2 Общая характеристика методов и средств автоматизированного перемещения и дозирования сыпучих материалов
Для перемещения СМ на различные расстояния, в том числе, и в метрологически определенном количестве (при дозировании), необходимо, прежде всего, приложить усилие. По методам приложения силы, технические средства перемещения СМ можно условно разделить на механические, гидропневматические, гравитационные и комбинированные. В первом, наиболее часто встречающемся случае, воздействие на материал производится при непосредственном контакте с рабочим органом транспортной машины (питателя), во втором – материал перемещается в потоке жидкости или газа, в третьем – течет под действием силы собственной тяжести. В комбинированных средствах присутствует сочетание перечисленных выше, например, перемещение по аэрожелобу происходит под действием составляющей силы тяжести, но при этом слой материала находится в состоянии псевдоожижения. В некоторых питающих устройствах материал перемещается при помощи рабочего органа (поршня, скребка, толкателя), а истечение происходит под действием силы тяжести [1]. Системы для механизированного перемещения СМ в большинстве своем содержат внутреннюю систему автоматического управления (регулирования) или являются частью (ИУ) АСР технологических параметров. При включении типовых дозирующих и транспортирующих устройств в контур автоматического управления без предварительного анализа и доработки, требуемое качество регулирования может быть достигнуто разве что случайно. Реализация систем автоматической подачи или дозирования как самостоятельных АСР также является достаточно сложной задачей из-за отсутствия простых и надежных промышленных датчиков расхода СМ. Выпускаемые серийно динамические расходомеры для сыпучих материалов (см. ниже, раздел ) обычно рассчитаны на узкий диапазон параметров измеряемых сред и весьма значительные расходы. При измерении расхода с применением весовых датчиков значительное воздействие на точность измерения оказывают неконтролируемые возмущения влажности материала. Вариации насыпной плотности приводят к серьезным ошибкам при объемном дозировании СМ, так как один и тот же объем соответствует разному количеству твердого компонента.
В большинстве разработок АСУ ТП питатель рассматривается как часть объекта управления, обладающая собственной инерционностью, запаздыванием, а часто и нелинейностью характеристик. Все это снижает качество регулирования и, в замкнутом контуре регулирования, может привести к возникновению нежелательных колебательных или даже неустойчивых режимов. С другой стороны, соответствующий выбор параметров контура внутренней отрицательной обратной связи дозатора позволяет обеспечить значительно более высокое качество регулирования, нежели то, которое достижимо в АСР, содержащей весь объект управления, последовательно соединенный с питателем. Дозированная подача сыпучих материалов обеспечивает, кроме того, экономию исходных компонентов.
Вместе с тем, дозатор как техническая система дороже собственно питателя, который входит в него как составляющий элемент. Кроме того, проблемы, характерные для питателей, и определяемые, прежде всего, свойствами перемещаемых материалов, сохраняются и для дозаторов. Существенное отличие состоит в том, что для дозаторов это «внутренние» проблемы, которые принципиально могут быть решены при разработке самой САД.
Дозаторами называются устройства, предназначенные для автоматического отмеривания и выдачи в течение определенного времени заданного количества материала в виде непрерывного потока или порций (доз), с определенной максимально допустимой погрешностью по расходу.
Дозаторы реализуются как системы автоматического дозирования (САД) с обратной связью по объемному или массовому расходу веществ и содержат датчик расхода, управляющее устройство (регулятор расхода) и исполнительное устройство (питатель). Системы дозирования могут снабжаться также дополнительными устройствами, например, для регулировки (настройки) объема дозы, контроля надежности, учета интегрального расхода и др.
Решить задачу управления технологическими процессами только путем стабилизации входных расходов материалов с помощью дозаторов с постоянной производительностью далеко не всегда возможно. Этот факт объясняется тем, что практически на все ТОУ действуют переменные возмущения. В связи с этим возникает необходимость непрерывной или дискретной корректировки задания системе автоматического дозирования в соответствии с изменяющейся ситуацией. В этих случаях САД в целом выполняет функции высокоточного исполнительного устройства АСР [4]. Структура АСР технологического параметра, содержащая САД с внутренней обратной связью в качестве исполнительного устройства, показана на рисунке 1.
ТОУ – технологический объект управления; САД – система автоматического дозирования; ИУ – исполнительное устройство САД (питатель); РД – регулятор расхода; Р ТП – регулятор технологического параметра. FЗД, F – заданное и текущее значения расхода материала; YЗД , Y – заданное и текущее значение технологического параметра; μY и μF – выходные сигналы регуляторов технологического параметра и расхода соответственно.
Рисунок 1 – Структура АСР технологического параметра
с автоматическим дозатором исходного материала
в качестве исполнительного устройства
Дозаторы СМ можно классифицировать по ряду функциональных признаков (таблица 1).
