CC BY
78
УДК 664.6/.7
Разработка программно-аппаратного комплекса для никлона-сепаратора с целью контроля процесса воздухоочистки
Development of software-hardware complex for cyclone-separator with the purpose of control of air processing process
Доцент А.П. Борисов
(Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова) кафедра информатики, вычислительной техники и информационной безопасности, тел. 8(3852) 29-07-18 E-mail: boralp@mail.ru
Associate Professor А.P. Borisov (Polzunov Altai State Technical University) chair of computer science, computer engineering and information security, tel. 8(3852) 29-07- i 8 E-mail: boralp@mail.ru
Реферат. Разрабатывается программно-аппаратный комплекс контроля и управления процессом очистки воздуха при помощи циклона-сепаратора. Аппаратной частью данного комплекса является платформа Arduino, к которой подключены датчики давления, скорости воздуха, пылемеры, которые позволяют контролировать основные параметры циклона-сепаратора. Также для регулирования скорости вращения асинхронного двигателя, необходимого для корректировки скорости потока, был разработан частотный преобразователь, управляющие сигналы которого приходят с Arduino. Программная часть комплекса написана в виде веб-приложения на языке программирования JavaScript и вставками на CSS и HTML для интерфейса пользователя. Данная программа позволяет получать данные с датчиков, строить зависимости в реальном времени и управлять скоростью вращения асинхронного электропривода. Проведенный эксперимент показывает, что эффективность очистки составляет 95,0-99,9 %, при этом скорость воздушного потока на входе в циклон составляет 16-18 м/с, а на выходе - 50-70 м/с.
Summary. The article is devoted to the development of a hardware-software complex for monitoring and controlling the process of air purification with the help of a cyclone-separator. The hardware of this complex is the Arduino platform, to which are connected pressure sensors, air velocities, dustmeters, which allow monitoring of the main parameters of the cyclone separator. Also, to regulate the speed of rotation of an asynchronous motor, necessary to adjust the flow rate, a frequency converter was developed, the control signals of which come with Arduino. The program part of the complex is written in the form of a web application in the programming language JavaScript and inserts into CSS and HTML for the user interface. This program allows you to receive data from sensors, build dependencies in real time and control the speed of rotation of an asynchronous electric drive. The carried out experiment shows that the efficiency of purification is 95,0-99,9 %, while the airflow velocity at the entrance to the cyclone is 16-18 m/s, and at the output 50-70 m/s.
Ключевые слова: автоматический контроль и управление, циклон-сепаратор, программное обеспечение, Arduino, воздухоочистка.
Keywords: automatic control and management, cyclone-separator, software. Arduino, air purification.
Существующие циклоны совершенствуются на протяжении более 100 лет. За это время определилось большое разнообразие конструктивных форм циклонов. Это обстоятельство свидетельствует об отсутствии единого мнения о конструктивных элементах аппарата. Определённое количество циклонов с длинным конусом и небольшим диаметром работает лучше одного большого, что приводит к батарее циклонов.
© Борисов А.П., 2017
промышленности
Циклоны широко применяются во многих промышленных процессах различного назначения и в значительной степени определяют экологию промышленного производства. Промышленные выбросы подразделяют на технологические и вентиляционные. Из-за несовершенства циклонной очистки (эффективность 70-90 %) выбросы ведут к значительным потерям продуктов основного производства и загрязнению атмосферы.
Теория и практика циклоностроения определила наличие в циклонах пристенного и осевого винтовых потоков, движущихся в противоположных направлениях. При такой организации работы современные методы аэромеханики не позволяют прогнозировать повышение технологической эффективности циклонов.
В атмосферу Земли ежегодно поступает около 1 куб. км. пылевидных частиц искусственного происхождения. При этом циклонная очистка почти не справляется с выводом из технологического аэропотока частиц с размером от 1 до 10 мкм, что в наибольшей степени определяет низкую эффективность.
