рисунок 1 - Классификация приборов для измерения и дозирования массы.

Конструкции и схемы автоматических весовых дозаторов, предназначенных для автоматизации взвешивания и дозирования жидкостей, по характеру технологического процесса производства разделяются на две группы: дискретного и непрерывного действия.

Схема дозаторов дискретного действия призвана обеспечить равномерную, регулируемую загрузку грузоприемного бункера дозируемого материала в соответствии с установленными для нее циклом и требуемой точностью взвешивания.

Основными достоинствами этих дозаторов являются сравнительная простота конструкции, высокая точность (до  0,1%).

В соответствии с физико-химическими характеристиками дозируемого материала и требованиями точности дозирования дозаторы имеют различные типы питателей, весоизмерительные грузоприемные устройства и СУ.

Автоматические весовые и дозирующие приборы могут строиться с применением различных типов весовых механизмов (рычажных, упругих элементов, электротензорезисторных, вибрационно-частотных, пневматических и гидравлических датчиков и их комбинаций).

Главным направлением в конструировании средств автоматизации взвешивания и дозирования является создание весовой техники способной обеспечить не только измерение массы – взвешивание, но и автоматическое управление и регулирование технологическими процессами. Современные автоматические весовые и дозирующие устройства являются основным звеном комплексной автоматизации в различных отраслях промышленности.

Классификация автоматических весовых и дозирующих приборов для сыпучих материалов и жидкостей строится в соответствии со структурой построения технологического процесса, т.е. с размещением оборудования по высоте, с движением материалов в потоке самотеком и при горизонтальном размещении оборудования, с конвейерной транспортировкой материалов.

В соответствии с таким делением технологических процессов производства автоматические весы и весовые дозаторы классифицированы на две основные группы (рисунок 2):

Рисунок 2 – Классификация автоматических весов и весовых дозаторов

В качестве процесса для внедрения разрабатываемой ЛСУ выберем процесс наполнения мешков сыпучим материалом (песок, цемент, сахар и т.д.).

Рассмотрим его (рисунок 3):

Подача (1) ленточным механизмом (2), который управляется двигателем (8) - пустого мешка (3) на выполнение операции загрузки (4) мешка сыпучим материалом из дозатора, установленного в схеме весового дозирования. Окончание выполнения операции контролируется датчиком. В момент окончания происходит перемещение (5) наполненного мешка (7) на операцию зашивки (6), одновременно с этим подается новый мешок на загрузку. По окончании операции зашивки мешка производится его удаление

из аппарата, перемещение последующего мешка на зашивку и пустого на загрузку. Цикл повторяется.

Рисунок 3 – Процесс наполнения мешков сыпучим материалом

1 – подача пустого мешка на загрузку;

2 – лентоподающий механизм;

3 – пустой мешок;

4 – загрузка;

5 – перемещение наполненного мешка;

6 – зашивка;

7 – наполненный мешок;

8 – двигатель лентоподающего механизма;

9 – линии связи и управления.

Механизм автоматической загрузки мешков является многосвязным объектом, т.е. в нем необходимо управлять несколькими величинами и соответственно устанавливать несколько локальных систем управления.

По заданию курсового проекта необходимо разработать локальную (управляющую одним параметром) систему управления.

Выберем параметр управления:

– регулирование расхода сыпучего материала.

Параметр эффективности:

- масса сыпучего материала, оказавшегося в мешке.

1 РАСШИРЕННОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1.1 Название

"Система автоматического регулирования расхода сыпучих материалов"

2. Требования, предъявляемые к ЛСУ

Требования, предъявляемые к системам управления автоматических весовых дозаторов, должны соответствовать задаче автоматизации технологических процессов. В самом общем случае они могут быть сформулированы следующим образом.

Должны быть установлены алгоритмы и оптимальные схемы управления дозаторами дискретного и непрерывного действия, обеспечивающие однокомпонентное и многокомпонентное дозирование материалов с требуемыми метрологическими и функциональными зависимостями в системах автоматического регулирования и управления технологическими процессами производства.

Решению этой важной научно-технической проблемы должны предшествовать создание автономных и связных агрегатных систем управления однокомпонентного и многокомпонентного дозирования с унифицированными входными и выходными сигналами (электрическими, пневматическими и гидравлическими), обеспечивающих коррекцию регулируемых параметров по сигналам датчиков, характеризующих различные показатели процесса и показатели качества конечного продукта или полупродукта.

Автоматические весовые дозаторы дискретного действия в настоящее время особенно широко применяются в различных отраслях народного хозяйства.

1. Энергоемкость

Проектируемое дозирующее устройство должно обеспечивать дозирование сыпучих материалов по 50 кг в упаковку.

Произведем расчет энергоемкости:

Выпуск за смену:

За час:

Один мешок-

Энергоемкость человека составляет порядка 100 Вт, таким образом человек не в состоянии обеспечить выполнение данного процесса в ручную.

Вывод - ЛСУ необходима, её разработка и внедрение оправданы.

1. Вид потребляемой энергии

В качестве энергии питания устройства выбираем электроэнергию, как относительно недорогой, весьма доступный, удобный, экологически чистый вид энергии.

Устройство работает на напряжении 380 Вт.

Обязательно должен иметься нулевой провод.

Отклонение напряжения  10 Вт.

