Прилади для автоматичного дозування безперервної дії

Розділ 6

Автоматизація технологічних процесів

Вступ

Найважливішим напрямком науково-технічного прогресу є широке освоєння провідних технологій, автоматизація виробництва.

Сучасна автоматика - це галузь науки, яка охоплює велике коло проблем. З розвитком обчислювальних машин і пристроїв автоматика різко розширилася і стало можливим її застосування у будь-якому виробництві.

На сучасному етапі практично жоден складний виробничий технологічний процес не може обійтись без повної чи часткової автоматизації. Це пов'язано із складністю процесів, які протікають, швидкозмінністю і динамічністю режимів, необхідністю точного та своєчасного керування технологічним процесом. Тому автоматизація таких технологічних процесів є необхідною умовою для успішного проведення технологічного процесу.

Повна чи часткова автоматизація виробничих процесів передбачає контроль, регулювання, та сигналізацію технологічних параметрів за допомогою відповідних автоматичних пристроїв. Сукупність технологічного процесу та автоматичних засобів її реалізації називається автоматизованою системою керування (АСУ).

Головним напрямком у конструюванні засобів автоматизації дозування є створення вагової техніки, здатної забезпечити не тільки вимір маси - зважування, але й автоматичне керування і регулювання технологічними процесами. Сучасні автоматичні вагові і дозуючі пристрої є основною ланкою комплексної автоматизації в різних галузях промисловості.

Класифікація автоматичних вагових і дозуючих приладів для твердих матеріалів і рідин будується у відповідності зі структурою побудови технологічного процесу, тобто з розміщенням устаткування по висоті, з рухом матеріалів у потоці самопливом і при горизонтальному розміщенні устаткування, з конвеєрним транспортуванням матеріалів.

Відповідно до такого розподілу технологічних процесів виробництва автоматичні ваги і вагові дозатори класифіковані на дві основні групи (мал.**).

Терези і дозатори дискретної дії (випускаються досвідченим заводом порціонних автоматів ім. Дзержинського) являють собою механічну конструкцію, що працює з використанням кінетичної енергії потоку матеріалу, що підлягає зважуванню, і забезпечуються відповідними засобами керування і блокування.

Прилади для автоматичного дозування безперервної дії включають автоматичні вагові дозатори для безперервного автоматичного зважування і дозування витрати матеріалів.

Аналіз технологічного процесу як об'єкта управління

Операції дозування матеріальних потоків сировини найбільш часто зустрічаються практично на всіх стадіях технологічних процесів.

Під дозуванням розуміється процес видачі заданої величини витрати (порції) матеріалів в технологічні апарати для змішування і подальшої переробки. Дозування твердих та сипучих матеріалів здійснюється дозуючими пристроями, які застосовуються як в періодичних, так і в неперервних технологічних процесах.

За принципом роботи дозуючі пристрої діляться на дозатори об'ємного і масового типу. В основу об'ємного методу дозування покладена залежність:

P=Vg, де:

Р - маса матеріалу, кг; V - об'єм матеріалу, м³; g - густина матеріалу, кг/м³.

В дозаторах об'ємного типу маса дозуємого матеріалу змінюється по його об'єму. Об'ємний метод характеризується відносною простотою, але має значну похибку, що визначається коливаннями властивостей дозуємих матеріалів. Ця обставина не сприяє широкому використанню цих дозаторів.

Масовий метод дозування забезпечує більш високу точність. Дозатори такого типу найбільш пристосовані до автоматизації виробничих процесів.

Основні вимоги до пристроїв дозування в умовах безперервного виробництва такі:

– забезпечення високої точності дозування і необхідної продуктивності;

– простота конструкції та висока надійність вузлів та елементів системи управління;

– можливість побудови автоматичних комплексів, що дозволяють здійснити процес дозування по заданій програмі.

Група масових дозаторів безперервної дії являє собою найбільш досконалі засоби автоматизації і дозволяє вимірювати та стабілізувати витрату, змінювати її по заданій програмі чи підтримувати в заданому співвідношенні за показниками якості продукту чи іншими параметрами.

Якість роботи дозатора як технологічної машини може бути оцінене величиною помилки дозування, що є одним з основних показників, що визначають можливість застосування її для того чи іншого виробництва. Помилку дозування визначають як різницю між поточним і заданим значеннями витрати.

Безперервне дозування широко застосовується у всіх галузях, зокрема в харчовій промисловості: при складанні помольних партій на млинах; при складанні сумішей шоколадної маси в кондитерському виробництві; при внесенні борошна, води, солі, цукру й інших добавок у виробництві хліба; при змішуванні різних компонентів у виробництві комбікормів і т.д.

