CC BY
102
Оригинальная статья / Original article УДК: 66.028
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-7-133-140
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ СИСТЕМЫ ДОЗИРОВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
© С.В. Ляпушкин1, О.В. Арсентьев2
1Томский политехнический университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30.
2Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Резюме. Цель. Рассматриваются эффективные способы повышения точности дозирования компонентов в сыпучих смесях путем применения высокоточных асинхронных частотно-управляемых электроприводов с различными типами систем коррекции. Методы. Исследуемые процессы относятся к сложным многовариантным техническим и теоретическим задачам. Их решение требует использования методов, позволяющих гибко отстраивать систему управления при изменении условий процесса дозирования. Основой методики является алгоритм управления электроприводом подачи сыпучих материалов с учетом их физических свойств. Разработанный алгоритм был реализован на языке СИ с помощью механизма S-Function Builder в Simulink MatLab в составе имитационной модели системы дозирования сыпучих материалов. Результаты и их обсуждение. Проведенные модельные исследования позволили оценить эффективность применения разработанных систем управления шнековыми электроприводами. Совместное использование алгоритмов коррекции ошибки дозирования на основе статистических данных и вычисления компенсации ошибки, вызванной весом «падающего столба», приводит к максимальному уменьшению ошибки дозирования системы. Остаточная масса сыпучей компоненты в установившемся режиме Атуст при работе исходной системы дозирования и с применением двух типов коррекции соответственно составила 0,191, 0,072 и 0,027 кг. Заключение. Разработанная система управления асинхронным электроприводом дозаторов сыпучих материалов уменьшает ошибку дозирования с 19,1 до 2,7%. Предложенный алгоритм коррекции ошибки дозирования протестирован на технологии приготовления комбинированных кормов и показал полное соответствие предлагаемой системы управления и допустимой точности дозирования сыпучих компонентов. Ключевые слова: электропривод, дозирование, регулятор, адаптация, преобразователь частоты, моделирование.
Формат цитирования: Ляпушкин С.В., Арсентьев О.В. Повышение эффективности управления электроприводом системы дозирования сыпучих материалов // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. № 7. С. 133-140. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-7-133-140
IMPROVING EFFICIENCY OF BULK MATERIAL BATCHING SYSTEM ELECTRIC DRIVE CONTROL S.V. Lyapushkin, O.V. Arsentiev
Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin pr., Tomsk, 634050, Russia Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Abstract. Purpose. The paper deals with effective ways of improving bulk material batching accuracy of the components in granular mixtures through the use of high-precision frequency-controlled asynchronous electric drives with the correction systems of various types. Methods. The processes under investigation are referred to complex multivariant technical and theoretical problems. Their solution requires the methods allowing versatile tuning of the control system in case of changed conditions of batching. The procedure is based on the control algorithm of bulk material feeding electric drive taking into account physical properties of the materials. The developed algorithm was implemented in C language using S-Function Builder mechanism in Simulink MatLab as a part of the simulation model of the bulk material batching system. Results and their discussion. Conducted model studies allowed to evaluate the efficiency of the developed control
Ляпушкин Сергей Викторович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры электропривода и электрооборудования, e-mail: lsw777@mail.ru
Lyapushkin Sergey, Candidate of Engineering, Senior Lecturer of the Department of Electric Drive and Electrical Equipment, e-mail: lsw777@mail.ru
2Арсентьев Олег Васильевич, кандидат технических наук, заведующий кафедрой электропривода и электрического транспорта, e-mail: arsentyevov@rambler.ru
Arsentiev Oleg, Candidate of Engineering, Head of the Department of Electrical Drive and Electrical Transport, e-mail: arsentyevov@rambler.ru
systems of auger electric drives. Combined use of batching error correction algorithms that are based on the statistical data and the calculation of error compensation caused by the weight of the "falling head" leads to a maximum reduction of batching system errors. The residual mass of loose components in Amst steady state conditions under the operation of the initial batching system and with the application of two correction types amounted respectively 0.191, 0.072 and 0.027 kg. Conclusion. The developed control system of asynchronous electric drive of bulk material batchers reduces the batching error from 19.1 to 2.7%. The proposed batching error correction algorithm has been tested on the technology of formulated feed preparation and showed full compliance of the proposed control system with the admissible precision of bulk component batching.
