Размещено на http://www.allbest.ru/

Робастна автоматична система керування спірального дозатора сипучих матеріалів із від'ємним коефіцієнтом в'язкого тертя

Вступ

Технологія зберігання і переробки сипучих матеріалів пов'язана з постійним контролем і обліком маси сировини, проміжних продуктів і готової продукції, які здійснюють за допомогою ваговимірювального устаткування - ваг різного призначення і дозаторів.

Зростання виробництва, потоковий його характер і підвищені вимоги до якості продукції, зумовлюють постійне удосконалення ваговимірювальної техніки, приводить до появи нових і модернізації існуючих зразків вагового і дозуючого обладнання.

Ваговимірювальне устаткування входить до складу більшості транспортно-технологічних ліній підприємств зернопереробної, хлібопекарської і макаронної промисловості. На елеваторах і хлібоприймальних підприємствах ваговимірювальне обладнання використовують при прийманні і відвантаженні зерна, а також для оперативного обліку його маси при обробці і зберіганні. На борошномельних і круп'яних заводах ваговимірювальне устаткування застосовують для контролю маси сировини, проміжних продуктів і готової продукції, при фасуванні борошна і крупи в пакети, мішки. Технологія комбікормового виробництва побудована на багатокомпонентному ваговому дозуванні, при якому ваговимірювальне устаткування відіграє вирішальну роль. Функціонування хлібопекарських заводів і макаронних фабрик також неможливо без використання ваг і дозаторів різного призначення.

Збільшення випуску товарів у фасованому виді, забезпечить більш ощадливу витрату продуктів, підвищить культуру торгівлі і продуктивність праці, дозволить значно знизити втрати продукту при їхньому транспортуванні.

Впровадження високомеханізованого фасувально-пакувального устаткування на промислових підприємствах шляхом створення і впровадження машин, автоматів, поточно-механізованих і автоматизованих ліній дозволяє одержати високу економічну ефективність у результаті збільшення продуктивності праці і вивільнення значного числа робітників.

Особливу роль здобуває ваговимірювальна техніка при рішенні питань удосконалення технологічного контролю виробництва. Метрологічні параметри вагового і дозуючого устаткування у значній мірі впливають на показники якості продукції, що випускається, і поліпшення їх пов'язане головним чином з удосконаленням застосовуваного устаткування.

Серед різноманітних типів дозаторів, які застосовуються в харчовій, хімічній, переробній промисловості, набули широкого застосування дозатори з спірально-гвинтовим транспортером.

В теперішній час спірально-гвинтовий транспортер оснащується нерегульованим електроприводом на базі асинхронного двигуна і працює в режимі живильників сипучих матеріалів.

При використанні регульованого електропривода постійного чи змінного струму планується не тільки підвищити точність дозування, але і спростити конструкцію дозаторних пристроїв за рахунок відмови від використання привода змішування у бункері накопичувача. Це дозволить перейти до неперервного процесу дозування сипучих матеріалів.

Мета роботи полягає у обґрунтуванні, розробці та дослідження математичної моделі регульованого електропривода спірально-гвинтового дозатора лінії подачі сипучих матеріалів на базі електроприводів постійного та змінного струмів.

При цьому для розробки системи автоматичного керування СГТ, який працює сумісно з бункером ваговимірювача необхідно врахувати такі особливості, що суттєво впливають на САК, що розробляється:

1. нелінійність механічної характеристики навантаження транспортера, яка змінюється в залежності від режиму роботи. Наявність спадаючої ділянки з від'ємною жорсткістю при певному співвідношенні приводить до початкової статичної і динамічної нестійкості об'єкта, що в свою чергу зумовлює автоколивання в системі. Ці явища викликані проковзуванням транспортера по відношенню до матеріалу, що переміщується;

2. пружність кінематичних зв'язків кінематичної схеми в процесі роботи механізму, коли в залежності від режиму роботи схема може розглядатися як одномасова, двохмасова і трьохмасова.

3. синтезована система регулювання повинна мати астатичні характеристики з метою відсутності статичних похибок по швидкості, і по положенню. Це дозволить суттєво зменшити кількість некондиційних фасувальних одиниць внаслідок невідповідності вимогам точності дозування.

В даній роботі запропоновано вирішення задачі по забезпеченню динамічної стійкості електромеханічної системи з від'ємним коефіцієнтом в'язкого тертя на основі поліноміального методу синтезу систем з використанням методу ланцюгових дробів для пониження порядку її вихідної не мінімально-фазової передаточної функції. Він дозволяє задавати системі бажані динамічні якості у всьому діапазоні зміни параметрів нестійкого об'єкту і визначити вплив на ці властивості синтезованих параметрів регулятора, а також при збереженні структури систем підпорядкованого керування здійснювати синтез регуляторів при незмінному налаштуванні внутрішнього контуру.