Безперервне дозування - це складний технологічний процес, що забезпечує необхідну продуктивність - масову витрату твердих та сипучих матеріалів і рідин. Процесом безперервного дозування треба керувати так, щоб забезпечити високу якість суміші дозуємих компонентів і в кінцевому рахунку якість напівфабрикату або готової продукції.

У загальному виді задачу автоматизації процесу дозування можна сформулювати так - вивчити процес безперервного дозування в цілому з урахуванням взаємодії його з всіма елементами об'єкта керування і керуючого пристрою; на основі аналізу інформації, що характеризує динаміку функціонування автоматичної системи дозування, вибрати раціональну структуру дозатора, елементів контуру керування і визначити оптимальні параметри настроювань регулятора.

Очевидно, що одним з основних елементів в автоматичній системі регулювання (АСР) витрати дозуємого матеріалу є власне об'єкт регулювання - дозатор. Тому першим етапом вивчення процесу дозування є всебічне дослідження об'єкта автоматизації і визначення придатності його до автоматизації. Під дозатором як об'єктом регулювання при цьому розуміється сукупність живильника і вантажоприймаючого пристрою - вагового конвеєра.

Автоматичні вагові безперервні дозатори призначені для вагового автоматичного дозування маси матеріалів в одиницю часу, забезпечуючи необхідну продуктивність - масову витрату твердих та сипучих матеріалів і рідин.

На відміну від ваг дискретної дії, у яких точність зважування встановлюється епізодичним настроюванням регулятора точності або регулятора випередження положення (при усякій зміні об'ємної маси матеріалу), у дозаторах безперервної дії необхідна точність дозування. підтримується автоматично.

По конструктивній ознаці дозатори можна розділити на двоагрегатні, що мають роздільні живильник і конвеєр, і одноагрегатні, у яких функції вантажоприймаючого конвеєра і живильника сполучені. У двоагрегатних дозаторах регулювання звичайно виробляється по навантаженню, а в одноагрегатних - по навантаженню і швидкості стрічки.

По продуктивності дозатори можна умовно розділити на наступні сім діапазонів:

менше 0,4 кг/год - мікровитрати;

0,4-6,3 кг/год - малі витрати;

6,3-100 кг/год - низькі витрати;

100-1600 кг/год - середні витрати;

1,6-25 т/год - великі витрати;

25-400 т/год - високі витрати;

більш 400 т/год - макровитрати.

Автоматичне безперервне вагове дозування матеріалу виробляється двома типами дозаторів: бункерними і стрічковими (рис.6.1)

Рис.6.1. - а - бункерний дозатор; б - стрічковий дозатор (1 -вантажоприймаючий транспортер; 2 - чуттєвий елемент ваг; 3 - інтегратор; 4 - датчик швидкості стрічки; 5 - потік матеріалу).

Найбільш розповсюдженими ваговими дозаторами для твердих та сипучих матеріалів є стрічкові дозатори. Вони призначені для перетворення об'ємної витрати - продуктивності потоку матеріалу 5, що надходить з живильника за допомогою чутливого елемента 2 (рис. 6.1, б) у вагове навантаження матеріалу на транспортері 1, і виміру швидкості його руху за допомогою датчика 4 швидкості стрічки. Ототожнюючи швидкість стрічки транспортера (при постійній швидкості стрічки) зі швидкістю потоку й інтегруючи за часом сигнал (інтегратор 3), пропорційний навантаженню, на транспортері одержимо сумарну масу матеріалу за визначений час. При перемінній швидкості стрічки транспортера інтегрується добуток навантаження і швидкості.

Таким чином, автоматичні стрічкові вагові дозатори безперервної (виміру маси) дії складаються з різних типів живильників, що подають матеріал, вагового стрічкового транспортера - вантажоприймаючої частини ваг, вагового механізму - чутливого елемента об'єкта регулювання, що безпосередньо сприймає зміну регульованого параметра і системи регулювання, що впливає через виконавчі механізми на регулюючий орган дозатора ( що встановлений на виході регулятора), що безпосередньо підтримує сталість подачі матеріалу живильником, тобто регульованого параметра.

Збурюючим впливом, що приводить до зміни регульованого параметра - маси матеріалу на вантажоприймаючому транспортері, і отже, продуктивності живильника, в автоматичних вагових дозаторах є зміна фізико-механічних характеристик дозуємого матеріалу - зміна гранулометричного складу, однорідності матеріалу і вологості, що у своїй сукупності визначають зміну об'ємної маси матеріалу.

