CC BY
25УДК 631.363:681.53
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ МАЛОГАБАРИТНОГО КОРМОПРИГОТОВИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА
Бердимурат А.ДЛБакытова М.Б.2, Жунусова А.3, Усипбекова
Д.И.4
1,2,3-НАО, г.Алматы , Казахстан 4 - НАО АУЭС, г.Алматы , Казахстан
Аннотация: Показана актуальность повышения эффективности работы малогабаритного кормоприготовительного агрегата путем автоматизации регулирования его производительности. Приведены результаты разработки соответствующей микропроцессорной системы,с регулированием потока кормового материала при помощи типовой заслонки с индивидуальным электроприводом. Регулирование производится по току двигателя привода дробилки. Представлена функциональная схема предлагаемой автоматической системы регулирования. Определены показатели системы регулирования необходимые для разработки алгоритма управления системой. Приведены результаты лабораторных испытаний работоспособности системы автоматики. Проведены сравнительные производственные испытания дробилки при ручном и автоматическом регулировании загрузки. Показано, что система автоматического регулирования существенно влияет на равномерность загрузки дробилки, улучшает энергетические показатели агрегата, повышает производительность и качество дробления. Также была проведена оценка качества дробления зерна при ручном и автоматическом регулировании производительности, путем оценки готового продукта по наличию фракций различной степени помола. Результаты оценки показали, что при автоматическом регулировании производительности качество помола несколько повышается по сравнению с ручным регулированием, так наличие фракций среднего помола больше на 2,5%, мелкой (пылевидной) фракции на 2% меньше и крупной также меньше на 0,5%.
Ключевые слова: малогабаритный кормоприготовительный агрегат, микропроцессорная система регулирования
производительности, функциональная схема, показатели системы регулирования, экспериментальные исследования.
Введение. В настоящее время в Республике Казахстан более Агротехника и энергообеспечение. - 2019. - № 1 (22)
80% поголовья крупного рогатого скота и других сельскохозяйственных животных находятся в мелких крестьянских и домашних хозяйствах. Для такого рода хозяйств, разработаны ряд малогабаритных кормоприготовительных агрегатов, универсальных дробилок и дробилок-измельчителей кормов. Они отличаются дешевизной и надежностью, и реализуются на рынке. Малогабаритный кормоприготовительный агрегат АКМ-5,5, на основе которого проводились исследования, предназначен для измельчения всех видов стебельных и зерновых кормов, кукурузных початков, а также для приготовления комбикормов и кормосмесей из грубых кормов и силоса или сенажа.
Перевод агрегата на выполнение различных видов операций осуществляется путем простой замены устройств, входящих в его комплект и реверса двигателя. К недостатку машины при измельчении зерна относится необходимость, ручного регулирования его производительности при помощи заслонки, который сужает или расширяет щель, через который поток зерновых материалов поступает на рабочий орган. Ручное регулирование, как правило, приводит к неполной загрузке или перегрузке агрегата. При этом, как показывает практика эксплуатации этих агрегатов, большую часть рабочего времени электропривод работает в недогруженном состоянии, и наоборот нередки случаи отключения электропривода из-за перегрузки двигателя. Приведенное кроме необходимости постоянного наблюдения за работой машины, влечет за собой снижение энергоэффективности и машины качества продукции.
Целью работы является повышение эффективности использования универсального малогабаритного
кормоприготовительного агрегата, путем разработки системы автоматики позволяющей обеспечить регулирование
производительности агрегата за счет изменения потока кормового материала поступающего на рабочий орган машины.
Цель достигается путем встраивания в агрегат индивидуального электропривода заслонки регулирующей загрузку молоткового ротора. При этом регулирование загрузки будет производиться по току двигателя привода молотковой дробилки.
Результаты работы позволят повысить технический уровень и конкурентоспособность рассматриваемого малогабаритного кормоприготовительного агрегата и будут использованы в конструкции других аналогичных кормоприготовительных машин и агрегатов.
Экспериментальные исследования. В соответствии с заданной целью и с учетом вышеуказанных работ, нами была разработана система автоматического регулирования [1].