1. Опис технології та конструкції дозаторів

1.1 Технологія фасування сипучих матеріалів

Технологічний процес включає всі операції по фасуванню сипучих матеріалів в дрібну споживчу тару, а також фасування і відвантаження в мішках.

Крім безтарного способу зберігання і відвантаження порошків та сипучих матеріалів, у наш час широко застосовують упакування його в мішки і фасування в пакети. Впровадження високомеханізованого ваговибійного і фасувально-пакувального обладнання забезпечує високу економічну ефективність у результаті підвищення продуктивності праці і вивільнення значної кількості обслуговуючого персоналу.

Розглянемо склад та порядок виконання технологічних операцій на прикладі борошномельної промисловості. У відділенні готової продукції здійснюють наступні основні технологічні операції: безтарне зберігання борошна по потоках; формування різних сортів борошна відповідно до вимог хлібопекарської, кондитерській промисловості та інших споживачів, а також її вітамінізацію; гомогенізацію; безтарний відпуск борошна на автомобільний і залізничний транспорт; вибій борошна і манної крупи в мішки масою 50 кг і зберігання їх у складі; відпуск борошна в мішках у залізничні вагони, а також у пакетах без піддонів; відпуск борошна в мішках на автомобільний транспорт, а також фасованого борошна в блоках по 12 кг на піддонах; фасування борошна і манної крупи в одинарні пакети масою до 5 кг із груповим упакуванням їх у блоки по шість пакетів; гранулювання, зберігання і відпуск висівок на автомобільний або залізничний транспорт.

Автоматичні дозуючі пристрої беруть участь у технологічних операціях по вітамінізації та формуванні сортів борошна, вибої борошна, манної крупи, круп у мішки по 50 кг, фасуванні борошна та манної крупи в пакети масою до 5 кг.

Розглянемо докладніше окремо кожен технологічний процес.

1.1.1 Формування сортів і вітамінізація борошна

Сорт борошна формують за допомогою багатокомпонентних вагових дозаторів 6.140 АД - 3000М, 10ДК - 2500, 6.139 АД - 10 - ВД і змішувача А9-БСГ-3 періодичної дії. Над дозаторами запроектовані бункери, які забезпечують роботу установки без додаткової подачі борошна протягом 4,5 год.

Таблиця 1.1. Основні технічні характеристики багатокомпонентних дозаторів

У результаті формування сортів можна отримати борошно вищого, першого, другого ґатунку, обойний, а також спеціальні сорти для кондитерського виробництва.

Система формування борошна по ґатунках і сортах точно забезпечує задану якість і її стабільність протягом тривалого часу. Стабілізація якості борошна, що не залежить від фактичної якості складових компонентів, а також облік специфічних вимог споживачів дозволяють більш ефективно і раціонально використовувати борошно для різноманітних цілей. Так, низькобілкові її фракції використовуються для кондитерських цілей, а потоки з високим вмістом білка - для хлібопекарських цілей. Відповідно до якості компонентів, отриманих у процесі розмелу зерна, можна розрахувати оптимальні рецепти формування борошна по сортах, одночасно з оглядом на споживчий попит.

Формування борошна по ґатунках і сортах дає можливість повніше використати місткість бункерів, що виключає можливість злежування якого-небудь борошна.

Після формування борошно проходить контроль у відцентрових машинах, що просівають його, і надходить у шлюзовий живильник аерозольно-транспортної лінії продуктивністю 36…40 т/год. Над нею розташовані чотири бункери для борошна загальною місткістю 60 т і один бункер для манної крупи місткістю 20 т. Наявність шести живильників дозволяє здійснити вибій на кожній установці до трьох сортів борошна без очищення живильних пристроїв. Установка призначена для автоматичного зважування і затарювання борошна в полотняні або поліетиленові мішки на підприємствах, що відвантажують її в залізничні вагони безпосередньо з вибійного відділення, минаючи склад готової продукції.

Також для автоматичного зважування та вибою муки та манної крупи в полотняні або паперові мішки широко застосовуються напівавтоматичні карусельні ваговибойні апарати зарубіжного виробництва типу ZPL - 400, MWPK - 3, 4, 6.

