Расчет САР дозирования сыпучих материалов для примера / Готовый

						Лист
Изм	Лист	№ докум.	Подп.	Дата

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, электротензорезисторных, вибрационно-частотных, магнито-анизотропных, ферродинамических, пневматических и гидравлических 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.

В ряде производственных процессов необходим переход от циклических (периодических) технологических схем к схемам непрерывного производства.

Поэтому в непрерывных технологических процессах производства металлургической промышленности, глиноземного производства, пищевой промышленности и других отраслей станет возможно управление технологическим процессом по оптимальным режимам загрузки всех компонентов в требуемом отношении, значение которых может определиться экспресс-анализом качества сплава или смеси, обрабатываемых по определенной программе вычислительной машиной или по показателям температуры, давления и расхода.

Весовая техника в Российской Федерации в настоящее время достигла современного уровня техники зарубежных стран, насчитывающих множество фирм, работающих в этой области.

Принципиальное значение имеют новые решения в ряде отечественных конструкций, применения новых технологий, внедрения в весоизмерительную и весодозировочную технику высоконадежных комплектующих.

В настоящее время развитие весодозировочной техники определяет проблему автоматизации самых различных технологических процессов.

Именно поэтому исследованием и разработкой весодозировочной техники, приборов и систем их управления заняты многочисленные коллективы научно-исследовательских институтов, конструкторских и проектных организаций и учебных институтов.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Применение

Дозатор применяется для автоматического взвешивании, дозирования и фасовки сыпучих материалов.

1.2. Требования

Требования, предъявляемые к системам автоматического регулирования сыпучих материалов, 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.

1.2.1. Энергоемкость

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

1.2.2. 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. Отклонение напряжения  10 Вт. Частота 50 Гц. Отклонение частоты  2%

1.2.3. 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.

1.2.4. Быстродействие

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

1.2.5. 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.

1.3. Классификация

Лабораторная весо-измерительная техника применяется для эталонного измерения массы тел измерения, например гирь, проведения поверок на предмет расхождения массы груза на лабораторных и испытуемых весах. Предела взвешивания в этих весах нет. Отличаются особой точностью измерения массы.

1.3.1. Торговые весы – это весо-измерительная техника, на табло которой, наряду с индикацией массы груза, имеется индикация стоимости за килограмм груза и индикация полной стоимости груза. Данные весы имеют функцию тарировки. Предел взвешивания от 6 до 20 килограмм. Данные весы относятся к 4 классу точности.

Рисунок 2 – Торговые весы ВР4900

1.3.2. Промышленные весы это весы, которые предназначены только для взвешивания массы груза. В вариантном исполнении в промышленных весах имеется функция счета количества изделий, находящихся на чашке или платформе весов.

Рисунок 3 – Промышленные весы ТВН

1.3.3. Медицинские весы (детские) это весы предназначенные для измерения веса и роста детей до 3 лет. Предел взвешивания до 20 килограмм. Весы выполняются из экологически чистого пластика.

Рисунок 3 – Медицинские весы (детские) ВЕ-120.

1.3.4. Сельскохозяйственные весы это весы предназначенные для поголовного взвешивания крупного рогатого скота и других животных. К данным весам предъявляются строгие требования по химзащите, пылевлагозащите, морозостойкости. В этих весах имеется возможность автономного питания. Предел взвешивания от 20 килограмм до 30 тонн.

Рисунок 4 – Весы платформенные сельскохозяйственные ВТП-СО.

1.3.5. «Гермес» - дозатор фасовочный для больших мешков типа «Big-Bag». Дозатор предназначен для автоматического взвешивания, дозирования и фасовки в большие мешки типа «Big-Bag» хорошо сыпучих продуктов, таких как керамика, бытовые моющие средства, удобрения, гранулы пластмассы, минеральные вещества. Работа дозатора основана на принципе грубой (основной) засыпки продукта в мешок с последующей тонкой досыпкой до заданного веса. Это достигается за счет двухпозиционной пневматической секторной заслонки.

Рисунок 5 – «Гермес»,

дозатор фасовочный для больших мешков типа «Big-Bag».

1.3.6. «Дора» - дозатор фасовочный для сыпучих продуктов. Дозатор предназначен для автоматического взвешивания, дозирования и фасовки в любые мешки шириной не менее 310 миллиметров. Дозатор закрепляется на горловине бункера, содержащего фасуемый продукт, либо устанавливается на стойке под горловиной бункера. Принцип работы основан на грубой (основной) засыпки продукта в мешок с последующей тонкой досыпкой до заданного веса. Это достигается за счет двухпозиционной пневматической секторной заслонки. Весовой терминал дозатора снабжен функциями счета количества отвесов и суммирования массы.

Рисунок 6 – «Дора», дозатор фасовочный для сыпучих продуктов.

1.3.7. ДШФ – дозатор шнековый фасовочный. Дозатор предназначен для автоматического взвешивания, дозирования и фасовки в мешки плохосыпучих продуктов, таких как комбикорма, отруби, минеральные вещества и др. Принцип работы основан на грубой (основной) засыпки продукта в мешок с последующей тонкой досыпкой до заданного веса. Это достигается за счет изменения оборотов шнекового питателя с помощью частотного преобразователя. Весовой терминал дозатора снабжен функциями счета количества отвесов и суммирования массы.

Рисунок 7 – ДШФ, дозатор шнековый фасовочный.