Крім того, на помилку дозування впливають інерційність і помилка вагової системи, нелінійність характеристик, інерційність живильника і виконавчих механізмів та похибка приладів системи керування і регулювання. З погляду малоінерційності і простоти керування і регулювання найбільше застосування одержують вібраційні живильники. Поряд з ними інтерес становлять живильники, що регулюють подачу матеріалу зміною швидкості, як прийнято в дозаторах фірм Шенк (ФРН), Спенсер і Саймон (Англія), Хеслер (Швейцарія), пневматичних дозаторах фірми Балстер (Голландія).

Стрічкові транспортери в цих дозаторах є одночасно вантажоприймаючим пристроєм з вбудованою ваговою роликоопорою, що регулює зміну швидкості v і відповідно зміну погонного навантаження q так, щоб їхній добуток qv визначав постійне задане значення продуктивності:

Q = qv = const або Q = q(P_Т, L_загр)v= const.

У загальному випадку похибка автоматичного дозування визначається зміною швидкості v транспортера, довжини завантаження L_загр і миттєвого значення навантаження P_Т матеріалу на стрічці транспортера.

Крім похибок, що виникають від похибок окремих елементів, дозаторам, як системі автоматичного регулювання, властиві похибки відповідно величині збурюючого впливу, в залежності від зміни фізико-хімічних характеристик матеріалу.

Очевидно, похибка дозатора повинна містити в собі похибки всіх елементів системи регулювання, об'єкта регулювання, давача, задавача, регулятора, виконавчого механізму, робочого органу й інтегратора.

З трьох вихідних параметрів, що впливають на точність дозування, регулювання може вироблятися по навантаженню P_дав матеріалу на стрічці вантажоприймаючого транспортера, тоді два інших - швидкість v і довжина L_загр стрічки транспортера є настроювальними параметрами, або по двох параметрах - навантаженню P_Т і швидкості v, тоді настроювальним буде тільки один параметр L_загр. Останній метод може бути застосований для регулювання співвідношення продуктивності декількох дозаторів. Сталість настроювальних параметрів дозволяє уникнути додаткових похибок.

У стрічкових дозаторах, особливо при дозуванні вологого порошкоподібного матеріалу, передній барабан вантажоприймаючого транспортера повинний мати найменший можливий діаметр для того, щоб зі зміною продуктивності дозатора і нашарування матеріалу на стрічці різко не змінювалася робоча довжина стрічки транспортера L_загр.

Похибка дозування може бути оцінена за деякий визначений інтервал часу t (звичайно до t = 6 хв), за який через дозатор повинна пройти кількість матеріалу

У цьому випадку похибка дозування буде дорівнювати відношенню різниці фактичної кількості матеріалу G_факт і заданої маси G_зад, визначеної при сталому режимі на вагах класу 0,1 , до максимальної витрати Q_max по шкалі дозатора за той же час t з умови:

По способу дії регуляторів вагові стрічкові дозатори можуть бути розділені на дві основні групи:

1) стрічкові вагові дозатори прямої дії з безпосереднім механічним (кінематичним) зв'язком регулюючого органа, що змінює подачу матеріалу на стрічку дозатора;

2) стрічкові вагові дозатори непрямої дії з електричним, пневматичним, гідравлічним і іншим зв'язком зі стороннім джерелом енергії, що забезпечує автоматичну зміну подачі матеріалу живильником відповідно заданій продуктивності.

Найбільш відомі дозатори з регулятором прямої дії з впливом на перетин потоку матеріалу, з постійною швидкістю стрічкового транспортера і впливом на швидкість транспортера в процесі зважування.

Регулювання швидкості руху стрічки прийнято в дозаторах марки ДН-5/1 (ДН-5/2) з металевою пластинчастою стрічкою для дозування з продуктивністю до 18 кг/сек (64 т/год) матеріалів з температурою до 150° С на цементних заводах.

У схемі керування швидкістю прийнятий магнітний підсилювач - вторинний прилад з інтегратором.

Розробка системи автоматичного керування технологічним процесом

Можливість застосування в сучасних агрегатних уніфікованих, електричних, пневматичних і гідравлічних системах керування і регулювання дозаторів пневмоелектричних, електропневматичних і електричних перетворювачів робить ці системи досить гнучкими, що допускають створення різних комбінованих систем (рис. 6.2.).