Объемные дозаторы СМ по достигаемой точности поддержания расхода уступают весовым устройствам. Последние в промышленности составляют большинство, однако и они подвержены существенным возмущающим воздействиям, в частности, связанным с изменением влажности дозируемого материала.
Дискретный принцип дозирования предпочтительнее в тех случаях, когда ТОУ, в который ведется дозирование, сам работает с периодом, равным или кратным периоду выдачи доз. Управляющее воздействие в виде импульсной подачи СМ положительно сказывается на качестве регулирования непрерывно функционирующих объектов с чистым запаздыванием. В большинстве САД СМ реализуется непрерывная подача с амплитудной модуляцией импульсов расхода, однако частотно- или широтно-импульсная модуляция имеет ряд преимуществ. В частности, реализация управления в виде строго регламентированных весовым или объемным методом порций (доз) материала повышает точность соответствия величины расхода заданию [].
Таблица 1 – Классификация систем дозирования СМ
Параметр (признак) |
САД |
1. По параметру, определяющему расход |
1.1. Объемные |
1.2. Массовые |
|
2. По принципу формирования расхода |
2.1. Непрерывные |
2.2. Дискретные |
|
3. По типу потока |
3.1. С непосредственным перемещением СМ |
3.2. С переносом СМ в потоке газа или жидкости |
|
4. По способу управления расходом СМ |
4.1. С амплитудной модуляцией расхода |
4.2. С частотно-импульсной модуляцией |
|
4.3. С широтно-импульсной модуляцией |
|
4.4. С комбинированной модуляцией |
|
5. По виду питателя |
5.1. С гравитационными питателями |
5.2. С механическими питателями |
|
5.3. С вибрационными питателями |
|
5.3. С аэрационными питателями |
|
6. По числу агрегатов в САД |
6.3. Одноагрегатные |
6.4. Двухагрегатные |
|
7. По виду энергии привода |
7.1. . Механические |
7.2. Электромеханические |
|
7.3. Пневматические |
|
10 По наличию подвижных элементов |
8.1. С движущимися рабочими органами |
8.2. Без подвижных элементов |
Кроме того, при импульсном контакте веществ, участвующих в технологическом процессе, значительно возрастает интенсивность тепло- и массообмена, повышается эффективность химического взаимодействия;
Управление расходом СМ при помощи потока газа (управляемое пневмотранспортирование) имеет ряд преимуществ по сравнению с САД, снабженных механическими питателями.
Аэропитатели могут быть реализованы без подвижных элементов, обладают высокой герметичностью и существенно превосходят механические питатели по надежности работы в условиях запыленности. Пневматические питатели естественным образом встраиваются в пневмотранспортные системы, применение которых характерно для современного производства во многих отраслях промышленности. В числе САД с механическими и вибрационными питателями преобладают двухагрегатные, обеспечивающие более высокую точность дозирования по сравнению с одноагрегатными системами.
Оценка точности конкретных типов дозаторов производится по данным экспериментальных исследований [1], поскольку теоретический расчет погрешности дозирования представляется достаточно сложным. Поверку дискретных объемных дозаторов можно проводить с помощью весов, поверку весовых — с помощью весов с более высоким классом точности.
Дозаторы непрерывного действия можно поверять по величине мгновенного расхода, используя соответствующий расходомер (если таковой имеется) или по интегральному расходу (количество материала, выданное дозатором за определенный промежуток времени) с последующим взвешиванием [2]. В любом случае, для определения случайной погрешности желательно произвести достаточное количество замеров расхода или доз материала (не менее 20 – 40) Fi для каждого значения уставки или задания. Затем определяется среднее значение для выборки:
|
(9) |
,где n - объем выборки (количество замеров).
Далее вычисляется среднее квадратическое отклонение:
|
(10) |
В зависимости от выбранной доверительной вероятности и числа замеров по таблицам определяется коэффициент Стьюдента t. Окончательный результат измерения погрешности расхода должен определяться с учетом систематической составляющей [5]. Класс точности дозатора определяется максимально допустимой основной погрешностью, приведенной к заданной величине расхода (для дозатора с постоянной производительностью) или к величине диапазона уставок расхода N (для дозатора с производительностью, регулируемой в определенных пределах).
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.
а) В чем состоят основные недостатки типовых промышленных АСР расхода материалов?
б) Как организована структура системы автоматического дозирования?
в) Почему АСР технологического параметра, содержащую САД в качестве ИУ, следует рассматривать как каскадную?
г) По каким признакам можно классифицировать автоматические дозаторы ?
д) В чем состоит преимущество импульсного дозирования СМ вТОУ перед непрерывной подачей?
е) Как оценивается точность дозирования?