автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Пневматические системы автоматического дозирования жидких сред для малых доз и расходов

Диссертация, представленная в виде научного доклада, содержит изложение основных положений работ автора по вопросам автоматизации процессов дозирования жидкостей, выполненных и опубликованных в период с 1984 по 1998 ГОДЫ.

Акт^альностьп^облемы. Значительная часть процессов химических, пищевых, текстильных, хлебопекарных, парфюмерных и многих других производств включает операции дозированной подачи устанавливаемых технологическим регламентом относительно малых доз или расходов жидких компонентов или содержит замкнутые контуры автоматического регулирования параметров, эффект регулирования в которых дЬстигается посредством ввода в объект управления (ОУ) относительно малых доз жидкости. При этом разработка автоматизированных систем управления осложнена отсутствием и трудностями создания промышленных исполнительных устройств (ИУ), в частности, дозирующих устройств (ДУ) для диапазонов малых доз и расходов, а также гидрозапорной и регулирующей арматуры с малыми диаметрами проходных сечений регулирующих органов.

Задача автоматизации технологических процессов еще более усложняется, если Off обладает инерционны* зада:<дыванием и параметрической нвста-ционарностью, выражающейся в непостоянстве во времени его динамических параметров. В этом случае качественное ведение процессов возможно при использовании замкнутых систем автоматического регулирования (САР) с перенастраиваемой на реализацию различных законов регулирования структурой. Для такого рода объектов, помимо средств автоматического контроля и регулирования основных параметров, САР должна содержать контуры контроля и управления собственно процессами дозирования, что, в свою очередь, приводит к необходимости создания универсальных систем автоматического дозирования (САД), конструктивно и функционально приспособленных к выполнению операций как порционного, так и непрерывного дозирования. Примерами •таких ОУ являются объекты очистки промышленных сточных вод, содержащие контуры дозированной подачи химреагентов. Именно на этих объектах нашли свое основное применение полученные в работе научные и практические результаты.

Цель настоящей работы заключается в разработке новых принципов построения надежных универсальных (в выше указанном смысле) САД для малых сз и расходов жидкостей, обладающих достаточно широким диапазоном дознавания и функциональными возможностями по оперативной перенастройке па-woppoB процесса дозирования, а также в приложении полученных результа-.? * -1тов к проектированию конкретных систем управления для ряда объектов.

У§¥?наяновизна. Предложен новый способ порционного дозирования, позволяющий строить универсальные пневматические САД с единым для процессов порционного и непрерывного дозирования выходным параметром. При этом структура САД представляется в виде замкнутой системы, содержащей ДУ (объект управления) и устройство управления (УУ) дозированием по выходному сигналу разработанного датчика-преобразователя текущей величины расхода дозируемой среды в давление сжатого воздуха. Исследованы статические и динамические характеристики преобразователя и проведен выбор его конструктивных параметров, направленный на улучшение метрологических характеристик САД. Разработаны принципиальные схемы универсальных ДУ и алгоритмы управления дозированием, обеспечивающие реализацию различных законов регулирования при использовании ДУ в качестве ИУ в составе замкнутых САР технологических параметров. Дана оценка систематических погрешностей предложенного способа порционного дозирования. Для порционных САД, строящихся на основе ДУ монжусного типа, предложена математическая модель описания процесса дозирования, на основании которой выявлены факторы, вызывающие дополнительные систематические погрешности дозирования. Предложены методы компенсации дополнительных погрешностей. Разработаны универсальные системы многокомпонентного дозирования жидкостей в заданном соотношении.

П2§ктическаяценность работы заключается в том, что, в развитие сформулированных в работе принципов построения САД, предложена методика их проектирования и разработаны схемы аппаратурной реализации основных Функциональных узлов данных систем.

Работа над диссертацией выполнялась в рамках 7 фундаментальных тем Института. В ходе выполнения диссертационной работы был получен ряд практических результатов, в том числе:

-выполнены проекты автоматизации процессов дозирования химреагентов для комплекса очистных сооружений завода сборных теплиц (г.Антрацит), для гальванических производств КБ "Точмаш" (г. Москва) и завода "ЭМЗ" Мосметрополитена;

-разработаны типовые пневматические системы корректировки параметра рн для проточных установок химреагентной (на заводе "РЭТО", г.Москва) и гальванокоагуляционной очистки промстоков;

-проведены промышленные испытания САД для парфюмерных производств; -разработано устройство автоматического дозирования сульфофрезола в камеру сгорания вихревой печи на заводе "Россельмаш".

§2У5Ьтатывнед£ения. На основе практических результатов, полученных в ходе выполнения диссертационной работы, были разработаны, изготовлены и переданы заказчикам для промышленной эксплуатации следующие устройства и системы:

-система управления двумя линиями нейтрализации сточных вод на очистных сооружениях ОП-1 НПО "Астрофизика" (г. Москва);

-опытный образец пневматического порционного дозатора уксусной кислоты на ПТО им. Дзержинского (г. Ивантеевка Московской обл.);

-устройства управления процессами очистки кислотно-щелочных, хромсодержащих и фторсодержащих промышленных сточных вод на очистных сооружениях ИЛК НПО "Орион" (г. Москва);

-устройство управления дозированием отработанных растворов для установки гальванокоагуляционной очистки промстоков на заводе "Электроавтоматика" (г. Йошкар-Ола);

-система дозирования отработанных растворов и электролитов для станции очистки промстоков гальванического производства сасовского станкостроительного завода (г. Сасово Рязанской обл.);

-система дозирования отработанных растворов для станции нейтрализации промстоков завода "Техноприбор" (г. Раменское Московской обл.);

-система дозирования клея ПВА для склейки конвертов на фальцовщике; -система дозирования и смешения компонентов для изготовления многослойных стеклопакетов (триплексов) на АО "Стекломаш" (г. Орехово-Зуево Московской обл.).

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 20 работ общим объемом около ю печатных листов.

Агтробация работы. Результаты работы докладывались на ряде международных, всесоюзных и всероссийских конференций, в том числе: на IX (Варшава, 1982) и X (Москва, 1986) Международных конференциях по пневмоавтоматике и струйной технике; на третьем Научно-техническом семинаре "Пневматические системы управления биологическими процессами", Москва, 1987; на Научно-практической конференции "Автоматизация в экологии и медицине", Самара, 1991; на Национальном Форуме "Экология и экономика России", Москва, 1995; на Всероссийском совещании "Пневмоавтоматика", Москва, 1996; на третьей Международной конференции "Проблемы управления качеством окружающей среды", Москва, 1997.

С°3®Е

§5!!е

§ботн. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка основных публикаций по теме диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ВВЕДЕНИЕ

Анализ известных методов автоматизации процессов дозирования жидкостей [Ю], чрезвычайно широко распространенных в химических, пищевых, хлебопекарных, текстильных, парфюмерных и многих других производствах, показывает, что, несмотря ка большое разнообразие существующих конструкций ДУ и более насыщенных по составу оборудования САД, выбор рациональных схем дозирования в диапазонах малых доз (от 0,01 до 20 л) и расходов (от 1 до юоо л/час) представляет достаточно сложную задачу ввиду отсутствия и трудностей создания соответствующего дозировочного оборудования, а также промышленной гидрозапорной и регулирующей арматуры с малыми диаметрами проходных сечений регулирующих органов.

По тем же причинам не решены в достаточной мере вопроси автоматизации процессов дозирования жидких компонентов на сложных ОУ. Имеются в виду объекты, обладающие инерционным запаздыванием и параметрической не-стационарност-ыо, эффект регулирования в которых достигается посредством дозированной подачи в 0У жидких реагентов. Характерными примерами таких ОУ являются объекты очистки промышленных сточных вод [8, ю]. Качественное ведение процессов здесь возможно с применением САР с перенастраиваемой структурой. Последние же могут быть реализованы на основе универсальных САД, приспособленных к выполнению операций как порционного, так и непрерывного дозирования.