Рис.6.2. Система автоматичного контролю і регулювання дозаторами

Опис функціональної схеми автоматизації

Із давача рівня матеріалу в кінцевому бункері через дистанційну передачу сигнал про рівень матеріалу іде на сигналізуючий пристрій на щиті і на станцію керування. Якщо приймальний бункер переповнений, робота дозувача в цілому припиняється, станція керування сигналізує про переповнення бункера. Інакше аналізується сигнал із давача рівня матеріалу в витратному бункері, який через дистанційну передачу передається на індикацію та сигналізацію на щиті і знову на станцію керування. При відсутності матеріалу робота дозувача зупиняється із сигналізацією відсутності матеріалу для дозування. При наявності матеріалу в бункері сигнал з станції іде на ручний аварійний вимикач на щиті, через нього на магнітний пускач - вмикається шнековий живильник, потім відкривається затвор бункера. Якщо в живильнику трапляється поломка і шнек не обертається, то інформація про цю подію з давача швидкості обертання через передачу йде на сигналізацію на щиті і на станцію керування, яка закриває затвор бункера, відключає живильник, припиняє роботу дозувача в цілому і сигналізує про аврійну роботу живильника (аналогічно проводиться аналіз роботи живильника під дозуючим бункером - пристрої давача передачі, сигналізатора). Якщо живильник справний, але матеріал на вихід живильника усе одно не подається (крупний шматок матеріалу не може вийти з бункера, матеріал не попадає в живильник), станція керування отримує дані про це із давача витрати по лінії дистанційного звґязку через сигналізуючий пристрій, і проводить повну зупинку дозувача з сигналізацією аварії при видачі матеріалу. При подачі матеріалу у кінцевий бункер постійно аналізується рівень матеріалу у ньому, при заповненні бункера подача матеріалу припиняється (закривається затвор бункера дозування, зупиняється живильник), станцією керування вимикається дозатор в цілому із сигналізацією переповнення приймального бункера. Після видачі всього матеріалу із дозуючого бункера (про що свідчать покази вагового давача) закривається затвор цього бункера і зупиняється живильник. Якщо приймальний бункер не заповнений, цикл вимірювання повторюється знову. При відкритті чи закритті затворів бункерів їх положення аналізується давачами переміщення, і якщо дійсне положення затвора не відповідає необхідному (наприклад несправний механізм відкриття затвора, матеріал при закритті затвора заважає його руху), тоді робота дозувача зупиняється (вимикаються всі робочі механізми, закривається робочий затвор бункера, якщо він є) і станція керування сигналізує про несправність затвора.

Опис засобів автоматизації

Магнітний пускач

Трьох і чотирьохполюсні електромагнітні пускачі низької напруги серії ПМ, в комбінації з тепловим реле, представляють собою недорогий розповсюджений засіб захисту і комутації електричних двигунів.

Електромагнітні пускачі потужністю до 11 кВт окрім трьох основних силових контактів, містять один допоміжний (нормально замкнений або нормально розімкнутий) контакт, який використовується для самоблокування або як додатковий контакт.

Кріпиться на DIN-рейку шириною 35 мм або гвинтами.

Пускачі серії ПМ відповідають ДСТУ 3020-95; ІЕС 947-2.

Конструкція:

Електромагнітні пускачі представляють собою електромеханічні пристрої, магнітопроводи яких розділені на дві частини: нерухому, жорсткозакріплену в основі із термостійкої пластмаси, і рухому із закріпленими контактами для комутацій електричного кола. Керування роботою ПМ здійснюється за допомогою електромагнітної котушки, розміщеної на середньому стержні нерухомої частини Ш-подібного магнітопровода.

Принцип дії:

Під дією електромагнітного поля соленоїда, виникаючого при проходженні через нього електричного струму, відбувається змикання двох частин магнітопровода з подоланням опору поворотної пружини, а також пружин силових рухомих контактів. При цьому силові контакти також змикаються, відбувається комутація. Для ліквідації ефекту брязкіту з частотою 50 Гц (частота мережі) в полюсні стержні магнітопроводу напресовані масивні, короткозамкнені алюмінієві кільця.

Трьохполюсні низьковольтні автоматичні вимикачі

Призначені для захисту електричних двигунів від перенавантажень і струмів короткого замикання, а також для оперативних їх комутацій.

Відповідають стандартам МЕК 947-2 і МЕК 947-4-1.

Кнопки керування на УкрЕМ ВА-2005:

Включення здійснюється вручну, шляхом натискання кнопки “Пуск”-“І”.

Відключення здійснюється вручну, шляхом натискання кнопки “Стоп”-”0”, або автоматично при спрацюванні термомагнітного захисту або розчеплювачів напруги.