Keywords: electric drive, batching, regulator, adaptation, frequency converter, simulation
For citation: Lyapushkin S.V., Arsentiev O.V. Improving efficiency of bulk material batching system electric drive control. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, no. 7, pp. 133-140 (in Russian). DOI: 10.21285/1814-35202016-7-133-140
Введение
Основным технологическим требованием при производстве комбинированных смесей является соблюдение дозирования каждого компонента с заданной точностью. В состав смеси входят компоненты, которые различаются по массе, стоимости и важности с точки зрения технологии. Наиболее целесообразной структурой комплекса для производства сухих смесей является дозирование всех элементов состава в общем бункере дозатора при перемещении каждого компонента отдельным шнековым питателем. Асинхронные двигатели шнековых питателей работают от преобразователей частоты со скалярным управлением. Автоматизация процесса управления электроприводом системы дозирования при учете особенностей отдельных компонентов способна повысить качество приготовления комбинированных смесей. Определенные настройки системы позволят, в зависимости от выполняемых задач, повысить точность дозирования каждого (выборочного) компонента, обеспечить оптимальный режим работы электроприводов шнековых питателей (дозаторов) для получения максимальной производительности.
В зависимости от технологических требований автоматические дозаторы могут применяться для решения следующих задач: поддержание требуемого мгновенного значения расхода; поддержание заданного среднего расхода за определенный промежуток времени; обеспечение суммарного количества материала за определенный цикл [1].
К процессу дозирования сыпучих материалов предъявляются следующие требования, несоблюдение которых приводит к снижению точности дозирования и качества выпускаемой продукции:
1. Обеспечение требуемого расхода по параметру регулирование производительности.
2. Обеспечение величины расхода по параметру в пределах допускаемых отклонений при определенном или произвольном изменении значении параметров материала - точность дозирования.
3. Обеспечение постоянства расхода по параметру или заданного изменения расхода во времени - устойчивость дозирования [2].
При больших объемах производства в ряде случаев требования по точности дозирования определяются на порцию смеси без учета значения каждого компонента. При этом относительная ошибка дозирования малых компонентов смеси может достигать значения, в несколько раз превышающего допустимую норму. Нарушение заданной рецептуры снижает качество комбинированной смеси, включая возможность полной ее непригодности. Таким образом, разработка и исследование электротехнического комплекса автоматизированного весового дозирования сыпучих материалов с частотно-регулируемым электроприводом является актуальной задачей, решение которой позволит выполнить повышенные требования к технологическому процессу дозирования смесей комбинированных компонентов в сложных производственных условиях.
Разработка системы управления с коррекцией ошибки дозирования
Решение задачи оптимального дозирования сыпучих материалов по критерию точности и максимально возможной производительности многокомпонентных смесей связано прежде всего, с формированием алгоритма управления электроприводом шнекового дозатора. Такой алгоритм позволит добиться требуемой точности подачи компонентов и оптимизировать время дозирования. Учитывая, что дозируемые компоненты обладают нестационарными свойствами, существенно влияющими на сыпучесть материала, то повторно получить дозирование материала с заданной точностью становится проблематично. Классический подход подчиненного регулирования на практике в таких системах дает ошибку, что при массовом производстве выливается в значительные потери качества комбинированных смесей. Для снижения влияния этого фактора предлагается интегрировать в контур регулирования алгоритм коррекции ошибки дозирования с учетом поддержания производительности шнекового питателя на оптимальном уровне [3].
Блок-схема алгоритма коррекции задания частоты на основе статистических данных представлена на рис. 1.
Коррекция
ошибки
дозирования
Рис. 1. Блок-схема алгоритма коррекции задания частоты шнекового дозатора Fig. 1. A flowchart of the correction algorithm of auger batcher frequency specification
Расчет задания на частоту вращения (производительность) шнекового питателя производится в реальном времени с учетом коррекции регулятора веса и минимальной скорости задания. Эти установки действуют в процессе дозирования текущей порции материала и минимизируют влияние изменения физико-химических свойств материала.
Для повышения производительности и уменьшения времени работы на минимальной скорости включается таймер режима «плавного регулирования скорости». Превышение времени работы приводит к увеличению минимальной скорости дозирования и коэффициента усиления регулятора веса. При длительной работе на минимальной скорости задействуется таймер контроля минимальной скорости и увеличивается скорость шнекового питателя. Регулирование следующего цикла сопровождается коррекцией задания на вес с учетом предыдущего цикла дозирования.
Разработанный алгоритм был реализован на языке СИ с помощью механизма S-Function Builder в Simulink MatLab в составе имитационной модели системы дозирования сыпучих материалов. На рис. 2 отображен график переходного процесса дозирования одного килограмма материала без алгоритма коррекции задания на основе статистических данных.