Функциональная схема системы регулирования приведена на рисунке 1. В рабочей части механической характеристики асинхронного двигателя ЭД1 рабочего органа РО, ток пропорционален величине крутящего момента на его валу и следовательно загрузке рабочего органа агрегата. Значение тока через датчик ДТ, осуществляющего обратную связь в системе, передается микропроцессору МП, который, сравнивая его с заданными значениями тока в соответствии с алгоритмом работы системы регулирования, передает соответствующий управляющий сигнал пусковому устройству ПА2 электродвигателя ЭД2 задвижки бункера ЗБ. В результате последняя открывается или закрывается регулируя поток корма из бункера к рабочему органу и соответственно изменяя ток двигателя ЭД1. Пусковая аппаратура ПА1 служит для управления двигателем ЭД1, индикационный прибор ИП показывает текущее значение тока двигателя и режимы работы агрегата.
>1 ПД 2 |-«| ад 2 -»1 ЭД 2
t_
л
Электрическая сеть
УрН ми
И
ЭД 2 I I 1 I I
| | Переработанные ' V ^ корма
Рисунок 1 - Функциональная схема системы регулирования МК- микроконтроллер; ИП - индикационный прибор; ДТ -датчик тока; ПА1, ПА2 - пусковая аппаратура; ЭД1 -электродвигатель рабочегооргана; ЭД2 - электродвигатель задвижки; РО - рабочий орган; ЗБ -задвижка бункера.
При разработке системы автоматики необходимо учитывать время пуска двигателя дробилки. Нами на натуральном образце универсального малогабаритного кормоприготовительного агрегата были получены пусковые диаграммы тока и скорости двигателя при пустом барабане дробилки и наличии остатка 2 и 4 кг зерна (ячмень) в барабане (рисунок 2).Записи проводились при помощи осциллографа DSO 3064, шунта и тахогенератора ТЧ-10Р.
При пустом барабане дробилки электродвигатель загружен только моментом сопротивления холостого хода рабочего органа. Из осциллограмм видно, что в этом режиме, время пуска приводного двигателя дробилки составляет ^ = 2,0 с.
При наличии в барабане дробилки остатков зерна также
происходит надежный запуск. При этом, при остатке в бункере 2 кг ячменя^ = 3,1 с, при остатке в бункере 4 кг ячменя ^ = 6,0 с.
При разработке системы регулирования, важное значение имеет выбор величины диапазона регулирования тока, определяемого значениями минимально 1т1п и максимально 1тах допустимых токов. При узком диапазоне, возможна реакция системы управления на незначительные кратковременные изменения нагрузки, при широком -длительная работа в недогруженном режиме. В то же время, величина наименьшего допустимого тока /т;„ ограничивается снижением производительности машины и энергетических показателей электродвигателя, электродвигателя.
наибольшего /„
- нагревом обмоток
Ь,. А
_______
/
/
Ш, I?! 375 300 ■ 225 150 75
Рисунок 2 - Осциллограммы мгновенных значений тока и скорости двигателя при пуске а) при пустом барабане дробилки; б) при наличии остатка 2 кг ячменя в барабане; в) при наличии остатка 4 кг ячменя в барабане.
Энергетическая эффективность двигателя, в основном определяется зависимостью коэффициента полезного действия (КПД) ^ двигателя от его коэффициента загрузки кз = = Р2 /Р2н, где Р2 и Р2н соответственно текущая и номинальная мощности на валу двигателя. При коэффициенте загрузки кз = 0,875 КПД асинхронного двигателя дробилки достигает наибольшего значения ^ = 0,88. Целесообразно, чтобы значение /т;п соответствовало этому значению коэффициента загрузки. Ток 1-тах по условиям нагрева, не может быть больше номинального тока двигателя /н соответствующего кз = 1, следовательно Imax = 1н■
Таким образом, Imin = 20,8 А и 1тах = 23,65 А. Среднеарифметическую величину найденных токов принимаем равным значению рабочего тока 1р = 22,1 А.
Чтобы исключить реакцию системы управления на быстротечные выбросы нагрузки, в программе системы регулирования предусмотрено вычисление среднего значения амплитуды тока за одну секунду и использования этой величины при последующих шагах программы.
Для проверки возможности реализации предлагаемого способа регулирования, были разработаны алгоритм и программа управления, макетный образец системы, стенд для его испытания и проведены испытания [2]. Принципиальная электрическая схема стенда, показана на рисунке 3.
В системе автоматического регулирования были использованы контроллер МК типа ArduinoMega построенный на микроконтроллере ATmega2560 сопряженный с блоком согласования с дисплеем LCD-LCD12864, реле типа LC1 D4011,датчик тока трансформаторного типа до 100А SCT013, привод заслонки BELIMO SM230 ASR c встроенным датчиком угла поворота заслонки.
Изменение тока двигателя дробилки имитируется с помощью трехфазного автотрансформатора АТ, к которому подключена активная нагрузка R1-R3.Фазный ток нагрузки и угол поворота заслонки записывались при помощи осциллографа DSO 3064.
Л B C
N
Рисунок 3- Принципиальная электрическая схема лабораторного стенда В системе автоматического регулирования были использованы контроллер МК типа ArduinoMega построенный на микроконтроллере ATmega2560 сопряженный с блоком согласования с дисплеем LCD-LCD12864, реле типа LC1 D4011,датчик тока трансформаторного типа до 100А SCT013, привод заслонки BELIMO SM230 ASR c встроенным датчиком угла поворота заслонки.
Изменение тока двигателя дробилки имитируется с помощью трехфазного автотрансформатора АТ, к которому подключена активная нагрузка R1-R3.Фазный ток нагрузки и угол поворота заслонки записывались при помощи осциллографа DSO 3064.
Для лабораторных испытаний в программу были заложены следующие действующие значения токов - Imin = 4 А, /„
лтах
10 А, 1р =7 А.
Результаты опытов приведены на рисунке 5.
В начальном положении задвижка закрыта. При увеличении тока, задвижка постепенно открывается и при достижении током рабочего значения 1р = 7 А останавливается, открывшись на 63° (рисунок 4а). Далее, при изменении значения тока винтервале от !тт = 4 А до 1тах = 10 А задвижка остается неподвижной и сохраняет свое положение (рисунок 5б). При значении тока более 1тах = 10 А, задвижка начинает закрываться и при уменьшении тока до 1р = 7 А останавливается, закрывшись до 44° (рисунок 5в). При значении тока менее /т;„ =4 А, задвижка начинает открываться и при увеличении тока до 1р = 7А останавливается открывшись на 70° (рисунок 5г).
При постоянном значении тока превышающим 1тах = 10 А, задвижка, не зависимо от начального положения полностью закрывается (рисунок 5д) и при постоянном значении тока ниже ¡min = 4 А, задвижка полностью открывается (рисунок 5е).
Данный эксперимент подтвердил работоспособность макетного образца системы регулирования в соответствии с заданным алгоритмом.
д) с)
Рисунок 4 - Осциллограммы мгновенных значений тока двигателя и положения заслонки
Далее нами были проведены производственные испытания экспериментального образца агрегата с автоматической системой регулирования производительности.
Составлена принципиальная электрическая схема соединений электропривода машины с учетом возможности ручного и автоматического управления процессом дробления [3](рисунок 5).
оп ^ ^ у!
КМ2.1 КМ1.1 4
ДТ
ГгФ
Н12 КМ5.3
Н13 КМ6.2
301
Руч Авт
КМ2.3 ^ КМ7.1 Ш КМ1 Цепь
КМ1.2 КМ5.1
3В3 КМ6.1
КМ8.1 КМ2
Блок микропроцессорног управления
У У У У У
КМ5 КМ6 КМ7 КМ8 КМ9
КМ6.4\^
Привод заслонки
управления дробилки
управлени транспортера
КМ4.1 КМ1.3 КМ3
управления КМ3.1 КМ4 заслонки
-и*-о—
Рисунок 5 - Принципиальная электрическая схема соединений электропривода дробилки
Д В С N
3В1
НИ КМ9.1
3В4
Н14
3В6
М2
М1
3В7
53
КМ3.2
У031
КМ4.2
Во время опытов, были сняты нагрузочные диаграммы основного двигателя дробилки по действующему значению тока I = №) и потребление электроэнергии этим же двигателем при ручном и автоматическом регулирования производительности при одинаковых условиях работы. Для снятия характеристик был использован анализатор качества электрической энергии PQA 824.
Результаты экспериментальных исследований. Результаты опытов показаны на рисунках 6 и 7. Фрагменты нагрузочных диаграмм, приведенные на рисунке 7, содержат процесс открытия заслонки с переходом на установившийся режим в интервале 0 - 0,06 час и далее часть периода установившегося режима.
Для оценки качества регулирования, были определены математическое ожидание т1, дисперсия Д и среднее квадратическое отклонение нагрузочных диаграмм двигателя, как случайных функций, по следующим упрощенным формулам [4]
т, = ^ Я, = а, = ^ , (1), (2), (3)
п п—1 *
где ¡1 - текущее значение тока для времени Ри п - количество значений .
В результате расчетов были получены следующие данные. Для ручного регулирования производительности дробилки
Ш1= 19,22 А, Б1= 0,012 А2, 0,12 А,
и для автоматического регулирования
Ш1= 23,17 А, Б1= 0,002 А2, ог 0,04 А.
Как видим, система автоматического регулирования существенно сглаживает нагрузочную диаграмму двигателя дробилки и способствует повышению величины математического ожидания тока.
Рисунок 6 - Нагрузочные диаграммы/ = /(1) двигателя дробилки при ручном (1) и автоматическом (2) регулировании производительности
|Ь00
2 /и
«00 300 п
О 0.02 0.04 0.06 О.Ов 0.1 -► 1, час
Рисунок 7 - График потребления электроэнергии двигателем дробилки при ручном (1) и автоматическом (2) регулировании производительности
Также, из рисунка 7 видно, что в течение 0,1 час работы дробилки соответствующей технологическому циклу работы агрегата в условиях крестьянского хозяйства, при автоматическом регулировании производительности, потребление электроэнергии основным двигателем дробилки увеличивается на 200 Вт-час по сравнению с ручным регулированием.
Эти показатели указывают на увеличение загрузки двигателя
дробилки при автоматическом регулировании.
Производительность агрегата определялась путем непосредственных измерений веса обрабатываемого зерна и времени дробления. Всего во время производственных испытаний было переработано 8 т зерна. По результатам испытаний, при дроблении зерна (ячмень), производительность агрегата составила при ручном регулировании 4,1 т/час и при автоматическом регулировании 4,5 т/час. Таким образом, при автоматическом регулировании производительность возросла на 0,4 т/час.
Нами была проведена оценка качества дробления зерна при ручном и автоматическом регулировании производительности, путем оценки готового продукта по наличию фракций различной степени помола. Для лабораторного анализа было выборочно взято по 10 кг проб кормов, полученных при различных системах регулирования кормоприготовительного агрегата. Анализ проводился в соответствии с ГОСТ 13496.8-72[5].Результаты анализа качества готового продукта приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Результаты анализа качества готового продукта
Доля фракций различной степени
помола, %
Тип регулирования Мелкая Средняя Крупная
до 1,8 мм 1,8-2,5 мм свыше 2,5 мм
Ручное регулирование 8 90 2
Автоматическое 6 92,5 1,5
регулирование
Из таблицы видно, что при автоматическом регулировании производительности качество помола несколько повышается по сравнению с ручным регулированием, так наличие фракций среднего помола больше на 2,5%, мелкой (пылевидной) фракции на 2% меньше и крупной также меньше на 0,5%. Это способствует лучшему усвоению питательных веществ животными и повышает их продуктивность.
Повышение качества готовой продукции при автоматическом регулировании производительности дробилки, объясняется большей равномерностью загрузки дробилки обеспечивающей оптимальный режим дробления зерен. Ручное регулирование не обеспечивает должную равномерность загрузки. При уменьшении загрузки дробление зерна чрезмерно увеличивается, и наоборот, при перегрузке слишком снижается.
Заключение.
