Оптимизация процесса весового дозирования сыпучих материалов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 681.5.015.3

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ВЕСОВОГО ДОЗИРОВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

В. С. Ткачев, к. т. н., доц.,. В. А. Ужеловский, к. т. н., доц., В. В. Грубов, асс.

Ключевые слова: пакет ЫЛТЬАБ 6.5 - ЗгшыПпк, весоизмерительний бункер, процесс дозирования.

Введение. Разработка и совершенствование систем весового дозирования сыпучих материалов является одной из актуальных задач при производстве строительных материалов и ведется с целью повышения производительности при обеспечении заданной точности дозирования. Широко распространен двухскоростной способ весового дозирования, при котором подача основной порции материала в весоизмерительный бункер осуществляется на одной скорости, а при приближении к заданному весу порции происходит переход на пониженную скорость подачи - досыпку материала.

Цель. Разработать методику определения момента перехода на пониженную скорость подачи материала и определить ее значение для повышения производительности систем весового порционного дозирования при обеспечении требуемой точности. Поставленная цель может быть достигнута путем создания и исследования модели системы дозирования, которая учитывала бы особенности этого процесса.

Основной материал исследования. В настоящее время известны работы посвященные созданию и исследованию математических моделей электропривода [2], информационных моделей в АСУ [5] и др. Модель дозирования сыпучих компонентов, разработанная в [1], не описывает в полной мере динамику процесса, в связи с чем настоящая работа посвящена разработке модели процесса дозирования, учитывающей инерцию электропривода питателя и вращающихся масс, нелинейно изменяющееся время падения от уровня материала в бункере. Использование такой модели позволяет оптимизировать параметры работы дозатора для достижения максимальной производительности при обеспечении требуемой точности.

Рис. 1. Структура и размеры дозатора Система дозирования (рис. 1) состоит из весоизмерительного бункера 1, шнекового дозатора 2 с асинхронным двигателем (АД), управляемым тиристорным преобразователем путем изменения частоты и величины питающего напряжения. Материал в бункер попадает с задержкой, определяемой временем падения. Высота падения а, следовательно, время падения меняются в процессе дозирования из-за повышения уровня материала по мере заполнения бункера. При таких условиях анализ динамических свойств системы удобно выполнять,

используя методы математического моделирования с применением современной компьютерной техники и программного обеспечения [3; 4].

Наиболее эффективно математическая модель процесса дозирования может быть реализована с помощью пакета МЛТЬЛБ 6.5 - 8тиПпк.

Математическая модель трехфазного короткозамкнутого АД при управлении частотой описывается системой уравнений, связывающей электромагнитные процессы обмоток статора и ротора. Уравнения содержат гармонические коэффициенты, что создает значительные трудности при реализации модели. Однако в данном случае целью моделирования является учет динамики вращающихся масс, поэтому модель АД должна определять скорость вращения в зависимости от момента сопротивления и частоты питающего напряжения.

При частотном управлении скоростью АД для соблюдения постоянства перегрузочной способности АД:

0 М,

1 = —, (1)

М '

" с

где Мк - критический момент;

Мс - вращающий момент двигателя.

Необходимо изменять напряжения питания двигателя иг в зависимости от частоты /г в соответствии с выражением [6]:

ип /„

мс (с)

сЧ п' (2)

иг Л \МС(с)

где/п - номинальное значение частоты питающего напряжения, Гц; ин - номинальное значение питающего напряжения, В; юн - номинальная угловая скорость вращения ротора, рад/с; юг - угловая скорость вращения ротора в процессе регулирования, рад/с. В этом случае механические характеристики АД изменяют только свой масштаб скоростей вращения пропорционально частоте питающего напряжения.

Уравнение движения электропривода, учитывающее динамику вращающихся масс имеет вид [6]:

М -Мс = У—, (3)

дХ

где М - вращающий момент двигателя; Мс - момент сопротивления;

У - момент инерции ротора двигателя и вращающихся деталей питателя, приведенных к валу двигателя.