Поскольку основные научные и практические результаты диссертационной работы, была получены в ходе решения задач автоматизации именно таких объектов, то ее цель и рассматриваемые в ней принципы построения САД в значительной степени ориентированы на создание средств автоматизации данных объектов. В то же время, полученные в работе результаты могут эффективно использоваться и для решения более широкого спектра задач автоматического дозирования жидкостей.

САД как ИУ автоматизированных систем управления должны удовлетворять целому ряду требований, основными из которых являются высокая надежность, приспособленность одних и тех же конструкций ДУ к выполнению операций как порционного, так и непрерывного дозирования, обеспечение приемлемых для автоматизируемого процесса характеристик систем по точности, диапазонам дозирования и быстродействию, охват по возможности наибольшего спектра дозируемых сред.

Известные ДУ и САД не удовлетворяют в полной мере указанным требованиям и имеют ряд принципиальных недостатков, сужающих область их применения в диапазонах малых доз и расходов. К этим недостаткам относятся

-сложность конструкций узлов дозирования и управления, содержащих, как правило, большое количество механических подвижных частей, что приводит к существенному снижению эксплуатационной надежности оборудования: -сравнительная узость обеспечиваемых диапазонов дозирования и неприспособленность одного и того же типа оборудования к дозированию сред с различными физико-химическими свойствами;

-узкие функциональные возможности, выражающиеся в отсутствии в целом ряде конструкций ДУ средств автоматической дистанционной регулировки их выходных параметров и в большинстве ДУ - свойства универсальности по отношению к операциям порционного и непрерывного дозирования. Представляемая работа велась по следующим основным направлениям: -анализ и классификация существующих методов и систем дозирования; -исследование методов преобразования параметров течения дозируемой среды в информационные сигналы для управления дозированием;

-создание простых по конструкции и надежных ДУ с высокой степенью унификации элементов оборудования и широкими функциональными возможностями по оперативной перенастройке параметров процесса дозирования;

-разработка рациональных структур САД и алгоритмов управления дозированием, позволяющих реализовывать замкнутые САР технологических параметров с перенастраиваемой структурой;

-исследование метрологических характеристик САД. Придание системам свойства универсальности по отношению к операциям порционного и непрерывного дозирования, а также расширение их функциональных возможностей с одновременным сохранением на достаточно высоком уровне их характеристик по точности, надежности и диапазонам дозирования достигается за счет применения нового способа порционного дозирования [1], основанного на программном регулировании расхода дозируемой среды, и оснащения ДУ простым по конструкции датчиком-преобразователем расхода в давление сжатого воздуха. Последнее является косвенным параметром, по которому ведется управление процессами как непрерывного, так и порционного дозирования. За счет использования ряда типовых схем ДУ с преобразователем расхода, а также стандартной методики проектирования УУ и их реализации на элементной базе промышленной пневмоавтоматики (используются пневмоэлементы систем УСЭППА и ЦИКЛ) повышается степень унификации САД. Применение пневматических ДУ и УУ дозированием позволяет также обеспечить пожаро- и взрывобезопасность оборудования, что является одним из важных требований для большинства производств.

Отдельная

глава работы посвящена решению задач многокомпонентного дозирования. Здесь предложены и реализованы новые схемы автономного непрерывного дозирования и смешения компонентов в заданном соотношении, рассмотрен метод одновременного порционного дозирования составляющих многокомпонентных смесей с заданным содержанием компонентов. При этом, САД строится таким об разом, что в процессе выполнения операций дозирования и смешения компонентов, а также транспортировки смеси к потребителю исключается образование газовой Фазы (в частности, пузырьков воздуха),

В представляемой работе объектом исследования являются системы объемного дозирования, приемлемые для автоматизации технологических процессов с относительно стабильными параметрами дозируемых продуктов по плотности и вязкости. В связи с этим следует отметить, что системы дозирования с применением весоизмерительной аппаратуры хотя принципиально являются более точными, однако сложны, дороги, имеют недостаточное быстродействие при дозировании жидкостей и недостаточно высокую надежность.

1. АНАЛИЗ И КЛАССИФИКАЦИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И САД ЖИДКОСТЕЙ

Поскольку в научно-технической литературе отсутсттвует единое общепризнанное толкование основных понятий в области дозирования, то эти понятия нуждаются в уточнении.

Под йодированием будем понимать процесс выдачи продукта с количественно регламентируемыми параметрами по расходу - для процессов непрерывного дозирования, или по объему (или весу) дозы - для процессов порционного дозирования. Для процессов непрерывного дозирования обычно дополнительно регламентируется время непрерывной работы, а при порционном дозировании - время выдачи дозы и периодичность выдачи доз.

В соответствии с функциональным назначением, автоматические устройства, предназначенные для реализации процессов дозирования (т.е. ДУ), можно подразделить на ДУ непрерывного действия, порционные и универсальные (приспособленные к выполнению операций как порционного, так и непрерывного дозирования).

Под системойавтоматическогодози2ования (САД) будем понимать совокупность автоматического ДУ (как объекта управления) с его технологической обвязкой (расходные баки с дозируемыми продуктами, гидрозапорная ж регулирующая арматура, датчики контроля параметров процесса дозирования и т.п. дозировочное оборудование) и УУ дозированием, обеспечивающего управление исполнительными органами ДУ по заданному алгоритму. Соответственно будем различать системы непрерывного и порционного дозирования (непрерывные и порционные САД), а также универсальные САД, приспособленные к выполнению операций порционного и непрерывного дозирования.

Реализуемый непрерывной САД процесс дозирования содержит последовательно выполняемые операции включения подачи дозируемой среды к потребителю с выходом ДУ на номинальный режим работы с заданной производительностью, непрерывного дозирования в течение заданного (как правило, изменяемого в широких пределах) промежутка времени и прекращения дозирования. Процесс пбрционного дозирования, реализуемый порционной САД, содержит три, обычно последовательно выполняемые, операции - транспортировку дозируемой среды от источника (расходного резервуара или напорной магистрали) в узел отмеривания дозы, отмеривание заданной величины дозы и выдачу дозы потребителю.

В настоящей работе рассматриваются следующие наиболее часто встречающиеся на практике задачи непрерывного и порционного дозирования:

-поддержание заданного значения мгновенной величины расхода дозируемой жидкости или, при многокомпонентном дозировании, - заданного соотношения расходов нескольких дозируемых жидкостей;

-отмеривание заданной дозы жидкости или, при многокомпонентном дозировании, - дозы смеси нескольких одновременно дозируемых жидкостей с заданным содержанием отдельных компонентов.

С учетом решаемых задач ДУ и САД должны удовлетворять целому ряду требований, основными из которых являются следующие:

1. САД должны иметь высокую эксплуатационную надежность, обеспечивать приемлемые для данного цроцесса характеристики по точности и быстродействию, обладать достаточно широким диапазоном дозирования.

2. ДУ, используемые в качестве ИУ замкнутых САР с перенастраиваемой структурой, должны быть малоинерционными и универсальными по отношению к операциям порционного и непрерывного дозирования, а также должны обладать широким диапазоном дозирования и содержать средства оперативного контроля и дистанционной подстройки параметров процесса дозирования.