Нормативно-правовая база регламентирует необходимость и порядок использования установок очистки газа на объектах, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду, и устанавливается законами «Об охране окружающей среды» от 10.01.2002 № 7-ФЗ; «Об охране атмосферного воздуха» от 04.05.1999 № 96-ФЗ; и постановлением Правительства РФ от 13.09.2016 № 913 «О ставках платы за негативное воздействие на окружающую среду и дополнительных коэффициентах».
Согласно ст. 8.21 Кодекса Российской Федерации об административных правонарушениях выброс вредных веществ в атмосферный воздух или вредное физическое воздействие на него без специального разрешения влечет наложение административного штрафа. Поэтому разработка новых высокоэффективных способов циклонной очистки воздуха является весьма актуальной.
Сама организация потока в противоточных циклонах, когда не существует четкой границы между нисходящим и восходящим потоками, которые при этом движутся с разными скоростями, не позволяет добиваться высокой эффективности пылеочистки, особенно для мелкодисперсных пылей.
Для устранения недостатков, присущих классическим центробежным циклонам, предлагается для очистки технологического воздуха использовать аэровинтовой циклон (рис. 1), конструкция которого защищена патентом [1].
Основным элементом данного циклона является коническая винтовая вставка, расположенная в перфорированном усеченном конусе, что создает ограниченное пространство в форме винтового канала с уменьшающейся площадью поперечного сечения. При этом выхлопная труба ограничивает взаимодействие основного
очищенный
воздух
запыленный
воздух
Рис. 1. Аэровинтовой циклон и принцип его работы
потока, содержащего частицы пыли, и противотока - очищенного воздуха. Конструкция аэровинтового циклона также позволяет использовать его в качестве классификатора, отделяя дисперсные частицы в соответствии с их аэродинамическими свойствами на различных высотных отметках [7].
Движение дисперсного потока в аэровинтовом циклоне происходит за счет перепада давления Д Р, которое создает источник гидравлической энергии (вентилятор, воздуходувная машина и др.). Для исследования процессов движения воздуха в разработанном циклоне-сепараторе, а также степени очистки воздушного потока необходимо разработать систему контроля и управления процессом очистки.
Система контроля и управления разрабатывается для экспериментального циклона-сепаратора, разработанного на кафедре машин и аппаратов пищевых производств АлтГТУ им. И.И. Ползунова. Данный циклон одновременно с очисткой воздуха может применяться для разделения дисперсных материалов на фракции по совокупности физико-механических свойств. В нем повышена эффективность разделения на фракции продуктов размола частиц размером от 240,0 до 0,1 мкм с реальным коэффициентом очистки воздуха до 99,9 %. Однако данная установка практически не автоматизирована, что делает работу с ней достаточно сложной, поэтому возникла необходимость ее автоматизации [2, 3].
Принципиальное отличие предлагаемого аэровинтового циклона от классического варианта заключается в том, что за счет конической формы внешней поверхности циклона происходит уменьшение радиуса траектории, по которой перемещаются дисперсные частицы в потоке, и одновременно увеличение скорости частиц за счет сужающегося винтового канала. Регулируя количество витков винтовой вставки, шаг винтовой вставки, форму поперечного сечения, можно достигать необходимого для отделения частиц пыли центробежного эффекта, в том числе и для частиц диаметром менее 10 мкм. По предварительным оценкам в предлагаемой конструкции аэровинтового циклона можно разгонять поток до скоростей 50-60 м/с без превышения сопротивления в 1500 Па, достигая при этом высокой эффективности.
Использование винтового движения воздушного потока в конфузоре с регулируемой перфорацией представляет собой случай установившегося движения, когда во всей массе воздуха запас энергии постоянен, т.е. уравнение Д. Бернулли применимо ко всему потоку в целом. Это принципиально отличает данный подход от существующих методов сепарации продуктов размола в равномерных воздушных и закрученных аэропотоках (циклонные установки).
Система состоит из следующих компонентов (рис. 2):
- экспериментального циклона-сепаратора;
- электродвигателя с вентилятором для создания потока воздуха;
- электродвигателя для управления процессом дозирования очищаемого продукта;
- датчиков для контроля параметров системы.