Частота 50 Гц

Отклонение частоты  2%

3. Надежность

Срок службы дозатора – 4-5 лет при регулярном обслуживании и текущем ремонте. Быстроизнашивающимися деталями являются резиновые втулки, прокладки, которые заменяются при периодическом техническом обслуживании и ремонте.

4. Быстродействие

Требуемое быстродействие – 30 упаковок по 50 кг в час или 1 упаковка за 2 минуты.

5. Точность

Выберем точность  1%, то есть  0,5 кг.

6. Вид ЛСУ

Данная ЛСУ будет являться аналоговой.

7. Элементная база

В ходе проектирования подбираем:

1. Усилитель

2. Электродвигатель

3. Редуктор

4. Питатель

5. Датчик

8. Влияние внешних возмущений

Оптимальная температура для работы устройства +5 - +20^оС. Устройство предназначено для установки в сухих, отапливаемых, закрытых помещениях.

Влажность 60%.

Уровень шума 72 дБ

9. Масса и габариты

Масса и габариты устанавливаются в процессе проектирования

10. Эргономика

Все внутренние детали автомата закрыты защитным щитком (кожухом). Ремонт, смазка, регулировка, наладка и замена деталей допускается, только если автомат находится в выключенном состоянии.

При перерывах в работе автомата необходимо производить контрольное взвешивание дозы жидкости.

Транспортировка должна производиться в вертикальном положении, допускается провоз железнодорожным, автомобильным и морским транспортом.

2 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

2.1 Элементный синтез

Структурная схема системы автоматического регулирования дозирования жидкости представлена на рисунке 2.

Рисунок 4 - Структурная схема САР дозирования сыпучего материала

ЗУ - задающее устройство;

УС - усилитель;

ЭД - электродвигатель;

Ред. - редуктор;

РО - регулирующий орган (питатель);

ОУ - объект управления;

Дат. – датчик;

I₀ – задание с задатчика;

I₁ – сигнал рассогласования на выходе суммирующего устройства;

U₂ – напряжение на выходе усилителя;

₁ – угловая скорость вращения вала электродвигателя;

₂ – угловая скорость вращения вала редуктора;

Q – расход сыпучего материала;

М – масса отгруженного материала;

I – выходная величина тензодатчика.

2.2 Метрологический синтез

Заключается в том, что выбираются точностные характеристики и погрешности каждого звена, начиная с ОУ. Погрешность питателя должна составлять  1% или 0.5 кг.

2.3 Энергетический синтез

Это синтез согласования входных и выходных мощностей предыдущего и последующего звеньев.

По принципу согласования мощностей:

выходная мощность предыдущего звена должна быть относительно входной мощности последующего с запасом 10%.

Преобразованию подвергаются прямая и обратная ветви.

1. Питатель N_вых = 100 Вт.

2. Редуктор N_вых = 100 * 1,1 = 110 Вт.

3. Электродвигатель N_вых = 110 * 1,1 = 121 Вт

4. Усилитель. Как правило в ЛСУ используют двигатели постоянного тока с независимой обмоткой управления. Эти двигатели обладают коэффициентом усиления по мощности

К_N = N_эд/N_ус = 100

N_ус = 121/100 = 1.21 Вт

Выходная мощность на выходе суммирующего устройства определяется входными параметрами усилителя.

Параметры задающего устройства определяются входными параметрами сумматора.

Переходим к обратной связи

Мощность на выходе датчика N_вых = 0,2 Вт

2.4 Временной синтез по быстродействию

1. Питатель t = 120 cек

2. Редуктор t = 120 * 0,9 = 108 cек

3. Электродвигатель t = 108 * 0,9 = 92.7 cек

4. Усилитель t = 92.7 * 0,9 = 87.48 cек

2.5 Разделительный синтез

Проектируемая система - аналоговая, состоящая из:

• задающее устройство

• суммирующее устройство

• усилитель

• электродвигатель

• редуктор

• питатель

• датчик

2.6 Математическая модель каждого звена:

2.6.1 Питатель сыпучего материала

При дискретном (пропорциональном) и непрерывном дозировании сыпучий материалов приходится сталкиваться с особыми трудностями выдачи этих материалов из бункеров и других вспомогательных емкостей.

Эти трудности объясняются тем. Что в отличие от жидкостей сыпучие материалы по-разному ведут себя при загрузке и выгрузке. Если загрузка бункеров сыпучим материалом достаточно проста, то их выгрузка вызывает большие трудности, связанные с особенностями распределения давления, характером истечения материала и склонностью сыпучего материала к слеживанию и образованию сводов.

Эти присущие всем материалам особенности проявляются по разному в различных материалах в зависимости от физико-механических характеристик и свойств различных сыпучих материалов, угла естественного откоса, коэффициента внутреннего трения, объемной массы материала, сцепления частиц, влажности и гигроскопичности материала, гранулометрического состава и сыпучести, характеризующей способность материала к истечению без побуждения.

В качестве питателя (избавленного от недостатков указанных выше) применяю шнековый питатель (рисунок 6):

Рисунок 6 – Шнековый питатель

Передаточная функция шнекового питателя имеет вид:

Произведем расчет параметров питателя:

где:

- диаметр шнека в м;

- шаг шнека в м;

- объемная масса в кг/м³;

- число оборотов в минуту;

- коэффициент заполнения материала (0.8 - 1)

Выберем коэффициент заполнения – 0.9

Питатель имеет производительность:

Отсюда находим :

- (число оборотов шнека в минуту) =

Определим величину Т:

Таким образом, шнековый питатель имеет передаточную функцию: