CC BY
113
УДК 66.028
АЛГОРИТМ АДАПТИВНОЙ РАБОТЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДОЗИРОВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ БАЗ ДАННЫХ
© О.В. Арсентьев1, С.В. Ляпушкин2, Н.В. Гусев3
1Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 2,3Томский политехнический университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30.
Рассматривается автоматическая система дозирования и смешивания компонентов сыпучих материалов. Предложен алгоритм адаптивной коррекции ошибки дозирования и производительности автоматической системы. Разработана имитационная модель процесса дозирования с блоком коррекции ошибки дозирования. Проведены экспериментальные исследования, которые подтвердили основные теоретические положения. Введение алгоритма адаптивной коррекции позволяет повысить точность дозирования сыпучих материалов более чем на 30%. Ил. 7. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: алгоритм коррекции; дозирование; регулятор; адаптация; контур веса; преобразователь частоты.
ADAPTIVE CONTROL ALGORITHMS FOR THE AUTOMATED SYSTEM DOSING BULK MATERIALS BASED ON
STATISTICAL DATABASES
O.V. Arsentyev, S.V. Lyapushkin, N.V. Gusev
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074. Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Av., Tomsk, Russia, 634050.
The paper considers the automated system of dosing and mixing the components of bulk materials. It proposes an algorithm of adaptive correction of dosing error and automated system performance. A simulation model of dosing with the dosing error correction unit is developed. Basic theoretical positions have been proved by the experimental researches performed. The introduction of the adaptive correction algorithm increases the accuracy of bulk material dosing by more than 30%.
7 figures. 3 sources.
Key words: correction algorithm; dosing; regulator; adaptation; weight contour; frequency converter.
Производительность труда и эффективность производства во многом определяются степенью автоматизации технологических процессов и достоверной информацией о сырьевых потоках и качестве продукции. Это особенно актуально в пищевой и перерабатывающей промышленности.
Операция дозирования стала обязательным элементом технологической цепочки в современном пищевом производстве. Это обусловлено технологией изготовления сложных по составу продуктов и конечными операциями отгрузки и фасовки готовых изделий.
Рассмотрим механизм дозирования на примере достаточно распространенного технологического процесса приготовления комбинированных кормов для
животноводства.
Функциональная схема автоматической системы дозирования и смешивания компонентов комбикормов изображена на рис. 1. В состав оборудования по производству комбикормов входят [1-3]: 6 расходных бункеров (РБ), содержащих дозируемые компоненты (ячмень, горох, отруби пшеничные, пшеница, шрот подсолнечный, концентрат, витаминные добавки); 6 шне-ковых питателей (ШП), оснащённых асинхронными электродвигателями мощностью 3 кВт; бункер-дозатор грузоподъёмностью до 1000 г, установленный на трёх тензодатчиках (ТДВ); бункер-смеситель, оснащённый асинхронным двигателем смесителя мощностью 15 кВт и двигателем рыхлителя; бункер отгрузки готовой продукции c ёмкостным датчиком уровня; транспорт-
1Арсентьев Олег Васильевич, кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой электропривода и электрического транспор-та,тел.: 89148751743, e-mail: arsentyevov@mail.ru
Arsentyev Oleg, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Head of the Department of Electric Drive and Electric Transport, tel.: 89148751743, e-mail: arsentyevov@mail.ru
2Ляпушкин Сергей Викторович, старший преподаватель кафедры электропривода и электрооборудования, тел.: 89059920409,e-mail: lsw777@mail.ru
Lyapushkin Sergey, Senior Lecturer of the Department of Electric Drive and Electrical Equipment, tel.: 89059920409, e-mail: lsw777@mail.ru
3Гусев Николай Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры электропривода и электрооборудования, тел.: 89138281260, e-mail: gusev@tpu.ru
Gusev Nikolai, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electric Drive and Electrical Equipment, tel.: 89138281260, e-mail: gusev@tpu.ru
ная подсистема отгрузки готовой продукции.
Зерновое сырьё поступает в расходные бункеры посредством автомобильного терминала. Загрузка одного бункера ёмкостью 50 тонн занимает не менее 3-х часов. После загрузки расходных бункеров компоненты поочередно поступают в бункер-дозатор, где в соответствии с заданным рецептом осуществляется дозирование. Сигнал, пропорциональный текущему весу, снимается с трёх тензодатчиков и поступает в нормирующий усилитель (НСУ), где суммируется, нормируется в стандартный токовый сигнал и в таком виде поступает в контроллер. По окончании процесса дозирования всех компонентов масса поступает в бункер-смеситель. Время смешивания варьируется от 1 до 3 минут в зависимости от выбранного рецепта. Готовая смесь поступает на транспортёр отгрузки готовой продукции. Отгрузка комбикормов происходит через автомобильный терминал с производительностью 15 тонн в час. Управление двигателями шнековых питателей ведётся от одного преобразователя частоты через блок релейной коммутации (БРК1) по сигналу микроконтроллера. Двигатель смесителя (М8) и рыхлителя (М9) подключаются к сети через блок релейной коммутации (БРК2), который управляется от микроконтроллера.