Данное требование поясним на примере объектов химреагентной очистки промстоков [8], основными регулируемыми параметрами в которых являются кислотность среды рн и концентрации отдельных загрязнителей. Эти ОУ характеризуются следующими общими признаками:

-возможностью описания динамики реакторов очистных установок передаточной функцией И0(а) вида: И0(з)=к0ехр(-т0з)/(Т0з+1), где к0, Т0 и т0 - соответственно, коэффициент усиления, постоянная времени и время запаздывания ОУ;

-параметрической нестационарностью, выражающейся в непостоянстве во времени параметров к0, т0, т0 или части из них, обусловленной их зависимостью от (как правило, нестабильного) химического состава поступающих на очистные сооружения сточных вод.

Согласно изложенным в работе Д.Н. Смирнова и В.Е. Генкина рекомендациям, при выборе закона регулирования для такого рода объектов необходимо учитывать величину отношения т0/т0, служащую общей динамической характеристикой ОУ (см. Д.И.Смирнов, В.Е.Генкин. Очистка сточных вод в процессах обработки металлов. "Металлургия", М., 1989). В зависимости от величины т0/т0 рекомендуется выбирать двухпозиционный закон регулирования при т0/т0<о,2; пропорциональный -при 0,2 < т0/т0 <1,5; импульсный -при т0/Т0 >1,5.

Ввиду параметрической нестационарности данных ОУ и ограниченности технологическим регламентом времени процесса обезвреживания промстоков, применение какого-либо одного из указанных законов регулирования не обеспечивает требуемые характеристики САР по точности и быстродействию. Для достижения требуемого качества очистки сточных вод в реальных условиях, необходимо применение САР с перенастраиваемой структурой, сочетаю-ющих, например, двухпозиционное регулирование - при значительных отклонениях регулируемого параметра от заданного значения и импульсное - при малых отклонениях. Для реализации таких САР требуется определенный класс практически отсутствующих в промышленности универсальных САД. з. САД должны охватывать по возможности наибольший спектр дозируемых сред. При этом следует учитывать, что большинство применяемых в производственных процессах (в частности, в процессах обезвреживания промстоков) растворов являются агрессивными и часто обладают другими, неблагоприятными для осуществления операций дозирования физико-химическими свойствами (содержат твердые взвеси, кристаллизуются).

В научно-технической литературе по вопросам дозирования жидкостей дается классификация ДУ по основным принципам действия (см. Г.И.Морозов. Оптимизация процессов дозирования химикатов и красителей в текстильной промышленности. Легпромбытиздат, м.,1986; Ю.Д. Видинеев. Автоматическое, непрерывное дозирование жидкостей. Изд. "Энергия", М., 1967; А.Л. Гуре-вич, М.В. Соколов. Импульсные системы автоматического дозирования агрессивных жидкостей. Изд. "Энергия", М., 1973). Здесь выделяются следующие основные группы систем и устройств автоматического дозирования.

Замкнутые САР расхода с регулирующими клапанами имеют низкую точность при малых величинах производительности, что связано с нестабильностью характеристик клапанов при работе с малыми перепадами давлений. Другим их недостатком является наличие конструктивно сложных стандартных расходомеров, устанавливаемых в линии подачи дозируемой среды, и вторичных приборов, дополнительно понижающих надежность данных систем.

Системы автоматического отмеривания доз. П'М'йЦ; онных САД и работающие по одному из двух принципов: А Р С ТВ ЕИ

- Путем суммирования мгновенных значений расхода, осущесзр^л^НЭ'ШНЗ^ средством связанного с расходомером интегрирующего устройства, и отключения исполнительного механизма при достижении заданной величины дозы. В качестве интегрирующего устройства обычно используются различные системы задания, учета и регистрации протекших количеств жидкости, работающие в комплекте с крыльчаткой или подобного рода датчиком расхода, преобразующим объемный расход жидкости в скорость вращения чувствительного элемента (вертушки, ротационные, барабанного типа);

- Путем использования ДУ непрерывного действия с постоянным выходным расходом с отмериванием дозы по времени:

Данные принципы построения систем порционного дозирования неприемлемы для отмеривания и выдачи малых доз ввиду наличия больших статических и динамических ошибок, возникающих из-за нелинейностей и инерционности датчиков расхода и регулирующих органов (в первом случае) и из-за наличия относительно больших по продолжительности и, как правило, нестабильных переходных процессов изменения расхода дозируемой среды при включении и выключении ДУ (во втором случае).

Частотно-импульсные САД содержат конструктивно сложные ИУ с большим количеством гидрозапорной арматуры, а также сложные механические узлы приборов управления.

Насосы-дозаторы (электроприводные и пневматические) применяются главным образом на чистых (не содержащих твердой фазы) растворах, являются конструктивно сложными, имеют узкий диапазон дозирования.

ДУ сифонного и эрлифтного типов являются высоконадежными безарматурными системами дозирования свободного и низконапорного истечения. Однако, порционные ДУ сифонного типа предназначены лишь для дозирования фиксированных объемов жидкости и, как правило, не позволяют производить автоматическую дистанционную регулировку величины дозы. ДУ эрлифтного типа имеют узкий диапазон и низкую точность, что связано с нестабильностью образующейся в процессе работы эрлифта газо-жидкостной смеси.

Известные безарматурные системы транспортировки жидких сред под действием избыточного давления сжатого воздуха, создаваемого в замкнутом расходном резервуаре-монжусе не являются дозирующими устройствами в выше принятом смысле, так как имеют существенную зависимость расхода на выходе такого устройства от текущего положения уровня жидкости в резервуаре. Кроме того, ввиду большой величины объема газового пространства резервуара, монжусные системы обладают большой инерционностью. ДУ £ мерной емкостью (МЕ) содержат большое количество гидрозапорной арматуры и применимы лишь для дозирования фиксированных или изменяемых в сравнительно узком диапазоне доз жидкости, что связано с ограниченностью объема МЕ и использованием в этих ДУ принципа последовательного выполнения операций отмеривания и выдачи дозы.

Ш. типа ДИМБА для известковых суспензий (разработка ВНИИВОДГЕО), принцип действия которого основан на делении плоской струи жидкости, свободно падающей со сливного лотка под постоянным напором. Эти ДУ применяются на объектах водоочистки с большими объемами сточных вод и непрерывным характером процесса, имеют громоздкую конструкцию и требуют больших трудозатрат на эксплуатацию.

Для выявления рациональных принципов построения САД, потенциально пригодных для создания систем, обладающих сформулированной в цели работы совокупностью положительных качеств (в первую очередь, обладающих свойством универсальности) и удовлетворяющих перечисленным выше требованиям, целесообразно воспользоваться классификацией САД (рис.1), в основу которой положены признаки наличия или отсутствия в системе датчиков контроля ее выходных параметров и методы контроля этих параметров.

Исходя из принятого нами определения САД как системы управления дозированием, состоящей из ОУ (автоматического ДУ) и УУ дозированием, правомерным является представление ДУ как звена системы автоматического регулирования, выходными параметрами которого являются текущее значение мгновенной величины расхода дозируемой среды - для ДУ непрерывного действия и величина отпускаемой потребителю дозы - для порционных ДУ. Соответствующими входными параметрами ДУ являются формируемые в УУ сигналы задания производительности (для ДУ непрерывного действия) или величины дозы (для порционных ДУ).

Согласно принятым классификационным признакам, известные САД непрерывного действия (рис.1а) можно разделить на две группы:

-замкнутые по выходному параметру. отличительной особенностью, которых является наличие в составе САД датчика-преобразователя текущей величины расхода дозируемой среды в информационные сигналы, используемые для управления исполнительными органами ДУ;

-разомкнутые по выходному параметру. отличительной особенностью которых является отсутствие в составе САД указанного датчика.

К первой группе систем относятся замкнутые САР расхода, содержащие расходомернке устройства, устанавливаемые в линии подачи дозируемой жидкости к потребителю.