Установка состоит из материалопровода 1, циклона 5 и воздухопровода 15. Воздух получает движение от вентилятора 10. Электродвигатель вентилятора 11 подключается к сети через частотный преобразователь 7 [6]. Продукт подается в материалопровод из приемного бункера 2 шнековым питателем 3, который питается от электродвигателя 4. В конце нагнетательной линии установки предусмотрен мешок 13, используемый для фильтрации воздуха. Для измерения параметров в воздухопроводах имеются отверстия 8, в которые вставляются измерительные приборы и датчики. Измерения параметров проводятся при помощи датчиков 14. Данные с датчиков передаются на систему сбора данных 20, а затем передаются на персональный компьютер 19.
S 15
Рис. 2. Схема экспериментального циклона-сепаратора: 1 - материалопровод; 2 - фланцевое соединение; 3 - питатель; 4 - отвод; 5 - пылеотделитепъ; 6 - выпускной бункер; 7 - частотный преобразователь; 8 - отверстия для измерений; 9 - вентиль; 10 - вентилятор; 11 - двигатель; 12 - шкаф управления; 13 - фильтр; 14 - датчики для измерений; 15 - прокладка; 16 - электродвигатель питателя; 17 - электродвигатель шлюзового затвора; 18 - блок питания; 19 - персональный компьютер; 20 - система управление датчиками
Для контроля были выбраны следующие параметры системы: воздух, количество пыли в воздухе, давление и температура воздуха. Данные параметры будут отслеживаться как на входе, так и на выходе циклона-сепаратора. Также для контроля параметров электродвигателя к системе подключаются датчики тока и напряжения, которые устанавливаются в обмотки электродвигателя. Для их отслеживания будет написано программное обеспечением, позволяющее как отслеживать данные в режиме реального времени, так и сохранять их для последующей обработки. Более того, в программном обеспечении будет реализована автоматизация для регулирования скорости вентилятора в широком диапазоне.
Общий алгоритм работы заключается в следующем (рис. 3).
1. Агс1шпо собирает данные с датчиков давления, скорости, пылемеров и основные характеристики двигателя.
2. Агс1шпо компонует данные в виде строки и отсылает их на сервер.
3. Сервер преобразовывает строку в json-oбъeкт и отсылает данные для отображения клиенту.
4. Клиент получает данные, которые отображаются для него в интерфейсе.
В случае если пользователь хочет изменить скорость работы двигателя:
- желаемая скорость отсылается от клиента на сервер;
- сервер отсылает данные на микроконтроллер Агс1шпо;
- Агс1шпо применяет полученные данные и, изменив параметры двигателя, изменяет тем самым скорость его работы.
Программное обеспечение состоит из двух программ: одна написана для микроконтроллера Агс1ито, вторая - для компьютера.