Алгоритм адаптивной работы автоматической системы дозирования сыпучих материалов
Основным критерием качества регулирования в системах дозирования является точность соотношения компонентов смеси при максимальной производительности технологической установки. Требования к качеству и конкурентоспособности продукции жестко регламентируют ошибку дозирования сыпучих материалов, так как отдельные компоненты смеси могут сильно различаться по технологическим и стоимостным характеристикам.
Необходимую точность дозирования в таких системах получают путём организации замкнутого контура регулирования по весу смеси. Максимальное быстродействие достигается за счёт того, что регулятор веса большую часть времени дозирования находится в насыщении. Так как дозируемые компоненты обладают нестационарными свойствами, существенно влияющими на сыпучесть материала, то повторно получить дозирование материала с заданной точностью достаточно проблематично. Классический подход подчинённого регулирования в таких системах на практике даёт всплеск ошибок (перевес или недовес), что при массовом производстве приводит к значительным финансовым потерям. Для устранения этого недостатка предлагается интегрировать в контур регулирования алгоритм коррекции ошибки дозирования с учётом поддержания производительности шнекового питателя на оптимальном уровне.
ШП1
ТДВ3
ЗАДВИЖКА ДОЗАТОРА
ЗАДВИЖКА СМЕСИТЕЛЯ
т ▼ т
ТРАНСПОРТЕР ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ
Рис. 1. Функциональная схема автоматической системы дозирования и смешивания компонентов комбикормов
Рассмотрим подробнее предлагаемый подход. Расчёт задания на скорость шнекового питателя в реальном времени при коррекции регулятора веса и минимальной скорости процесса дозирования текущей порции материала минимизирует влияние изменения биохимических свойств материала. Текущая ошибка дозирования определяется как
dmi} = щ
■m.
•j
где i - текущий цикл дозирования; j - цикл расчёта в реальном времени с шагом расчёта 333 mc;
m3i -
задание на дозирование для текущего цикла; т -
1J
текущая масса дозируемого материала.
Задание на скорость двигателя определяется по выражению
f3j = Крвj ■ dm,j
при ограничениях на частоту: f = f , если f > f , и f = f .,
Jsj Jsmax J3j J зmax Jsj Jsmin
если f < f .
Jsj J 3 min j -1
где k - коэффициент регулятора веса для каждого
рв J
шага расчёта; f и f . - расчётные ограничения
J зmax J з min
на частоту шнекового питателя.
Для повышения производительности установки и сокращения времени её работы на минимальной скорости включается таймер времени для режима плавного регулирования скорости.
В результате превышения времени работы увеличивается минимальная скорость и коэффициент регулятора веса:
fs min j = fs min j-1 + Afз mini1
k„„: = k„-1 +Ak
pbJ
Параметры Af
рв j-1 рв 1
и AkpB определяются экс-
з mini
периментально.
При длительном режиме работы на минимальной скорости включается таймер контроля минимальной скорости, что приводит к существенному увеличению скорости работы шнекового питателя:
1 0| о
mode_ М assKo rrectio n_01
tmp
—ИпЗ-
fs min j = fs min j-1 + Afз min 2 1 Afs min 2 > Afs mini'
Дозирование следующего цикла сопровождается алгоритмом коррекции задания на вес с учётом предыдущего объёма компоненты.
Исходным параметром коррекции является ошибка дозирования по весу:
Am-i = щ-i- Щ-1,
где m - заданная масса; m , - отработанная мас-
si-1 J-1
са.
Корректирующая добавка к заданию определяется по формуле
Am-i
m,doni m'doni-1
Ki
подбирается экспериментально.
Расчёт задания с коррекцией определяется как
тз1 = тз - тдот.
Разработка математической модели автоматической системы дозирования сыпучих материалов с адаптивной коррекцией ошибки дозирования
Для теоретических исследований характеристик системы дозирования при изменении параметров материалов и определения оптимальных режимов работы технологической установки в среде Matlab Simulink была разработана имитационная модель автоматической системы дозирования сыпучих материалов (рис. 2).
Имитационная модель автоматической системы включает асинхронный электродвигатель в неподвижной системе координат, контур веса с программным регулятором, механическую подсистему, учитывающую транспортную задержку сырья и динамическое изменение высоты падающего столба материала в функции заполнения бункера. Синтезированный на модульный оптимум П-регулятор веса (РВ) настроен по методике Кесслера.
d tute
Ualpha
Wr
Ь _¥ Ubeta
theta Irms
InductionMotor VTB_71С
4üb
Rate Transition
►^-X^WeightEr
Mass doziruemaya
TwfrQ °699111
Massa v bunkere
WeithProcess
3
Рис. 2. Имитационная модель автоматической системы дозирования сыпучих материалов
Алгоритм коррекции ошибки дозирования реализован на языке программирования С++ и представлен в виде субблока в общей модели. На вход блока поступает сигнал задания и обратной связи по весу. Сигнал ошибки по весу поступает на вход программируемого регулятора веса. Выходной сигнал с регулятора веса подаётся на частотный преобразователь для управления двигателями шнековых питателей.