Ко второй группе относятся непрерывные САД, статическая (тарировоч

Рис.1, Классификация САД:

- непрерывных, б - порционных,

- универсальных. ная) характеристика которых (зависимость выходного параметра от параметра управления - сигнала задания производительности ДУ) является неизменной при условии отсутствия или постоянстве во времени оказываемых на ДУ внешних возмущающих воздействий. Примерами таких систем могут служить частотно-импульсные САД, содержащие ДУ с МЕ, насосы-дозаторы с регулируемым числом оборотов электропривода, пневматические насосы-дозаторы, эр-лифтные и сифонные ДУ, а также ДУ типа ДИМБА.

Известные порционные САД (рис.16) по методу контроля выходного параметра могут быть разделены на три группы: с непрерывным контролем текущего значения величины дозы в процессе ее отмеривания, с контролем момента окончания отмеривания дозы и без контроля величины дозы.

В порционных системах первой и второй групп отмеривание дозы производится, как правило, в узле отмеривания ДУ и, в редких случаях, когда это возможно, - в приемнике доз.

К порционным САД с непрерывным контролем текущего значения величины дозы в процессе ее отмеривания относятся:

-системы автоматического отмеривания доз (САОД), работающие по принципу интегрирования текущей величины расхода; эти САД в классе порционных являются аналогами замкнутых непрерывных САР расхода (рис.1а);

-системы с отмериванием дозы по уровню жидкости в открытой или по давлению сжатого газа в замкнутой МЕ.

В зависимости от типа используемого датчика системы порционного дозирования с МЕ могут быть отнесены также и к классу систем с контролем момента окончания отмеривания дозы. Последний класс включает также и системы с отмериванием дозы в приемном аппарате.

К порционным САД без контроля величины дозы относятся многочисленные конструкции ДУ сифонного типа и ДУ с мерной камерой (например, ковшовые и черпаковые), величина дозы в которых, как правило, неизменна или может изменяться в достаточно узких пределах и определяется конструктивными параметрами ДУ,

Известные универсальные САД (рислв) строятся на основе разомкнутых по выходному параметру ДУ непрерывного действия эрлифтного или сифонного типов, а также на основе насосов-дозаторов, Для реализации операций порционного дозирования в данных системах используется метод отмеривания доз по времени.

Из проведенного анализа и классификации известных методов и систем дозирования жидкостей можно сделать следующие выводы, касающиеся выработки направлений исследований, нацеленных на создание надежных универсальных САД для диапазонов малых доз и производительностей.

-12-,

Предпочтительным по своим метрологическим характеристикам является принцип дозирования, основанный на построении замкнутых по выходному параметру систем. Данному принципу в наибольшей степени могли бы соответствовать САР расхода (рис.1а), приспособленные к решению задач порционного дозирования, например, посредством отмеривания доз по времени (как это делается в показанных на рис.1в универсальных САД разомкнутого типа). Хотя построенные по данному принципу САД и обладают свойством универсальности,- они все же непригодны для дозирования малых доз по ряду указанных ранее причин (низкая точность, обусловленная статическими и динамическими ошибками стандартных расходомеров и регулирующих органов, наличие продолжительных переходных процессов изменения расхода в начале выдачи дозы и при ее отсекании).

С точки зрения упрощения конструкции ДУ и аппаратурной реализации УУ предпочтительным является построение замкнутых универсальных САД (рис.1в) на базе ДУ с единым выходным параметром.

2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ САД

Для определения единого выходного параметра ДУ, на основе которого можно вести построение универсальных САД, установим связь между объемом дозы отпускаемым потребителю за один цикл тд порционного дозирования, и текущей (по времени О величиной расхода ей) на выходе ДУ.

Такая связь между указанными параметрами существует и является однозначной при использовании предложенного в авторском свидетельстве [1] способа порционного дозирования. Данный способ предполагает, во-первых, одновременное выполнение операций порционного дозирования - транспортировку дозируемой жидкости, отмеривание дозы и ее выдачу. При этом объем дозы, отпускаемый потребителю за время т , связан с расходом ¡зи) интегральным соотношением:

Во-вторых, способ [1] заключается в том (рис.2), что операция отмеривания дозы производится следующим образом. Входящую в выражение (2-1) мгновенную величину расхода Q(t) изменяют посредством ее автоматического программного регулирования по "аранее известному, одинаковому для отдельных реализаций цикла порционного дозирования, заданному закону: e(t)=Q3(t). При этом, расход e(t.) сначала увеличивают в течение времени ц от его начального (в момент времени t=о) минимального значения Qmin в частном случае <Зт1п=°) До некоторого фиксированного, постоянного для каждой дозы, заданного значения а затем уменьшают до нуля. Указанные изменения параметра 5(1) формируются с помощью показанных на рис.2 пунктирными линиями монотонно возрастающей, ^(О, и монотонно убывающей, (^), базовых функций, имеющих нулевой корень, и определяются как

Ч3(Ъ) = 3( Ъ) + <32,3(г)' ГДе в1,3(Ь) 2 + при в 9з* + *2и " " при ** £ 1 5 тд' (2'2>

С учетом (2-2) зависимость (2-1) приобретает вид: тд тд

Уд=К,зи,аЧв2,5(1;,<1Ч[,}в1п+Т1(,;>]<1Ч (2-3) о Ч о ь^ где время ^ изменения расхода в сторону его увеличения и полное • время дозирования тд определяются из граничных условий:

1,3<Ч> = «т1„+*1<М=«з*; «2,а<ТД> = «з»+*2(ТД-1:*) = (24)

Таким образом, при использовании способа порционного дозирования [1], контроль и управление процессами как порционного, так и непрерывного дозирования можно вести по единому выходному параметру - мгновенной величине расхода чи) жидкости. При непрерывном дозировании расход з^) должен поддерживаться на заданном постоянном уровне |}и)=$*=соп51, определямцем производительность ДУ. При порционном дозировании параметр Q(t) должен изменяться по заданным выражениями (2-2) законам. При этом объем дозы и время дозирования могут изменяться в широких пределах за счет изменения базовых Функций *j(t) и и параметра задания дозы Q3i.

В частном случае реализации описанного способа порционного дозирования, например, при необходимости сокращения времени выдачи дозы, системой программного регулирования параметра Q(t> может производиться только его увеличение от о до <3,* по заданному закону Q(t)=Q ■ +¥, (t), о * О Ш1 П после чего выполняется операция отсекания дозы (быстрое уменьшение до нуля расхода на выходе ДУ). Для данного алгоритма порционного дозирования объем дозы и время дозирования тд определяются по формулам: t*

V= f Q(t) dt + V„ T = t, + et„ = (2-5) д J 3 д, от д * от * где v - составляющая объема дозы, отпускаемая потребителю за время

Д, от отсекания дозы ¿>t0T '6t0T <J< ПРИ реализации данного алгоритма необходимо принимать меры, направленные на стабилизацию величины v^ QT в отдельных циклах порционного дозирования, так как эта составляющая дозы, в общем случае, может зависеть не только от параметра задания но и от других рабочих и конструктивных параметров ДУ.

Для реализации рассмотренного способа порционного дозирования в составе ДУ необходимо иметь датчик-преобразователь расхода Q(t) в косвенный параметр, удобный и приемлемый для построения выше указанных систем автоматической стабилизации и программного регулирования расхода. Для пневматических САД наиболее удобным выходным параметром такого преобразования является давление сжатого воздуха.

На рис.за показана схема конструкции предложенного в [1] проточного преобразователя мгновенной величины расхода Q(t) в давление р( t) сжатого воздуха, представляющего собой замкнутую дозировочную емкость (ДЕ) 1 с входным патрубком 2, нижняя коническая часть которой переходит в короткий' цилиндрический сливной насадок з.