Из уравнения движения электропривода (3) выразим угловую скорость вращения ротора двигателя:

М - М ,

дс =-- СХ. (4)

У

После интегрирования получим:

М - М ,

с = |--у-^ СХ . (5)

Механическую характеристику АД определяем из формулы Клосса:

2М,,

(6)

М = I"

А+'

Бк А

С -со

где: а =- - скольжение;

с

А - скольжение, соответствующее критическому моменту; ю - угловая скорость вращения ротора, рад/с; юо - синхронная скорость, рад/с.

Входными величинами являются частота питающего напряжения /г и момент сопротивления на валу двигателя Мс, выходом модели является скорость вращения ротора АД.

Двигатель приводит во вращение шнековый питатель, из которого материал падает с высоты к в весоизмерительный бункер с постоянным поперечным сечением площадью А.

Высота падения материала к уменьшается при наполнении бункера. Время от момента выхода материала из питателя до попадания в бункер определяется выражением:

Х =^ , (7)

ё

где к = Н- к1; £ = 9,8 м/с2;

Н - высота бункера;

к1 - высота материала в бункере.

Производительность питателя характеризуется коэффициентом Кп, связывающим приращение объема материала, вышедшего из него, с изменением угла поворота вала питателя:

Кп = СУп / дф, (8)

где значение Кп определяет конструкция питателя.

Модель процесса дозирования, учитывающая динамику электропривода питателя и нелинейно изменяющееся время падения от уровня материала в бункере, приведена на рисунке 2:

Рис. 2. Модель дозатора, реализованная в среде MATLAB 6.5

В ходе моделирования были варьированы две переменные: момент перехода на пониженную скорость досыпки материала, определяемый в процентном отношении к массе требуемой порции, и уровень снижения скорости привода питателя выражаемый в процентном отношении к скорости привода в процессе основной подачи материала.

Задержка поступления материала в бункер осуществлена блоком регулируемого запаздывания Variable Transport Delay. Для контроля времени дозирования использованы блоки Switch, Switchl. Погрешность дозирования, время процесса и масса материала в бункере вычислялись блоками, реализованными в подсистеме Subsysteml.

Зависимость времени и погрешности от момента перехода на пониженную скорость и ее величина показаны на графиках (рис. 3, 4):

Из полученных данных представляют интерес только те результаты, которые обеспечивают заданную точность дозирования (в данном случае погрешность менее 1 %).

0 А-----

10 20 30 40 50 60

Относительная величина скорости досыпки от основной, %

переход на пониженную скорость досыпки при 92% от веса порции переход на пониженную скорость досыпки при 95% от веса порции переход на пониженную скорость досыпки при 98% от веса порции

Рис. 3. Зависимость погрешности дозирования от момента перехода и скорости досыпки

16 А-----

10 20 30 40 50 60

Относительная величина скорости досыпки от основной, %

переход на пониженную скорость досыпки при 92% от веса порции переход на пониженную скорость досыпки при 95% от веса порции переход на пониженную скорость досыпки при 98% от веса порции

Рис. 4. Зависимость времени дозирования от момента перехода и скорости досыпки

Осциллограммы переходных процессов при моделировании в среде МЛТЬЛБ 6.5 изображены на рисунке 5.

Таким образом, максимальная производительность дозатора обеспечивается при минимальной скорости досыпки, но при этом увеличивается время дозирования. Исследовав влияние массы дозы на момент перехода на сниженную скорость при погрешности, не превышающей 1%. Масса дозы при этом изменялась от 400 кг до 1800 кг.

Рис. 5. Осциллограммы переходных процессов при моделировании: а - угловая скорость вращения шнека рад/с; б - время падения материала г, • 10 - с; в - масса материала в бункере т1, • 10 2 кг; г - масса падающего столба т2, кг .

Кривая найденных оптимальных переходов в зависимости от массы дозы изображена на рисунке 6:

о 94,00% о

Ш 92,00% 90,00%

Зависимость момента перехода от дозы

102,00% 100,00%

§ 98,00% о х о

96,00%

500 1000 1500

Масса дозы, кг

2000

Рис. 6. График зависимости оптимального момента перехода от массы порции при заданной точности дозирования Выводы. Выполненные исследования процесса дозирования позволяют оптимизировать двухскоростной способ весового дозирования - обеспечить максимальную производительность при заданной точности.

0

Разработанная модель весового дозатора позволяет на стадии проектирования оценить влияние характеристик оборудования на погрешность и производительность процесса дискретного весового дозирования.