Ручне керування можливе при застосуванні автоматичного вимикача в якості електромагнітного пускача.

Автоматічне та дистанційне керування можливе тільки при використанні автоматичного вимикача разом з контактором.

Датчик рівня ємнісній

Датчик рівня ємнісній CP30-50C (Fotek).
Ємнісній датчик рівня застосовується для визначення рівня продукту в ємностях. Регулювання чутливості за допомогою 14 оборотного тримера. Світлодіодна індикація спрацьовування.

Датчики швидкості

Призначення: Пристрій застосовується для вимірювання швидкості руху стрічки конвейєра при спільній роботі з тензоизмерителем конвейєрного типу "Мікросим-0600-К4" і як вимірник частоти обертання у складі інших вимірювальних систем.

Вимірювальне колесо за допомогою конструктивних елементів притискається до стрічки, що рухається, і перетворить поступальний рух стрічки в обертальний рух валу.

Вихідний каскад схеми - відкритий колектор. Це дозволяє підвищити перешкодостійкість лінії зв'язку з тензоизмерителем. Кабель зв'язку пропускається в корпус датчика через герметичне кабельне введення

На валу в корпусі встановлений вимірювальний диск з рівномірно розташованими на ньому отворами.Платня електричного перетворювача розташована перпендикулярно вимірювальному диску і має виріз, в який заходить частина диска з отворами. На платні один проти одного встановлена відкрита оптопара, що складається з інфрачервоних світлодіода і фотодіода. При обертанні диска отвору проходять через зазор оптопары, відкриваючи оптичний канал. При цьому фотодіод виробляє сигнал, який посилюється і нормалізується електричною схемою. Для під'єднування лінії зв'язку служить клемна колодка, розташована на платні перетворювача.

Технічні характеристики

Висновок

Враховуючи сучасні тенденції автоматизації проектованого об'єкта, рівень науково-технічної підготовки об'єкта до автоматизації та функціональні можливості сучасних засобів автоматизації, процес безперервного дозування твердих та сипучих матеріалів значно вдосконалився. Зокрема на сучасному етапі існує ряд фірм, що безпосередньо займаються розробкою, вдосконаленням та випуском даних дозаторів. Про деякі з них говориться нижче.

Науково-виробнича приватна фірма "Політехнік" розробила, сертифікувала і виготовила дослідну партію напівавтоматичних дозаторів ДВСВ для розфасовки твердих та сипучих речовин у мішки відкритого типу від 20 до 70-ти кілограмів. Дозатор, ваговий важільного (гравітаційного) типу здійснює динамічне дозування в умовах квазістаціонарного процесу. Усі операції в дозаторі (затиск і герметизація мішка, управління потоками сипучої речовини, звільнення заповненого мішка) здійснюються за рахунок потенційної енергії самої сипучої речовини. Єдина ручна операція - одягання мішка на горловину дозатора. Похибка дозування одного мішка не перевищує 0.1% від загальної маси речовини, тобто не більш 50г при засипанні 50кг. Час дозування 50кг не перевищує 7 сек. Дозатор механічного типу, електричного струму і стислого повітря не потребує.

Дозатор використовується при фасуванні твердих та сипучих речовин:

§ цукру;

§ зерна;

§ круп;

§ насінь;

§ рису;

§ кави;

§ хімічних речовин;

§ гранульованих матеріалів.

Для більш повного задоволення потреб замовників ТОВ "Авитек-Плюс" розробляє нестандартні ваги і дозатори з наступною їхньою сертифікацією Держстандартом РФ. Індивідуальний підхід дозволяє найбільше якісно реалізувати необхідні характеристики і функції. Фахівцями "Авитек-Плюс" виконуються роботи з розробки і модернізації наступних видів дозаторів: Дозатори безперервної дії за ДСТ 30124-94. Розробка і модернізація дозаторів безперервної дії проводиться шляхом доробки механізмів подачі матеріалу (транспортерів, живильників) для установки тензометричного устаткування, що забезпечує обчислення ваги дозуємого матеріалу. Додатково встановлюються датчики швидкості для точного розрахунку продуктивності і реалізації функцій керування. Для регулювання швидкістю подачі матеріалу, двигун механізмів подачі через частотний привод або інвертор (для двигунів постійного струму). Керування системою в цілому здійснюється програмувальним логічним контролером. Звичайно застосовуються контролери серії MicroLogix-1500, MicroLogix-1000 фірми AB. Завдання на дозування вводиться з панелі оператора. Додатково можуть бути реалізовані функції передачі даних у систему АСУ ТП.