Принцип действия преобразователя основан на повышении избыточного давления р сжатого воздуха в газовом пространстве ДЕ при подаче в нее дозируемой жидкости через патрубок 2 и далее, через насадок з, - к потребителю. Истечение жидкости из ДЕ имеет стабильный характер (происходит с заполнением ею внутрет-'ей полости насадка, без образования газожидкостной смеси) и сопровождается повышением давления р при расходах Q, превышающих некоторое минимальное значение Qmih- зону нечувствительности. Величина q . зависит от конструктивных параметровДЕ и может быть

- — А /

4 б/ Звено т ¿/Ь Звено

Выход

Выход преобразователя

Рис.3. Схемы преобразователя расхода: а) принципиальная, б) расчетная, в),г),д) структурные определена, как это будет показано ниже, из статической характеристики преобразователя. Очевидно, что этот параметр не должен превышать нижнюю границу диапазона непрерывного дозирования.

Для выбора величин конструктивных параметров ДЕ (как преобразователя расхода) и оценки их влияния на точность дозирования рассмотрим статические и динамические характеристики преобразователя. Воспользуемся показанной на рис.зб расчетной схемой и показанной на рис.зв его двух-звенной структурной схемой. В расчетной схеме, с целью упрощения выкладок, принята за основу цилиндрическая форма ДЕ, Структурная схема (рис.зв) составлена по отношению к управляющему (входному) воздействию преобразователя в виде приращения притока AQ^Qj-Qj 0 жидкости в ДЕ и к выходным параметрам в виде приращений давления др=р-р0 (для звена 1) и расхода на выходе ДЕ о 'для звена 2)> гДе Ро " установившееся значение давления в газовом пространстве ДЕ, соответствующее постоянным по времени t (установившимся) величинам притока q1 q и расхода Q2 Q жидкости: Qlj0 = q2j0 = Q0 = const.

Статическая характеристика ДЕ может быть получена из уравнения Бер-нулли для установившегося турбулентного движения несжимаемой жидкости, записанного для сечения 1-1 (рис.зб), совпадающего с положением уровня жидкости в ДЕ, и сечения 2-г на выходе насадка. Это уравнение имеет вид:

Р0 + PS (t + h0) = ía22 + ÍH + *.H(¿/d)] (pu^/2), (2-6) где p - плотность жидкости, g - ускорение силы тяжести, С и d - длина и внутренний диаметр насадка, hQ и и0 - положение уровня и средняя по сечению насадка скорость истечения, соответствующие установившемуся режиму, «2-23 1 " К0ЭФФиИиент распределения скоростей в выходном сечении насадка, £н - коэффициент сопротивления входного отверстия насадка, хн коэффициент трения в насадке. Обозначая через q>=i/Vi+£„+*.„(t/df - коэф

Фициент расхода и учитывая, что uQ=Q0/f (где f - площадь проходного сечения насадка), получим выражение для статической характеристики:

30 = Q1)0 = Q2>0 = <Р f / (2/Р) Р0 + 2gе + 2gh0" . (2-7)

Параметр hQ может быть исключен из (2-7) при помощи уравнения газового состояния в ДЕ, которое для рассматриваемой нами далее модели изотермического процесса сжатия газа может быть записано в виде: h0 Fe = v0 = Ve p0 / (p0 Pa), (2-8) где Р. - атмосферное давление, v - объем ДЕ (исключая объем внутренней полости насадка), f0 - площадь сечения ДЕ, hQFe=v0 - объем жидкости в

ДЕ. С учетом (2-8) и равенства Уе/Ре=не (где не - высота ДЕ), уравнение статической характеристики может быть окончательно представлено в виде:

Q0 = Ф f / (2/о) Р0 + 2g [t + Не Р0/(Р0 + Ра)] ' • (2-9)

Рассмотренному выше истечению жидкости из ДЕ с минимальным расходом соответствует точка характеристики (2-9), для которой Р0=0 и

Qmin = Ф f / 2g Г. (2-10)

Возвращаясь к описанному выше способу порционного дозирования [1], рассмотрим его реализацию на основе предложенного преобразователя расхода . Ограничимся алгоритмом порционного дозирования с отсеканием дозы в момент времени t=tt, которому соответствует выражение (2-5) для определения объема отпускаемой потребителю дозы. Заданный, постоянный для каждого цикла дозирования, характер изменения расхода жидкости Q2(t) может быть получен посредством программного регулирования давления р по заданному, например, наиболее просто реализуемому средствами пневмоавтоматики, экспоненциальному закону:

P(t) = P3(t) = рпит [l-exp(-t/tn3n, (2-11) где тпз - постоянная времени программного задатчика регулятора давления, Рпит - давление питания пневмоэлементов УУ. Давление р увеличивается от о (при t.=o) до постоянного (для заданной величины дозы) давления задания дозы i> , после чего производится операция отсекания дозы. При таком алгоритме порционного дозирования, а также при условии "идеальности" системы регулирования давления р, предполагающем тождественное (для каждого момента времени t) равенство заданных и Фактических значений данного параметра в процессе его регулирования, количественная оценка объема дозы v^, отпускаемого потребителю за один цикл тд порционного дозирования, полученная без учета инерционных свойств звена 2 преобразователя, в соответствии с (2-9), может быть дана в виде:

4 Гг V11 '

V ^ Р Vt)+2g [£+не Pjt)+Pa 1 dt + VW(P3*+Pa>' (2"12) о за где vQpJ./(p,+P„)=v - составляющая дозы, отпускаемая за время отсев «3* 3 д t от кания, определяемая из выражения (2-8) как объем жидкости, накопленный в ДЕ за время t^. Последнее, с учетом (2-11), определяется из граничного условия: p3<V = рпит [1 - exp(-t,/rng)] = р3,.

Построение системы непрерывного дозирования на основе ДЕ ведется посредством автоматической стабилизации давления р на заданном постоянном уровне p=P3=const. При этом оценка производительности САД, получаемая из (2-9) при условии "идельности" системы регулирования давления р, будет иметь вид:

9 = »г/ (2 /р) Р* + 2g [е + Не Р*/(Р* + Ра)]' ■ (2-13)

Функциональные зависимости (2-12) - объема дозы от давления задания дозы р„„ (при порционном дозировании) и (2-13) - производительности ДУ от давления задания производительности рд (при непрерывном дозировании) представляют собой расчетные тарировочные характеристики ДУ. Они получены при условии "идеальности" системы регулирования давления р (а для (2-12) - и без учета инерционных свойств звена 2 преобразователя) и могут быть использованы для ориентировочной количественной оценки обеспечиваемых диапазонов дозирования. При расчетах по формулам (2-12), (2-13) коэффициент расхода ф может быть принят равным о,82. (Кго,5). При работе в диапазоне малых доз и расходов тарировочные характеристики ДУ могут быть легко получены экспериментальным путем. Поэтому отпадает необходимость применения в качестве сливного насадка ДЕ сложных в изготовлении стандартных сужающих устройств с заранее известным коэффициентом ф.