Таблиця 1.2. Основні технічні характеристики карусельних ваговибойних апаратів

Іншим типом обладнання для зважування та вибою сипучих матеріалів в мішки є одноголовкові напівавтоматичні вагові дозатори типу ДВМ - 50П, ДМП - 100, ДК - 100, 6.143 АД - 50 МЕ призначені для дозування лише певного виду сипучих матеріалів. Вони мають меншу продуктивність у порівнянні з карусельними установками, вимагають проміжного складування та не дозволяють повністю механізувати процес вибою муки через відсутність мішкозашивочних машин у своєму складі. Тому застосовуються на підприємствах з невеликою виробничою потужністю та міні-цехах по фасуванню та пакуванню сипучих вантажів.

Таблиця 1.3. Основні технічні характеристики автоматичних дозаторів

Конструкційно дані дозатори від автоматичних дозаторів інших типів відрізняються тільки наявністю механізму ущільнення сипучих матеріалів в мішку та аспіраційного чохла для зменшення запилення. Система автоматичного дозування аналогічна іншим типам дозаторів.

Після вибою мішки з борошном направляють стрічковими конвеєрами в склад, де їх за допомогою автоматичної машини укладають на піддони або за допомогою установки для навантаження мішків здійснюють потокове відвантаження борошна в залізничні вагони.

1.1.2 Фасування сипучих матеріалів в пакети

Досвід розробки і експлуатації фасувального обладнання показав, що найбільш перспективним напрямком є сполучення пакетозаготівельної і фасувальної частини в одному автоматі. До автоматів, що сполучають ці частини, відносять автомат А5-АФБ, А5-АЛБ із об'ємним стаканчиковим дозатором, автомати серії А5-АФА, які є багатофункціональним високопродуктивним устаткуванням, оснащеним системами керування, контролю і регулювання.

Таблиця 1.4. Основні технічні характеристики автоматів для пакування сипучих матеріалів

В автоматах введене автоматичне регулювання об'ємних стаканчикових дозаторів, що забезпечує стабілізацію середнього значення маси продукту в упаковках, а також передбачене відбраковування некондиційних по масі упаковок. Це виключає можливість поставки споживачеві упаковок із продуктом, маса яких виходить за допуски, установлені державними стандартами.

Для борошна використовують високопродуктивний автомат А5-АФК зі шнековими дозаторами і автомат А5-АФЛ. В автоматі застосована операція досипання при основному дозуванні нижче номінальної маси. Це дозволяє отримати високу точність дозування при незначному числі відбракованої продукції. Також знайшли широке застосування фасувально-пакувальні автомати зарубіжних фірм H - PMBR, PLS, SP - 31.

Фасування сипучих продуктів здійснюють в основному в картонні і паперові пакети масою від 0,5 до 3 кг. Пакети виконують одинарними і подвійними. При цьому можливі різні випадки:

роздільне виготовлення пакетів і фасування в них продуктів;

одночасне виготовлення, заповнення і закупорювання пакета.

У першому випадку виготовлення пакетів і заповнення їхніх продуктів здійснюють на різному устаткуванні, не зв'язаному між собою і яке необов'язково повинне бути на одному підприємстві. У другому випадку пакетозаготівельні автомати є складовою частиною фасувально-пакувального устаткування.

Сучасне фасувально-пакувальне обладнання має велику кількість вузлів та механізмів. Центральними вузлами являються пристрої дозування та автоматичного контролю маси розфасованого продукту, так як вони у кінцевому розрахунку забезпечують необхідні показники якості та точності кінцевого продукту.

У автоматичні лінії фасувально-пакувальних і технологічних ліній вмонтовують автоматичні дозатори різних типів та продуктивності, в залежності від призначення та можливостей самих ліній. Серед найбільш поширених це ДАРК - 1, ДАРМ - 3, АРМ - 2, РРК - 1, 6.040 АД - 4 - СК.

Таблиця 1.5. Технічні характеристики автоматичних дозаторів

У сучасному фасувальному устаткуванні обов'язкове застосування електронних систем керування і контролю. Такі системи застосовані в автоматах А5-АФБ, А5-АФА, А5-АФК, А5-АФЛ. У цей час електронні системи керування виконуються на базі інтегральних мікросхем.

Типовий технологічний процес фасування наступний. На першому етапі на пакетозаготівельному обладнанні відбувається виготовлення тари - одинарного чи подвійного пакету - що включає процес формування пакета, загортання дна, проклеювання швів, нанесення етикетки та його передача на фасування.

Другим етапом є фасування продукту, яке полягає у безпосередньому фасуванні, ущільненні вмісту пакета, контрольному зважуванні та при необхідності його відбракування та таровирівнюючі операції.

Третім етапом є закупорка пакету. Воно включає в себе складення та обрізку вершини пакета, утворення замка верха пакета та нанесення клею, притиск вершини пакету та формування транспортно-пакувальної одиниці.