1.3.8. ДБД – дозатор бункерный дискретного действия. Дозатор предназначен для автоматического взвешивания сыпучих, плохосыпучих и жидких материалов, таких как зерно, крупа, мука, семена зернобобовых и маслянистых культур, комбикорма, гранулы пластмасс, минеральные вещества, строительные смеси, поступающие потоком отдельными порциями. Принцип работы основан на суммировании взвешиваемых отдельных порций продукта, что повышает точность взвешивания больших партий продуктов в потоке. В конструкции применяются пневматические шланговые заслонки и заслонки дроссельного типа, за счет чего достигается полная герметичность потока. В зависимости от условий технологического процесса дозатор может быть использован: для автоматической стабилизации (производительности) потока продукта, для перевешивания больших партий сыпучего продукта в потоке, для фиксированного (заданного) отвеса продукта.

Рисунок 8 – ДБД, дозатор бункерный дискретного действия.

1.3.9. ВЖ – весы вагонные железнодорожные. Данные весы применяются для взвешивания вагонов в статике и динамике, поосно и потележно. Наибольший предел взвешивания до 150 тонн, температурный диапазон от – 40 до +80˚С, длина от 3 до 20 метров. К данным весам предъявляются строгие требования по химзащите, пылевлагозащите.

Рисунок 9 – ВЖ, весы вагонные (железнодорожные).

1.3.10. ВАЭ – весы автомобильные электронные. Данные весы применяются для взвешивания любого автотранспорта в любых условиях. Наибольший предел взвешивания до 300 тонн. К данным весам предъявляются строгие требования по химзащите, пылевлагозащите, морозостойкости.

Рисунок 10 – ВАЭ, весы автомобильные электронные.

1.3.11. ВЛТ – весовой ленточный транспортер. Данный весовой ленточный транспортер предназначен для взвешивания и сортировки различных штучных грузов, например коробок, мешков, чемоданов, пакетов на движущейся ленте транспортера. Наибольший предел взвешивания до 300 килограмм.

Рисунок 11 – ВЛТ, весовой ленточный транспортер.

1.3.12. ЦКВ – цифровые крановые весы. Данные цифровые краны применяются для взвешивания при погрузочных работах, а также негабаритных грузов. Данные весы рассчитаны на взвешивание грузов массой до 30тонн, изготовлены в пылевлагозатитном корпусе, имеют широкий температурный диапазон, возможность дистанционного управления, наличие яркого индикатора и встроенного аккумулятора.

Рисунок 12 – ЦКВ, Цифровые крановые весы.

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.

2 Описание структурной схемы САР дозирования сыпучих материалов

U₂

Q

M

I

M

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.

2.1.1. Описание принципиальной схемы. 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.

В качестве расчета САР дозирования сыпучих материалов выберем процесс наполнения мешков сыпучим материалом (песок, цемент, сахар и т.д.).

Рассмотрим его (рисунок 13):

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 13 – 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.

Выберем параметр управления:

– регулирование расхода сыпучего материала.

Параметр эффективности:

- масса сыпучего материала, оказавшегося в мешке.

2.2.1. 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.

2.2.2 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

2.2.3 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

2.2.4 Разделительный синтез

Проектируемая система - аналоговая, состоящая из:

• задающее устройство

• суммирующее устройство

• усилитель

• электродвигатель

• редуктор

• питатель

• датчик

2.2.5 Математическая модель каждого звена:

2.2.5.1 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 14):

Рисунок 14 – 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:

2.2.5.2 Двигатель

Одной из основный характеристик двигателя является зависимость его массы от номинальной мощности, снимаемой с вала. Из трех типов двигателей – электрических, гидравлических, пневматических – наименьшую массу имеет гидравлический двигатель, а наибольшую – электрический, но электрические самые простые в эксплуатации.

Обычно в САР двигатели работают в реверсивном режиме. В этом случае определяющей характеристикой двигателя является скорость нарастания пусковой мощности.

Если двигатель работает в стационарном режиме, то определяющей является номинальная мощность. Наименьшей постоянной времени обладает электродвигатель с полыми или дисковыми роторами, но с мощностями, не превышающими 5-6 кВт. ЭД с высоким значением крутящего момента обладает постоянной времени в 50 раз меньшей, чем обычные ЭД. При больших мощностях применяют гидравлические двигатели.

Выберем электрический двигатель постоянного тока тип АО261

ЭД постоянного тока питаются от генераторов, электромашинных, магнитных, тиристорных и транзисторных усилителей. Эти усилители должны обеспечивать изменение угловой скорости в широком диапазоне.

Напряжение U = 380 В

Мощность двигателя N = 121 Вт

Число оборотов вала двигателя n = 800 об/мин

Рисунок 7 – Электрическая схема двигателя

Д - двигатель

ОВ – обмотка возбуждения

ОК – обмотка компенсационная

w – вращение вала

U_в – напряжение возбуждения

U_у - напряжение управления

Передаточная функция электродвигателя постоянного тока имеет вид:

- коэффициент передачи двигателя (напряжение - скорость)

- постоянная электродвигателя – отражает конструктивные особенности двигателя и включает в себя как правило электрические и механические характеристики двигателя: размеры ротора, статора, момент инерции ротора, материал стали сердечника, количество полюсов и т.д.

Двигатель типа АО261 имеет следующие преимущества:

1. шкалу мощностей с увеличенным числом ступеней: 18

2. повышенные энергетические показатели

3. меньший вес на единицу мощности

4. меньшие габариты

5. соответствие установочных размеров рекомендациям международной электротехнической комиссии

6. большую эксплуатационную надежность

7. большие эксплуатационные удобства: возможность расположения выводного устройства как справа, так и слева по отношению к свободному концу вала двигателя