Из уравнений (2-12) и (2-13) следует, что однозначная зависимость объема дозы и производительности ДУ от параметров задания (Рзл, и р*) имеет место при постоянных величинах коэффициента расхода ф, плотности р жидкости и атмосферного давления Р. Если пренебречь достаточно малыми по величине изменениями потерь давления на трение в сливном насадке ДЕ, зависящими от температурных колебаний динамической вязкости жидкости м, то коэффициент расхода ф можно считать постоянным. Полагая ф=сопз1, дадим оценку относительных систематических погрешностей дозирования, вызываемых отклонениями параметров р и Р, от их номинальных (имевших место при тарировке ДУ) значений. Ограничимся процессом непрерывного дозирования, для которого указанные погрешности определяются из (2-13) как в«(р)=(1/ен)(Эе/др) |р др; <5<з(Ра)3(1/ен)(дд/дРа)1р дРа, (2-14) Н Э | н где е- = „,Р- - номинальные (длй различных значений р*) вели

Л Г1 <3 | п о о чины производительности ДУ, Др и ДР - абсолютные отклонения рассматриваемых параметров от их номинальных значений (р„, Р „). (Входящие в

П О. ) л

2-13) частные производные вычисляются для значений р=р„, Р =Р- „). Рас

Н а а, И четы по формулам (2-14) дают следующие, выраженные в процентах, числовые оценки максимальных (по параметру р*) относительных погрешностей:

1 до 1 Р8Не дра 2 ^ 100(*>: '^»'шах = 2 Р71 РГ„100<%)- <2"15)

П Л » Л <Х У Г

Из выражений (2-15) следует, что погрешность бч(Ра), в силу неравенства ране<<Ра, ничтожно мала и может не приниматься во внимание. Погрешность бд(р) должна учитываться при проектировании САД и оценке ее метрологических характеристик.

Таким образом, мы исследовали факторы, вызывающие систематические погрешности предложенных алгоритмов порционного и непрерывного дозирования при условии "идеальности" системы регулирования давления р. Преимуществом предложенных алгоритмов является то, что они не несут в себе других дополнительных источников систематических погрешностей.

Неидеальность" же системы регулирования давления р, характеризующаяся наличием динамических ошибок, приводит к появлению дополнительной динамической погрешности дозирования. При порционном дозировании эта погрешность вызывается нестабильностью (для отдельных циклов дозирования) начальной стадии процесса программного регулирования давления р (например, нестабильностью начальной скорости втекания жидкости в ДЕ и времени заполнения сливного насадка). Нестабильность протекания начальной стадии регулирования приводит к неодинаковости начальной величины давления в ДЕ, т.е. начального условия для Функции р(г), характеризующей процесс регулирования. Погрешность дозирования, вызванная "неидеальностью" системы регулирования, может быть снижена за счет уменьшения ее динамических ошибок, т.е. за счет улучшения качества регулирования.

Предложенный преобразователь расхода, являясь объектом управления в составе системы регулирования давления р, определяет качество процесса регулирования. Чем меньше инерционность преобразователя и количество элементарных звеньев, определяющих его динамику, тем проще реализация качественного регулирования. Исследуем далее динамические характеристики преобразователя и оценим влияние на них конструктивных параметров ДЕ.

Динамические характеристики преобразователя определяются системой трех уравнений.

1. Уравнением Бернулли для неустановившегося режима истечения жидкости через насадок, составленным для сечений 1-1 и 2-2 (рис.зб):

Р (аь/аю2 1 и2 I аи ь ^ 4 ♦ (2-16) где и<1;) - текущее (по времени г) значение скорости истечения жидкости-из ДЕ. Последние два члена уравнения (2-16) представляют собой инерционные потери напора в насадке и в ДЕ, соответственно, а член (аь/аг)2/2а выражает скоростной напор жидкости в ДЁ. Так как величины I и ь имеют один и тот же порядок, а скорость- истечения и>>аь/аг, то уравнение (2-16) может быть упрощено. При дальнейшем исследовании воспользуемся уравнением для неустановившегося режима истечения через насадок вида:

P/pg + 1 + h = (1/ф2) («2/2g) + Wg) (du/dt). (2-17)

2. Уравнением газового состояния в ДЕ, которое для рассматриваемой нами модели изотермического процесса сжатия газа может быть представлено в виде: h = Не р / (р + Ра), (2-18) где h = h(t) - Текущее положение уровня жидкости в ДЕ.

3. Уравнением баланса расколов в ДЕ:

Fe (dh/dt) = Qj - Qg. (2-19)

Подставляя в (2-17) скорость истечения u = Q2/f и ее производную <Wdt=(dQ2/dt)/f, а также значение h из (2-18), получим уравнение динамики звена 2 в виде нелинейного уравнения: dQ2 Q2 р F.HdVdtbVPl- Ji dt" + ¡¡7^ - Й He P'(P+P&) - 0. (2-20)

Дальнейшую оценку динамических характеристик преобразователя проведем по его линейной модели. Такая оценка оправдана принципом действия САД, основанным, как было показано выше, на автоматической стабилизации давления р на заданном постоянном уровне (при непрерывном дозировании) или его программном регулировании по заданному, плавно изменяемому по времени t закону (при порционном дозировании), что предполагает малые динамические отклонения давления р (и, соответственно, расхода Qg) от их заданных значений. Для получения линейной модели преобразователя линеаризуем Функцию Fj в малой окрестности (d(AQ2)/dt, aq2, др) установившихся значений (о, qq1 р0) ее аргументов (dQ2/dt, q2, р). Линеаризацию проведем пользуясь методом разложения функции (в данном случае трех переменных) в ряд Тейлора, в котором ограничимся первыми двумя членами:

F1 2 F10* Fl(dQ2/dt)!o d(AQ2)/dt ♦ F'1Qj0 Д82 +.f'J0 AP, (2-21) где, с учетом уравнения (2-9), f10= (Q2/2gV2f2)-p0/pg-i-hep0/{p0+Pa)=0, а частные производные функции Fx вычисляются для значений аргументов, соответствующих установившемуся режиму истечения.

После вычисления частных производных, входящих в уравнение (2-21), оно приводится к линейному ур; нению стандартного вида:

Tg d(ÜQ2)/dt. + AQ2 = kg Др, (2-22) где постоянная времени т2 и коэффициент к2 вычисляются по формулам: -21

T2=<fAf/Q0; k2 = <p2f2[l+pgHePa/(P0 + Pa)2) / pQ0 S (p2f2/pQ0. (2-23)

Уравнение динамики звена l получим из уравнения (2-19), которое, после подстановки в него производной dh/dt из (2-18), примет вид:

F2 (dp/dt, P,Q1,Q2) = VePa / (p+Pa)2(dp/dt) - Qj + Q2 = 0. (2-24)

Проведя линеаризацию уравнения (2-24), получим линейное уравнение:

VePa/(P0 + Pa)2[d(üp)/cit) = ÄQ1 - де2. (2-25)

Уравнение динамики линейной модели звена 1 получим в результате исключения из (2-25). переменной aq2> входящей в уравнение (2-22). После преобразований искомое уравнение может быть записано в стандартном виде:

TjT2 d2(ÄP)/dt2 + T1 d (Др) / dt+Др = (Tg/kg ) d(4Qj ) /dt + (l/k2 )AQj , ( 2-26 ) где Tj. - постоянная времени звена l, вычисляемая по формуле:

Ti » vepa/k2 '•po+ia'2 = pvepsfio ' «>2f2 ^o^a'2' <2"27>

Таким образом, предложенной преобразователь расхода описывается двухзвенной структурой с передаточными функциями вида (рис.зг):

V + 1 к

W (s) = --- ; W = ■„■ г . (2-28)

1 kgfTjTgS^+TjS+l) 1 J2S

Анализ данной структуры показывает, что улучшение динамических характеристик преобразователя, направленное на уменьшение числа его звеньев и их инерционности, может быть проведено путем варьирования величин конструктивных параметров ДЕ. При достаточной малости постоянной времени Т2 и выполнении неравенства т2/т1<<1 звено 1 можно рассматривать как апериодическое звено с коэффициентом усиления 1^=1/к2 и постоянной времени т^ а звено г - как усилитель с коэффициентом усиления к2 (рис.зд). Определим, при каких соотношениях параметров эти . условия выполняются. Для этого дадим оценки максимальным величинам постоянной времени т2 и отношения Tg/Tj, полагая при этом равным 1 коэффициент расхода <р,