Для определения возможностей имитационной модели рассмотрим два случая: дозирование 1 кг материала без адаптивной коррекции задания - т1(Ц, и с учётом адаптации - т2(^ (рис. 3).
В первом случае имеется ошибка дозирования
(Дт=0,3 кг), которая зависит от нестационарных свойств материал. Использование в модели алгоритма адаптивной коррекции задания позволило практически устранить ошибку и повысить точность работы автоматизированной системы на 30%.
Для практического исследования предложенных решений на кафедре электропривода и электрооборудования Томского политехнического университета была разработана экспериментальная модель дозатора сыпучих веществ, состоящая из двух основных блоков - механического блока управления. Система управления структурно разделяется на три уровня:
4 6 8 10 12 14 16 Рис. 3. Переходные процессы дозирования
Рис. 4. Структура АСУ
а) б)
Рис. 5. Экспериментальный стенд системы дозирования сыпучих материалов
Вес [Кг]
1 .......................................... ...........
сек
Рис. 6. Дозирование материала без использования алгоритма коррекции ошибки
• нижний уровень охватывает первичные элементы системы: датчики, контакторы и исполнительные механизмы (включая электропривод);
• средний уровень включает управляющий контроллер и модуль релейной коммутации;
• верхний уровень представляет собой автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора на базе персонального компьютера.
Взаимодействие между верхним и средним уровнем осуществляется посредством интерфейса РБ-485 на скорости 9600 бод.
Все оборудование, находящееся на среднем уровне АСУ ТП и частично на нижнем, расположено внутри герметизированного шкафа (рис 5,а).
Механическая часть экспериментальной установки
состоит из спирального шнека подачи материалов, бункера дозатора с тремя тензодатчиками веса и задвижки дозатора (рис. 5,6).
Экспериментальные исследования проводились для дозирования 1 кг сыпучего материала без учёта алгоритма коррекции ошибки (рис. 6) и при изменении программы управления контроллера с учётом алгоритма адаптивной коррекции (рис. 7). Результаты эксперимента показывают, что при отсутствии алгоритма коррекции ошибка дозирования достигает 0,4 кг. При введении коррекции ошибка уменьшается до 0 кг. Время отработки системы при заданном объёме дозированного материала уменьшилось практически в 2 раза.
Вес [ Кг]
t, сек
Рис. 7. Дозирование материала с использованием алгоритма коррекции ошибки
Полученные теоретические и практические ре- новки удаётся достичь уменьшения ошибки дозирова-зультаты исследований свидетельствуют о том, что ния более чем на 30%. при сохранении требуемой производительности уста-
Библиографический список
1. Букреев В.Г., Гусев Н.В., Нечаев М.А., Краснов И.Ю., 2. Каталымов А.В., Любартович В.А. Дозирование сыпучих и Кремис С.Ю. АСУ ТП производства комбикормов на базе вязких материалов. Л.: Химия, 1990. 240 с. контроллера РаБ1\ме1 РТШ88-В8 // Современные технологии 3. Григорьев А.М. Винтовые конвейеры. М.: Машинострое-автоматизации. 2006. № 1. ние, 1972. 184 с.
УДК 621.311.16
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
© М.А. Дубицкий1, Е.В. Болоев2
1Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 2Ангарская государственная техническая академия, 665835, Россия, г. Ангарск, ул. Чайковского, 60.
Предложена классификация резервов мощности в электроэнергетических системах (ЭЭС). Резерв мощности состоит из двух (основных) составляющих: резерв генерирующей мощности и резерв потребляющей части системы. Рассмотрены возможности использования резерва потребляющей части системы для обеспечения безопасности ЭЭС. Предложена методика обеспечения безопасности ЭЭС при аварийном отключении крупных электрических станций и межсистемных связей. Ил. 1. Табл. 3. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: надежность; безопасность; живучесть; электроэнергетическая система; электрические станции; мобильный резерв мощности.
ENSURING SAFETY OF ELECTRIC POWER SYSTEMS M.A. Dubitsky, E.V. Boloev
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074. Angarsk State Technical Academy 60 Chaikovsky St., Angarsk, Russia, 665835.
1Дубицкий Михаил Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры электрических станций, сетей и систем, тел.: 89025779502, e-mail: dubitskii_ma@mail.ru
Dubitsky Mikhail, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electrical Power Stations, Networks and Systems, tel.: 89025779502, e-mail: dubitskii_ma@mail.ru
2Болоев Евгений Викторович, доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий, тел.: 89021721959, e-mail: boloev@mail.ru
Boloev Evgeny, Associate Professor of the Department of Power Supply of Industrial Enterprises, tel.: 89021721959, e-mail: bo-loev@mail.ru