Сравнение результатов экспериментов, полученных при ручном и автоматическом регулировании загрузки дробилки, показывает, что система автоматического регулирования существенно влияет на равномерность загрузки дробилки, улучшает энергетические показатели агрегата, повышает производительность при дроблении зерна на 0,4 т/час и качество дробления.
Список использованных источников:
1. Кешуов С.А., Илиев М., Тананова А.Д. Микропроцессорная система регулирования производительности малогабаритного кормоприготовительного агрегата. //Сборник докладов IV международного научного конгресса "Машины для сельского хозяйства 2016г." г.Варна, Болгария, 22-26 июнь 2016г. - С 55-60.
2. Кешуов С.А., Тананова А.Д. Методика и результаты исследование нагрузочной диаграммы электродвигателя кормоприготовительного агрегата ДУ-11 //Сборник докладов 6-й международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов инновации в сельском хозяйстве" г.Москва, Россия, 1516 мая.
3. Шандров Б. В., Чудаков А. Д., Технические средства автоматизации. - М.: «Академия», 2007, 363 с.
4. Вентцель Е.С., Теория вероятностей. - М.: «Наука», 1969, 576
с.
5. ГОСТ 13496.8-72. Комбикорма. Методы определения крупности размола и содержания неразмолотых семян культурных и дикорастущих растений. Введ. 1972-27-06. -М.: Издательство стандартов. 1972.
Бердимурат Айнур, PhD доктор, ассистент НАО КазНАУ, Казахстан, г.Алматы, Tananova-ainura@mail.ru
Бакытова Майгул, магистр технических наук, ассистент НАО КазНАУ, Казахстан, г.Алматы, 19_maigul_92@bk.ru
Жунусова Айза, магистр технических наук, ассистент НАО КазНАУ, Казахстан, гАлматы, aizazhunussova.93@mail.ru
Усипбекова Динара, PhD доктор, старший преподаватель НАО АУЭС, Казахстан, гАлматы, yagenk@mail.ru
INTELLECTUAL SYSTEM OF REGULATION OF THE PRODUCTIVITY OF SMALL-SIZED FOOD-PROTECTIVE UNIT
Ainur Berdimurat1,Bakytova Maigul2, Zhunusova Aiza3, Dinara Usipbekova4
1,2,3-Kazakh National Agrarian University, Almaty, Kazakstan
4 - Almaty University of Power Engineering and Telecommunications, Almaty, Kazakstan
Abstract/ The relevance of improving the efficiency of small-sized feed preparation unit by automating the regulation of its performance is shown. The results of the development of an appropriate microprocessor system with feed material flow control by means of a standard valve with an individual electric drive are presented. Regulation is made by the current of the crusher drive motor. The functional scheme of the proposed automatic control system is presented. The parameters of the control system necessary for the development of the system control algorithm. The results of laboratory tests of the automation system performance are presented. Comparative production tests of the crusher with manual and automatic load control are carried out. It is shown that the automatic control system significantly affects the uniformity of the crusher loading, improves the energy performance of the unit, increases the productivity and quality of crushing. Also, the quality of grain crushing was evaluated with manual and automatic control of productivity, by assessing the finished product by the presence of fractions of different degrees of grinding. The results of the evaluation showed that the automatic regulation of the quality of grinding performance is slightly improved compared to manual regulation, so the presence of medium grinding fractions is greater by 2.5%, fine (dust) fraction by 2% less and large is also less by 0.5%.
Key words: Small size feed-processing plant, microprocessor control system of the productivity, functional scheme, indicators of the control system, experimental studies.
Berdimurat A., doctor PhD, assistant of NPJSK KazNAU, Almaty, Kazakstan, Tananova-ainura@mail.ru
Bakytova M., master of technical sciences, assistant of NPJSK KazNAU, Almaty, Kazakstan, 19_maigul_92@bk.ru
Zhunusova A., master of technical sciences, assistant of NPJSK KazNAU, Almaty, Kazakstan, aizazhunussova.93@mail.ru
Usipbekova D., doctor PhD, senior lecturer of NPJSK AUPET, Almaty, Kazakstan, yagenk@mail.ru