1.2 Опис конструкцій дозаторів

В залежності від конструкції стаціонарні автоматичні дозатори поділяються на рівноплечеві та нерівноплечеві. Автоматичні рівноплечеві дозатори найбільш прості по конструкції, не мають окремого привода. Нерівноплечеві дозатори потребують для зважування меншу кількість гир, полегшують процедуру зважування в разі дозування великих порцій матеріалів.

Однокомпонентний ваговий дозатор з нерівноплечевим коромисловим механізмом призначений для дозування сипучих матеріалів і обладнаний електропневматичним керуванням. Коромисло 18 вагового механізму неравнопліче, з передаточним відношенням 1:5. До правого плеча підвішений ківш 2 із двостулковим дном 4, 5, що відкривається і закривається пневмоциліндром 1 через систему важелів і тяг 6. На лівому плечі коромисла підвішений гиретримач 9.

Рис. 1.2. Автоматичний однокомпонентний дозатор дискретної дії з коромисловим механізмом і електропневматичним керуванням

У верхній частині дозатора розташований дворежимний шнековий живильник. Випускна горловина живильника обладнана секторною заслінкою 26. Привод заслінки здійснюється за допомогою пневмоциліндра 24. Привод шнека 23 здійснюється від двошвидкісного електродвигуна 20 через клиноремінну передачу 21.

Виконавчими механізмами керують безконтактні кінцеві вимикачі 3, 14, 15 і 25, взаємодіючі, з коромислом і важелями. Залежно від положення БКВ електропневматичні розподільники, що входять у систему автоматизації дозатора, подають стиснене повітря тиском 0,4 МПа в праві або ліві порожнини пневмоциліндпів 1, 24.

Опис роботи однокомпонентного дозатора з коромисловим механізмом розглянуто в п. 2.2 на прикладі автоматичного дозатора ДВМ - 50П.

Однокомпонентні вагові дозатори із циферблатним покажчиком обладнанні об'ємним дозатором безперервної дії 1 - живильником, що завжди входить як складова частина у вагові дозатори і має два режими роботи: з більшою і меншою продуктивністю. Останнє досягається шляхом перемикання швидкості електродвигуна, опускання манжети тарілчастого живильника і т.д.

Рис. 1.3. Схема вагового дозатора з циферблатним покажчиком

На призмах малого плеча вантажоприйомного важеля 4 підвішений ківш 2 із дном, що відкривається, 3. Велике плече за допомогою тяг 6, 8 і проміжного важеля 7 зв'язаного з циферблатним вказівним приладом 9, на якому встановлені безконтактні датчики грубої маси 12, точної маси 13 і нульового положення 11 стрілки 10. На великому плечі розташована також противага 5. Керування живильником і виконавчим механізмом відкривання дна ковша виробляється по сигналах датчиків 11, 12, 13. При включенні дозатора починає працювати живильник з повною продуктивністю; у міру наповнення ковша продуктом стрілка 10, переміщаючись по циферблаті, досягає датчика грубої маси 12, що дає команду на перехід живильника в режим малої продуктивності - режим досипання. По досягненні точної маси датчик 13 дає команду на вимикання живильника і відкриття дна ковша. Остання операція здійснюється електричними або пневматичними виконавчими механізмами через важелі і тяги. Після спорожнювання ковша стрілка повертається у вихідне положення, спрацьовує датчик 11, і цикл починається знову.

Датчики 12 і 13, зв'язані між собою, можуть переміщатися уздовж циферблата, чим задається необхідна величина порції.

При необхідності дозування декількох компонентів однокомпонентні дозатори об'єднують у батареї.

У багатокомпонентних дозаторах із циферблатним покажчиком матеріали послідовно подаються в той самий ківш. Кінематична схема таких дозаторів аналогічна показаної на рис. 1.3, але над ковшем розташовані декілька живильників, а в циферблатний вказівний прилад вбудовано кілька датчиків. Кожний компонент дозується окремим живильником послідовно, маса дози задається наростаючим підсумком.

Після включення дозатора починає працювати живильник першого компонента, спочатку в режимі основної подачі, а потім у режимі досипання. Після досягнення заданої маси по першому компоненту його живильник відключається, автоматично включається наступний і так до повного виконання програми. Після закінчення роботи останнього живильника подається імпульс на спорожнювання ковша. Через якийсь час після повернення стрілки циферблата у вихідне положення подається команда на закриття дна ковша, і цикл починається заново.

В одну ємність можуть дозуватися також спільно сипучі і рідкі компоненти. У деяких конструкціях на одному ваговому важелі розташовано кілька ємностей, кожна для певного компонента; наповнення ємностей відбувається послідовно, а вивантаження - одночасно.