Мотор
t к Управление двигателем
Данные Данные
Г Данные
Ardu ¡по — -> Сервер Клиент
Данные к Скорость двигателя Скорость двигателя
Дат^и ки
Рис. 3. Общий алгоритм работы приложения
Программа для микроконтроллера написана на Си-подобном языке программирования, специальном для Arduino, и включает в себя: -сбор данных с шести датчиков;
- перевод полученных данных в систему единиц измерения СИ; -сбор данных по напряжению и току с двигателя; -управление двигателем;
-пересылку всех полученных данных на компьютерное приложение. Программа для компьютера написана в виде веб-приложения на языке программирования JavaScript и вставками на CSS и HTML для интерфейса пользователя. Программа является кросс-платформенной и заработает на большинстве операционных систем без изменений в ПО. Для того чтобы запустить программу, потребуется установленный на компьютер NodeJS, в первый раз также потребуется установить дополнительные модули, необходимые для работы программы. Данное действие совершается просто, так как в веб-приложении есть специальный файл, при указании которого в командной строке необходимые зависимости устанавливаются самостоятельно. Программное обеспечение для компьютера выполняет следующие действия:
- получение данных с микроконтроллера; -вывод данных на страницу веб-приложения;
- сохранение данных в текстовой файл;
-сообщение микроконтроллеру, какая скорость должна быть у двигателя. Интерфейс программы содержит следующие элементы:
-управление данными с которыми может работать пользователь. Пользователь с помощью чекбоксов может выбрать какие данные выводить на страницу. Пока не выбран один из вариантов дальнейшие действия невозможны;
-блок с кнопками для управления программой. Кнопка «ЗАПУСТИТЬ» позволяет запустить получение данных клиентом, пока данная кнопка не нажата хотя бы один раз остальные кнопки не активны. Кнопка «ОСТАНОВИТЬ» позволяет остановить процесс получения данных, но не стирает их из памяти. Таким образом, если еще раз нажать кнопку «ЗАПУСТИТЬ», то новые данные будут записываться после уже существующих. Кнопка «СОХРАНИТЬ» позволяет записать все полученные данные в текстовой файл, данные формируются таким образом, чтобы их было в дальнейшем удобно перенести в Excel-файл и произвести при необходимости расчеты там. Кнопка «ОЧИСТИТЬ» затирает все полученные на данный момент данные;
-блок с данными воздушных потоков. Здесь отображаются данные в виде таблицы, полученные с датчиков ветра и давления, пылемеров. Группа из семи чекбоксов позволяет выбрать, какие данные в текущий момент необходимы пользователю для изучения. Таблица автоматически перестроится под запрос пользователя без перезагрузки страницы;
-блок с данными с двигателя и управления скоростью его работы. Данные с двигателя представлены в виде графика. Блок меток вверху графика позволяет выбирать, какие данные отображать в данный момент. Управление двигателем происходит очень просто - пользователь вводит необходимую скорость в специальное поле и нажимает на кнопку, которая передаст данные на Arduino, и уже та сделает необходимые преобразования для изменения скорости работы.
Управление асинхронным двигателем осуществляется при помощи широкоре-гулируемого транзисторного преобразователя частоты для электродвигателя переменного тока (рис. 4) путем включения или отключения транзисторов в определенной последовательности, показанной на рис. 5, что обеспечивает векторно-алгоритмическую коммутацию обмоток двигателя и позволяет регулировать скорость вращения двигателя [6].
Н0-
VD1 . i
I
4
з /
6 /
VIT VIj vis
-mm_
vt; "T4 VT6
- 0—
Рис. 4. Электрическая схема гиирокорегулируе-мого транзисторного преобразователя частоты для электродвигателя переменного тока
п/J 2я/3 я 4к/3 МЗ 2« 7п/3 0Ю'3 9r.'J
Рис. 5. Алгоритм работы широкорегулируемого транзисторного преобразователя частоты для электродвигателя переменного тока
Результаты расчета показывают, что в соответствии с принятыми исходными данными частица d3 = 2 мкм не достигает внешней конической поверхности, т.е. может быть вынесена вместе с аэропотоком через выхлопную трубу. Частица d3 = 10 мкм отсепарировалась уже на втором витке винтового канала. Используя результаты моделирования, можно предложить варианты расположения выпускных отверстии' для отбора пыли разной фракции, т.е. использовать аэровинтовой циклон в качестве классификатора.
Проведенные лабораторные испытания с использованием программно-аппаратного комплекса для аэровинтового циклона-сепаратора показали весьма удовлетворительные результаты как в плане эффективности, так и по аэродинамическому сопротивлению циклона. На мучных пылях эффективность рассматриваемого циклона-сепаратора превысила 99,5 %, при этом расход воздуха составил 376, 472 и 516 м3/ч, а АР менее 600 Па. Скорость во входном патрубке винтовой вставки составила 18-20 м/с, а на выходе из винтовой вставки скорость воздушного потока составила 50-70 м/с. Наиболее высокая эффективность отделения продукта достигается при входной скорости воздуха 18 м/с, для этого необходимо подавать на широкорегулируемый транзисторный преобразователь частоты значение 45 Гц.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рожках научного проекта Ne 17-48-220056.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пат. 2442662 С1 Российская Федерация, МПК В04С 5/103. Аэровинтовой циклон-сепаратор [Текст] / Злочевский В.Л.; заявитель и патентообладатель Зло-чевский В.Л., ГОУ ВПО «Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова» (АлтГТУ) -2010122775/05; заявл. 03.06.10; опубл. 20.02.12, Бюл. №5.-7 с.