С учетом (2-23), (2-9),(2-Ю) и (2-27), при ф=1 имеют место оценки:

Т2 = if/Q0 < tt/Qmin = / e/2g (2-29)

T2/T1 = (if/2VePa){P0+Pa)2/(P0+re+rHeP0/(P0+Pa)] < fPa/2rVe, (2-30)

Принимая удельный вес жидкости г = og =1 г/см3 и выбирая величины конструктивных параметров из равенств ш см, f/veS2 ю"4см~1, получим: т2<о,о4 с, т2/т1<о,1. Эти оценки удовлетворяют сформулированным условиям улучшения динамических характеристик преобразователя. При выборе диаметра d из интервала о,1-о,б см (в зависимости от заданного значения верхней границы диапазона дозирования), объем ДЕ (V ) будет изменяться в пределах от 40 до 1400 см , а постоянная времени тх не будет превышать ее максимальное значение т, =о,46(у./{)■/ т/гР= 2,з е., которое по

X ) ШАХ 6 л и лучается из (2-27) при рл5(1/3)Я,, у=1г/см и выбранной величине отношения f/v =2-ю см

Таким образом, предложенный преобразователь расхода с передаточной Функцией вида и(з)=к1/(т1Б+1) и полученной оценкой постоянной времени т1 является малоинерционным и вполне, приемлем для реализации на его основе простых по конструкции ДУ и универсальных САД, приспособленных к выполнению рассмотренных алгоритмов порционного и непрерывного дозирования.

3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ САД С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ РАСХОДА

Данная

глава посвящена изложению основных результатов исследований САД, строящихся на основе преобразователя расхода дозируемой среды в давление сжатого воздуха. В разделе 3.1 рассматриваются схемы САД и алгоритмы порционного и непрерывного дозирования, обеспечивающие реализацию различных законов регулирования технологических параметров при использования ДУ в качестве ИУ замкнутых САР. В разделе 3.2 проводится анализ дополнительных систематических погрешностей, присущих системам порционного дозирования, строящимся на основе ДУ монжусного типа, и исследуются методы компенсации этих погрешностей. В разделе 3.3 рассматривается методика проектирования и аппаратурная реализация САД.

3.1. Разработка дозирующих устройств с преобразователем расхода.

Описание алгоритмов управления дозированием

Рассмотренный в главе 2 преобразователь расхода - дозировочная емкость (ДЕ) является основным технологическим элементом ДУ [10], приспособленных к выполнению операций как порционного, так и непрерывного дозирования. Эти ДУ в качестве 0У входят в состав универсальных пневматических САД. В зависимости от вида и схемы размещения дозировочного оборудования, а также с учетом свойств дозируемой жидкости, ДУ с ДЕ могут строиться по трем основным схемам.

ДУ монжусного типа (рис.4а) не содержит гидрозапорную и регулирующую арматуру в линии подачи жидкости из расходного резервуара-монжуса (РР), располагаемого ниже требуемого уровня н, ее истечения из ДЕ к потребителю (в объект - приемни доз). РР предназначен для работы под давлением и оборудуется нормально закрытым (н.з.) и нормально открытым (н.о.) двухпозиционными пневмоклапанами Кх - для подачи сжатого воздуха и К2 - для стравливания воздуха. ДУ монжусного типа применяется главным -23

Рис.4.Принципиальные схемы ДУ в составе САД: а - монжусного типа, 6 - дроссельного типа, в - монлусвого типа с автоматическим пополнением РР. образом для дозирования сред, содержащих нерастворенную твердую фазу (например, известковых суспензий, являющихся основным химреагентом в процессах очистки сточных вод). С целью исключения отложений взврсей на стенках соединительного трубопровода (от РР к ДЕ) и сливного расадка, а также для реализации операции отсекания дозы, ДУ оборудуется н.о. (или н.э.) двухпозиционным пневмоклапаном продувки К3.

ДУ дроссельного типа (рис.46) может применяться как для дозирования незагрязненных жидкостей, так и жидких сред, содержащих небольшой процент нерастворенной твердой фазы. Помимо клапана продувки К3, предназначенного здесь для стабилизации гидравлического сопротивления сливного насадка ДЕ перед очередным циклом дозирования и для реализации операции

-.24отсекания дозы, ДУ содержит дроссельный регулирующий орган - н.з. регулирующий пневмоклапан К4, устанавливаемый в линии подачи жидкости из .открытого (не предназначенного для работы под давлением) расходного бака (РБ). Последний устанавливается выше уровня н^ истечения жидкости из ДЕ.

ДУ монжусного типаавтоматическим пополнением РР (рис.4в) применяется на жидкихедахнебольшимдержанием взвесей и оборудуется н.з.двухпозиционным пневмоклапаном К5,ужащим для пополнения резервуа-ра-монжуса (РР)из открытого расходного бака (РБ). РР имеет небольшую емкость, выбираемую в зависимости от верхней границы диапазона дозирования, и является здесь дополнительным резервуаром, вводимым встав ДУ при необходимости реализации подачи жидкости из открытого расходного бака, расположенного ниже (или незначительно выше) требуемого уровня истечения н^. Ввиду малого объема РР, основным режимом работы ДУ является режим периодического порционного дозирования. Автоматическое пополнение РР до заданного постоянного уровня н0=сопз! реализуется по окончании очередного цикла дозирования. Контроль окончания данной операции ведется погналу давления рь=рйн (где н - текущее положение уровня жидкости в РР) от установленного в РР датчика уровня барботажного типа (см. Л.А. Залманзон. Аэрогидродинамические методы измерения входных параметров автоматическихстем. М., "Наука", 1973 г.,244).

Исполнительные органы ДУ (рис.4а,б,в) - клапаны К1~К5> в зависимости от физико-химических свойств дозируемой жидкости, диапазона дозирования и типоразмеров оборудования, частично могут быть реализованы на стандартных элементах промышленной пневмоавтоматики или могут быть выполнены в виде малогабаритных регулирующих клапанов специальной конструкции с мембранным пневмоприводом и возвратной пружиной.

Принцип действия САД основан на управлении подачей жидкости в ДЕ и через ее сливной насадок - к потребителю. Подача жидкости осуществляется под действием избыточного давления Рг сжатого воздуха в РР (рис.4а,в) или гидростатического напора рйН„ (рис.46) при ее одновременном напорном истечении из ДЕ. Управление процессом дозирования и его контроль осуществляются по величине давления р в газовом пространстве ДЕ, а также по величине давления рх в РР (рис.4а,в), изменяемых по заданному алгоритму. Обработка сигналов давлений рх и р и формирование управляющих сигналов на исполнительные органы ДУ осуществляются пневматическим УУ.

Работа ДУ монжусного типя организуется по следующим алгоритмам.

В исходном состоянии ДУ (перед началом очередного цикла непрерывного (рис.4а) или порционного (рис.4а,в) дозирования производится продувка соединительного трубопровода и сливного насадка ДЕ через клапан К3. дозирования с двухпозиционным регулированием давления р1 в РР, объем которого обычно составляет несколько кубометров, является в. данном случае единственно приемлемым с точки зрения обеспечения работоспособности и надежности ДУ. Надежность процесса дозирования обеспечивается здесь тем, что при двухпозиционном регулировании давления р1 течение жидкости в соединительном трубопроводе сопровождается пульсациями потока, которые способствуют осаждению содержащихся в суспензии взвесей и препятствуют засорению входного патрубка ДЕ.