Сучасні дозатори такого типу мають як елемент, що програмує масу дози, програмоносії. Програму змінюють при переході на новий рецепт суміші.

Для зменшення динамічної помилки в системі здійснюється попередження дози, тобто живильник відключається трохи раніше, ніж буде досягнута відповідна маса.

Дозатори безперервної дії. Автоматичні дозатори дискретної дії подають продукт у вигляді окремих порцій. Разом з тим багато технологічних процесів часто вимагають безперервного дозування із заданою масовою витратою, причому точність об'ємного способу не завжди прийнятна. У цих випадках застосовують вагові дозатори безперервної дії. На рис. 1.4 показана спрощена схема такого дозатора.

Рис. 1.4. Схема вагового дозатора неперервної дії

Живильник 1 подає матеріал, що дозується, на короткий конвеєр 2, що рухається з постійною швидкістю. Маса продукту на конвеєрі безупинно перетвориться ваговим пристроєм 3 у пропорційний електричний або пневматичний сигнал, що надходить у систему реєстрації і автоматичного керування 4, інтегруючий 6 і реєструючий 5 прилади. Ця система забезпечує високу продуктивність та високу автоматизацію всіх технологічних операцій зважування, контролю та реєстрації.

Сучасні тенденції розвитку автоматичних дозаторів та автоматичних ліній направлені на заміну гиретримачів на тензометричні датчики, або навіть відмову від коромислових механічних автоматичних дозаторів на користь електронно-тензометричних пристроїв, що значно підвищує продуктивність, точність та ступінь автоматизації. До того ж все частіше дозатори об'єднують з іншим технологічним обладнанням в одну структурну одиницю, що зменшує металомісткість, спрощує конструкцію всієї установки. Ці тенденції чітко простежуються у новому типу автоматичного дозатора - просіювача муки ВК - 1007. Принцип роботи дозатора заснований на зміні сили стискання тензометричного датчика, яка викликана зміною маси борошна, яке надходить у вантажоприйомний пристрій. Навантаження від вантажоприйомного пристрою передається через важіль на силовий тензометричний датчик. Шафа керування містить АЦП, який перетворює інформацію щодо заданої порції фасування та виводить на дисплей фактичну масу відвантаженого борошна. Система керування забезпечує управління індивідуальним вакуум-компресором, який здійснює привод пневмоциліндра затвору та виконує пневмотранспортування муки. Встановлення на одній рамі з просіювачем дозволяє скоротити час на технологічні операції транспортування борошна.

Іншим важливим напрямком модернізації і створення нових автоматичних вагових пристроїв є розширення їх діапазону зважування. Це досягається шляхом створення автоматичної системи зміни урівновавжуючих ваг у гиретримачі або розширення можливостей силових тензометричних перетворювачів. Останнє є найбільш бажаним адже потребує простішої схемної реалізації та дозволяє спростити процес переходу з одного діапазону зважування в інший.

Також намагаються не тільки технічно удосконалити існуючі зразки вагових пристроїв. Виконується і розробка нових алгоритмів керування процесу набору дози по прогностичних формулах або з використанням адаптивного керування. Це забезпечує компенсацію впливу вибігу системи, динамічної дії струменя на вантажоприйомний пристрій, перехідних процесів.

2. Конструкція та принцип дії спірального дозатора вагового напівавтоматичного для фасування сипучих матеріалів ДВМ-50П

фасування сипучий дозатор автомат

Даний тип вагового дозатора є найбільш розповсюдженим та широко вживаним типом вагового дозатора завдяки своїй простоті та надійності роботи. Ним обладнуються не тільки зернопереробні та борошномельні підприємства, а й підприємства хімічної, будівельної промисловості. Висока точність та досить широкий діапазон зважування дають змогу вести фасування у полотняні та поліетиленові мішки з різною масою сипучих матеріалів, що дозволяє максимально задовольнити вимоги споживачів. Укомплектовується шнековим та барабанним живильниками, що приводяться в дію від некерованих ЕП. Оснащення керованим ЕП шнекового живильника дозволить відмовитися від використання барабанного живильника в режимі точної досипки, що значно спростить конструкцію та побудову системи керування дозатором. При цьому буде створений зворотній зв'язок за масою продукту, що дозується. Це в свою чергу вимагатиме відмови від коромислового механізму зважування та застосування тензорезистивних датчиків. Таке переобладнання дасть змогу як розширити діапазон зважування так і підвищити продуктивність установки у цілому.

2.1 Будова дозатора вагового напівавтоматичного для фасування ДВМ-50П