2. Злочевский, В.Л. Разработка циклона-сепаратора с автоматическим контролем процесса очистки воздуха [Текст] / В.Л. Злочевский, А.П. Борисов // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания,- 2016,- № 6 (14).- С. 75-83.
3. Николаева, В.К. Повышение качества проведения лабораторных работ с использованием автоматической системы контроля и управления процессом очистки воздуха [Текст] / В.К. Николаева, А.П. Борисов // Матер. Междунар. науч.-практ. конф. «Новая наука: стратегии и векторы развития»,- 2017. - № 4 - 3-3. - С. 191193.
4. Злочевский, В.Л. Совершенствование конструкции циклона [Текст] / В.Л. Злочевский // Экология промышленного производства,- 2013. - № 3 (83). - С. 1620.
5. Злочевский, В.Л. Аэровинтовой циклон-сепаратор [Текст] / В.Л. Злочевский // Комбикорма.- 2013. - No 9. - С. 65-66.
6. Пат. на полезную модель РФ № 2016108693/07, 10.03.2016 Широкорегули-руемый транзисторный преобразователь частоты для электродвигателя переменного тока // Патент России № 164966. 2016. Бюл. № 27. / Стальная М.И., Еремочкин С.Ю., Борисов А.П., Титова А.А., Королев Д.А.
7. W W Xu, Q Li, Y L Zhao, J J Wang and Y H Jin (2016) Numerical study of particle deposition and scaling in dust exhaust of cyclone separator. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 129(1), 012022.
REFERENCES
1. Zlochevskiy V.L. Aerovintovoy tsiklon-separator [Aerovoltaic cyclone separator], Patent RF № 2442662, 2012 (Russian).
2. Zlochevskiy V.L., Borisov A.P. Razrabotka tsiklona-separatora s avtomatiches-kim kontrolem protsessa ochistki vozdukha [Development of a cyclone separator with automatic control of the air purification process] Tekhnologii pishchevoy i perera-batyvayushchey promyshlennosti APK - produkty zdorovogo pitaniya, 2016, No 6, pp. 75-83 (Russian).
3. Nikolaeva V.K., Borisov A.P. Povyshenie kachestva provedeniya laboratornykh rabot s ispol'zovaniem avtomaticheskoy sistem kontrolya i upravleniya protsessom ochistki vozdukha, Novaya nauka: strategii i vektoiy razvitiya [Improving the quality of laboratory work using automatic systems for monitoring and controlling the process of air purification] Mezhdunar. nauch. prakt. konf., 2017, No 4, pp. 191-193 (Russian)
4. Zlochevskiy V.L. Sovershenstvovanie konstruktsii tsiklona, [Improving the design of the cyclone] Ekologiya promyshlennogo proizvodstva, 2013, No 3(83), pp. 16-20 (Russian).
5. Zlochevskiy V.L. Aerovintovoy tsiklon-separator, [Aerovoltaic cyclone separator] Kombikorma, 2013, No 9, pp. 65-66 (Russian)
6. Stal'naya M.I., Eremochkin S.Y., Borisov A.P., Titova A.A., Korolev D.A. Shiro-koreguliruemyy tranzistornyy preobrazovatel' chastoty dlya elektrodvigatelya peremen-nogo toka [Wide-adjustable transistor frequency converter for AC motor], Patent RF № 2016108693/07, 2016 (Russian).
7. W.W. Xu, Q. Li, Y.L. Zhao, J.J. Wang and Y.H. Jin (Numerical study of particle deposition and scaling in dust exhaust of cyclone separator. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering,2016),No 129(1), 012022.