Для конкретного оборудования, с учетом параметров весоизмерительного бункера и характеристик двигателя питателя получены значения момента перехода на пониженную скорость и уровень снижения скорости, обеспечивающие максимальную производительность дозирования при заданной погрешности, что позволяет оптимизировать процесс дозирования по предлагаемой методике.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:

1. Букреев В., Гусев Н., Нечаев М., Краснов И. и др. АСУ ТП производства комбикормов на базе контроллера Fastwel ЯТШ&8-Б8. Современные технологии автоматизации, № 1, 2006.

2. Довгань С. М. Дослщження систем електропривода методами математичного моделювання: Навчальний поабник. - Дшпропетровськ. НГА Украши, 2001. - 137 с.

3. Дьяконов В. 8тиПпк 4. Специальный справочник СПб, Питер, 2002 г. - 528 с.

4. Егоренков Д. Л., Фрадков А. Л., Харламов И. Ю. Основы математического моделирования. Построение и анализ моделей с примерами на языке МЛТЬЛБ. 2002.

5. Краснопрошина А А. и др. Современный анализ систем управления с применением МаАаЬ. 1999.

6. Чиликин М. Г., Соколов В. М, Терехов А В., Шинянский А В. Основы автоматизированного электропривода. Учебное пособие для вузов. М. Энергия, 1974. -568 с.

УДК 681.5.0153

Оптимизация процесса весового дозирования сыпучих материалов / В. С. Ткачев, В. А. Ужеловский, В. В. Грубов //Вкник ПридшпровськоТ державноТ академп будiвництва та архiтектури. - Дшпропетровськ: ПДАБА, 2009. - № 8. - С. 13 - 18. - рис. 6. - Бiблiогр.: (6 назв.).

Рассматривается совершенствование системы порционного весового дозирования сыпучих материалов двухскоростным способом путем определения момента перехода на пониженную скорость подачи материала и ее значение для повышения производительности при обеспечении требуемой точности. Разработана и исследована модель этой системы, которая позволяет на стадии проектирования оценить влияние характеристик оборудования. Представлены графики зависимостей погрешности и времени дозирования от момента перехода и скорости досыпки, приведены осциллограммы переходных процессов при моделировании, зависимость оптимального момента перехода от массы порции при заданной точности дозирования для конкретного оборудования.

УДК 681.5.015.3

Оптимiзацiя процесу вагового дозування сипучих матерiалiв / В. С. Ткачов, В. А. Ужеловскш, В. В. Грубов / / Вкник ПридшпровськоТ державноТ академп бущвництва та арх^ектури. - Дшпропетровськ: ПДАБА, 2009. - № 8. - С. 13 - 18. - Рис. 6. - Бiблiогр.: (6 назв.).

Розглядаеться вдосконалення системи порцшного вагового дозування сипучих матерiалiв двошвидюсним способом шляхом визначення моменту переходу на знижену швидюсть подачi матерiалу i И значення для тдвищення продуктивност при забезпеченш необхщно! точность Розроблена i дослщжена модель ще! системи, що дозволяе на стадп проектування оцшити вплив характеристик обладнання. Представлеш графши залежностей похибки i часу дозування вщ моменту переходу i швидкостi досипання, наведенi осцилограми перехщних процесiв при моделюваннi, залежнiсть оптимального моменту переходу вщ маси порцп при заданiй точностi дозування для конкретного устаткування.

UDC 681.5.015.3

Optimization of weight batching process of bulk materials / V.S. Tkachev, V.A. Uzhelovsky, V.V. Grubov / Pridneprovska State Academy of Construction and Architecture. -Dnipropetrovsk: PSABA,2009. - 8. - 13 - 18. - Fig. 6. - Bibliogr.: (6 ref.).

There is considered improving the system of proportioning weighted metering of bulk materials by two-speed method of determining the transition moment to a reduced feed rate of material and its importance for increasing productivity with providing necessary precision. There was designed the model of this system, allowing evaluation of influence from equipment characteristics on the stage of project work. There are represented the graphics of dependence of mistake and dosing time on the moment of transition and speed of filling up as well as oscillograms of transient processes during modeling, dependence of optimum moment of transition on the portion mass with given precision of dosing for the definite equipment.