Рис. 2. Диаграмма переходных процессов без коррекции задания по статистическим данным: а - при первом пуске дозирования; б - при последующих циклах дозирования Fig. 2. Transition process diagram without task correction on statistical data: a - at the initial run of batching; б - at subsequent cycles of batching
При пуске системы управления без использования алгоритма коррекции наблюдаем абсолютную ошибку дозирования - 0,191 кг дозируемого материала, или относительную ошибку - 19,1%, что недопустимо по регламенту приготовления комбинированных смесей.
Из графиков, представленных рис. 2 видно, что абсолютная ошибка дозирования уменьшилась в 2,65 раза при применении алгоритма коррекции задания на основе статистических данных. Полученная ошибка дозирования равна 0,072 кг, или 7,2% от массы дозируемого материала, что в 2,4 раза больше, чем требуемая по регламенту приготовления смеси.
Для дальнейшего уменьшения ошибки дозирования необходимо применить алгоритм компенсации ошибки от массы падающего столба материала.
Разработка системы управления с компенсацией ошибки от массы падающего столба
материала
При дозировании сыпучих грузов тензодатчики фиксируют вес материала, который находится фактически в бункере. Если не учитывать вес падающего столба материала, находящегося в воздухе после остановки шнека, то можно получить значительную итоговую ошибку дозирования. В некоторых системах дозирования масса падающего столба способна достигать нескольких десятков килограммов. Компенсировать массу падающего столба необходимо при формировании задания системе управления. Поскольку масса, не измеряемая датчиками веса, уже находится внутри бункера в состоянии падения, для ее
учета необходимо к сигналу обратной связи прибавить величину вычисленной массы падающего столба.
В систему управления поступает измеренная величина массы дозируемого материала в весовом бункере. Если известен насыпной вес дозируемого материала у и объем бункера выполнен в виде усеченной пирамиды, то массу падающего столба можно рассчитать по формуле
тст = ^ • кст 'У ■ (1)
Виток шнека имеет внешний Д и внутренний диаметр ^ ; площадь определяем по формуле
SCT =Т'(D -d). (2)
Высота падающего столба кст будет определяться как
К = к +(кб -кт), (3)
где \ - высота от шнека до бункера; кб - высота бункера; кт - высота материала, заполненного в бункер.
Масса материала в бункере можно определить по формуле
т = уУ, (4)
где У - заполненный объем бункера.
Используя формулу для вычисления объема для усеченной пирамиды, высоту материала, заполненного в бункере, можно определить как
к - т' 3
т у• (d • е + у/d • е • а • Ь + а • Ь)'
где а, Ь, б, е - геометрические параметры оснований бункера дозатора, выполненного в виде усеченной пирамиды.
Используя формулы (1)-(5), масса падающего столба вычисляется по формуле
тСТ
4-( D - do2)
ho +
m'3 ^
П6--■ :-
Y' (d ' e + v d ' e ' a ' b + a ' b
'Г. (6)
Значение веса материала, находящегося в бункере, в реальном времени поступает в систему микроконтроллерного управления для расчета изменяющейся массы падающего столба дозируемого материала в переходных режимах. Компенсировать массу падающего столба необходимо при формировании задания в системе управления электроприводом. Ошибка дозирования, вызванная массой падающего столба, будет равна:
Ат = тзад -(тос + тст ) ■ (7)
Имитационная модель при совместном применении алгоритмов учета массы падающего столба в бункер дозатора и коррекции ошибки на основе статистических данных представлена на рис. 3.
Результаты имитационного моделирования дозирования одного килограмма сыпучего материала приведены на рис. 4. Совместное использование алгоритмов коррекции ошибки дозирования на основе статистических данных и вычисления и компенсации ошибки, вызванной весом падающего столба, приводит к уменьшению ошибки дозирования системы, снижению Дтуст до 0,027 кг. При этом ошибка дозирования снижается в два раза, до 2,7%.
Рис. 3. Имитационная модель автоматизированного электропривода дозирования сыпучих
материалов при совместном использовании алгоритмов коррекции ошибки Fig. 3. A simulation model of the automated electric drive for bulk material batching under the combined use of error correction algorithms
Рис. 4. Переходный процесс при совместном использовании алгоритмов коррекции ошибки Fig. 4. Transition process under the combined use of error correction algorithms
Практическим применением предложенного алгоритма управления системой электропривода дозирования сыпучих материалов является технология приготовления комбинированных кормов [4]. Согласно требованиям производства, ошибка дозирования сыпучих компонентов не должна превышать 3%. На имитационной модели при одновременном использовании алгоритмов коррекции ошибки дозирования была проведена серия экспериментов для всех компонентов комбикорма. На рис. 5 приведены гистограммы зависимости усредненной ошибки дозирования для каждого компонента комбикорма за несколько циклов дозирования.
В результате совместного применения алгоритмов удалось получить ошибку дозирования 2,7%, что соответствует заданным требованиям точности дозирования компонентов комбикормовой смеси. Анализ полученных результатов показывает, что наибольшее значение ошибки возникает при первом цикле дозирования, а далее алгоритм обеспечивает ошибку на минимальном уровне.
Am, кг / kg
0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 О
-0,02 -0,04 -0,06
Рис. 5. Статистические данные дозирования компонентов комбикорма Fig. 5. Statistical data of mixed feed components batching
Заключение
Повышение точности дозирования сыпучих компонентов определяется возможностью коррекции ошибки с учетом физических свойств материала. Динамический учет массы компонентов смеси (с учетом веса падающего столба) позволяет существенно повысить точность дозирования. Разработанная система управления электроприводом дозаторов сыпучих материалов уменьшает ошибку дозирования с 19,1 до 2,7%. Предложенный алгоритм коррекции ошибки дозирования протестирован на технологии приготовления комбинированных кормов. Полученные результаты подтверждают основные теоретические рекомендации и соответствуют технологическим нормативам, предъявляемым к комбинированным смесям.
Библиографический список
1. Сажин С.Г., Луконин В.П., Виноградов С.В., Смирнов И.В. Автоматизация процесса непрерывно-поточного дозирования // Приборы. 2007. № 3. С. 35-43.
2. Ляпушкин С.В., Гусев Н.В., Букреев В.Г., Нечаев М.А. Алгоритмы повышения точности в системе дозирования сыпучих материалов // Электромеханические преобразователи энергии: материалы VI Междунар. науч.-техн. конф. Томск: Изд-во ТПУ, 2013. С. 161-165.
3. Арсентьев О.В., Ляпушкин С.В., Гусев Н.В. Алгоритм адаптивной работы автоматической системы дозирования сыпучих материалов на основе статистических баз данных // Вестник ИрГТУ. 2012. № 11 (70). С. 181-186.
4. Букреев В.Г., Гусев Н.В., Нечаев М.А., Краснов И.Ю., Кремис С.Ю. АСУ ТП производства комбикормов на базе контроллера Fastwel RTU188-BS // Современные технологии автоматизации. 2006. № 1. С. 74-79.
References
1. Sazhin S.G., Lukonin V.P., Vinogradov S.V., Smirnov I.V. Avtomatizatsiya protsessa nepreryvno-potochnogo dozirovaniya [Automation of the process of continuous line dispensing]. Pribory [Instruments]. 2007, no. 3, pp. 35-43 (in Russian).
2. Lyapushkin S.V., Gusev N.V., Bukreev V.G., Nechaev M.A. Algoritmy povysheniya tochnosti v sisteme dozirovaniya sypuchikh materialov [Algorithms increasing accuracy in the bulk material batching system]. Mat-ly VI Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii "Elektromekhanicheskie preobrazovateli energii" [Materials of VI International scientific and technical Conference "Electromechanical Energy Converters"]. Toms k, 2013, pp. 161-165 (in Russian).
3. Arsent'ev O.V., Lyapushkin S.V., Gusev N.V. Algoritm adaptivnoi raboty avtomaticheskoi sistemy dozirovaniya sypuchikh materialov na osnove statisticheskikh baz dannykh [Algorithm of adaptive operation of automated system of bulk material batching on the basis of statistical databases]. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2012, vol. 70, no. 11, pp. 181-186 (in Russian).
4. Bukreev V.G., Gusev N.V., Nechaev M.A., Krasnov I.Yu., Kremis S.Yu. ASU TP proiz-vodstva kombikormov na baze kontrollera Fastwel RTU188-BS [Industrial control system of production of compound feeds on the basis of Fastwel RTU188-BS controller]. Sovremennye tekhnologii avtomatizatsii [Modern automation technologies]. 2006, no. 1, pp. 74-79 (in Russian).
Критерии авторства
Ляпушкин С.В. защитил диссертацию «Повышение эффективности управления электроприводом автоматизированного комплекса дозирования сыпучих материаалов» на звание кандидата технических наук по теме данной статьи и участвовал в ее написании совместно с Арсентьевым О.В. Арсентьев О.В. несет ответственность за плагиат.
Authorship criteria
Lyapushkin S.V. defended his Candidate's Dissertation "Improved motor control complex automated feeding of bulk materiaalov" the title of candidate of technical sciences on the topic of this article, and participated in its writing, together with Arsentiev OVon the topic of the given article and participated in its writing together with Arsentiev O.V. Arsentiev O.V. bears the responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding this publication.
Статья поступила 25.04.2016 The article was received on 25 April 2016