Рассмотрим далее вопрос, касающийся возможностей реализации устройством управления в составе САД различных законов регулирования технологических параметров при использовании ДУ в качестве ИУ замкнутой САР. В этом случае на входы УУ, помимо сигналов давлений р и р1 (рис.4а,в), поступает показанный пунктирной линией аналоговый пневматический сигнал Р, отражащий текущее значение регулируемого параметра (например, параметра рн на установках очистки сточных вод, преобразуемого в давление сжатого воздуха Р посредством стандартного рн-метра с выходным электрическим унифицированным сигналом и электропневмопреобразователя).

В зависимости от требуемого закона регулирования работа САД может быть организована по следующим алгоритмам.

При реализации двухпозиционного или пропорционального законов регулирования алгоритмом работы УУ предусматривается автоматическая стабилизация давления р, соотвественно, на заданном постоянном уровне р =р* = с.опз1 или на уровне, линейно зависящем от текущей величины рассогласования а Р=Р3~Р>0 регулируемого параметра, где Рд - выраженное в единицах давления заданное значение параметра. При этом давление задания производительности р* формируется в виде р* = кдР + (Рд)0, и в УУ может быть произведена оперативная корректировка величин настроечных параметров (коэффициента к и давления (р*)0) в зависимости от требуемой точности регулирования и с учетом динамических характеристик ОУ.

При реализации релейнс)-импульсного (РИ) или более эффективного по быстродействию САР амплитудно-импульсного (АИ) законов регулирования работа ДУ организуется в режиме периодического порционного дозирования. Управление дозированием и его контроль производятся по давлениям р1 (рис.4а,в) и р, а отсекание дозы - по достижении давлением р величины, равной р"^. Последняя устанавливается на постоянном уровне -при РИ регулировании или, при АИ регулировании, - линейно зависит от дР: Р3*=к'ДР + + (Р3„)0, где к и (Р3*)0 - настроечные параметры САД. Заданная же периодичность выдачи доз выбирается и настраивается с учетом суммарной величины времени запаздывания (т0) и постоянной времени (т0) ОУ.

Во всех рассмотренных случаях (двухпозиционного, пропорционального и импульсного регулирования) операция отсекания дозы и переключение ДУ на продувку производятся при &Р<о. Кроме того, в САД с автоматическим пополнением РР (рис.4в) в паузах между циклами выдачи дозы реализуется операция пополнения РР до заданного постоянного уровня н0=сопзг.

3.2. Исследование метрологических характеристик порционных САД с ДУ монжусного типа

Анализ погрешностей порционного дозирования удобно вести, если имеется аналитическое выражение для объема отпускаемой потребителю дозы через рабочие и конструктивные параметры ДУ. Для алгоритма, соответствующего предложенному способу порционного дозирования, данное выражение имеет вид (2-13). Получить, однако, аналогичное выражение для рассматриваемой САД (рис.4а) крайне сложно, ввиду нелинейности и высокого порядка исходной системы дифференциальных уравнений, представляющих аналитическое описание процесса дозирования. Поэтому для оценки влияния различных факторов на точность дозирования воспользуемся следующей методикой.

Первоначально составим аналитическое описание процесса дозирования, используя (как и ранее) модель неустановившегося одномерного турбулентного движения несжимаемой жид. ости. Далее будем сравнивать различные реализации цикла дозирования для неизменной величины давления задания дозы р3„ и оценивать повторяемость отдельных стадий процесса. Под повторяемостью стадий будем понимать тождественность (для отдельных реализаций -29цикла) функций времени t, являющихся решением описывающей данную стадию системы уравнений. Указанную повторяемость стадий примем в качестве критерия отсутствия погрешностей дозирования и, не решая исходную систему уравнений, будем полагать, что эта повторяемость имеет место, если остаются неизменными входящие в аналитическое описание процесса начальные условия (н.у.) и рабочие параметры ДУ.

1. Стадия заполнения трубопровода описывается уравнением Бернулли: Р, (t) j2 ,, . ,2

1 s d s s (ds/dt)

-iT" + Ho = t + u + «Т + 4 5 ) ~гГ~ + Hs(s>' (3-х) где s(t) - текущее положение уровня жидкости в трубопроводе; D -внутренний диаметр трубопровода, который выберем равным внутреннему диаметру входного патрубка ДЕ (при этом площадь проходного сечения патрубка и 2 трубопровода - f=*d /4)-, hs(s) - зависящая от конфигурации трубопровода, высота его заполнения как функция з; н0 - начальный уровень жидкости в РР, который будем считать постоянным в течение цикла дозирования ввиду пренебрежимо малой величины отношения площадей трубопровода и РР;

Px(t) 3 P1>3(t) = Рпит [1 - exp(-.t/Tn3)] - (3-2) давление в РР как Функция времени t при условии "идеальности" процесса его программного регулирования (под идеальным, как и ранее, понимается процесс регулирования, для которого имеет место тождественное равенство заданного -р. (t) и Фактического - p.(t) значений давления); Р„„=const 1f3 1 пит

- давление питания пневмоэлементов УУ; Tn3=Const - постоянная времени программного задатчика; £т = const - коэффициент местного сопротивления на входе в трубопровод; - коэффициент трения в трубопроводе, зависящий от текущего значения числа Рейнольдса Re=pD(ds/dt)/ц, и рассчитывае

3 с мый для значений з-ю < Re <10 по формуле Блазиуса

1/4 1/4 0,316 / (Re) = 0,316 / [pD(ds/dt)/М] , (3-3) где ц - динамическая вязкость жидкости, зависящая от температуры.

Уравнению (3-1) относительно переменной s(t) соответствуют н.у.: s(0) = Н0, (ds/dt)(0) = 0. (3-4)

В результате решения уравнения (з-i) и отыскания функции sft) могут быть определены время тт заполнения трубопровода и начальная скорость и1(тт) втекания жидкости в ДЕ. При известном выражении функции s(t) эти параметры определяются из граничных условий: з(тт) = L; иг(-гт) = <ds/dt)lt=;T , (3-5) где l - длина трубопровода.

-зо

2. Истечение через насадок описывается системой, содержащей четыре уравнения относительно переменных: ux(t) - скорости течения жидкости в трубопроводе, p(t) и h(t) - давления и уровня жидкости в ДЕ, u(t) - скорости истечения жидкости из ДЕ. (Как и ранее рассматривается цилиндри ческая форма ДЕ). Указанная система содержит следующие уравнения. Уравнение движения жидкости в трубопроводе:

Pj(t) р(t; ' L u2i L dui но = *н* ♦ + ч + sir> ii + г зг • <з-б> где tiO; P}(t)£p13(t)=pnj!T[i-exp(--rT/Tn3)]+pnjIT[i - exP(-t/Tn3)] -текущая величина давления в РР при условии "идеальности" регулирования.

Уравнения истечения жидкости через насадок, баланса расходов в ДЕ и изотермического процесса сжатия газа в ДК были рассмотрены в главе 2 и, с учетом ранее принятых обозначений переменных, имеют вид: 2 р 1 u t du + г + ь = -гТй * lTt< (з-7)

Fe(dh/dt) = Qj - Q2 = UjF - uf, (3-8) h = H0 p / (p + Pa). (3-9)

3. Стадия заполнения сливного насадка предшествует стадии истечения жидкости из ДЕ и представляет интерес для выявления и оценки повторяемости н.у. собственно процесса дозирования (истечения через насадок).

Перед тем как сформулировать интересующие нас н.у. заметим, что для обеспечения работоспособности ДУ необходимо, чтобы приток жидкости в ДЕ (q1=u1f) в каждый момент времени t>xT превышал ее расход (<32=uf) через насадок. (Это следует из уравнения (.3-8)). Выполнение этого условия достигается при определенных величинах отношения *=f/f=(d/d)2 и начальной скорости втекания жидкости в ДЕ Uj(о)=Uj(тт), где Uj(тт) определяется граничными условиями (3-5). Скорость ^(0) тем больше, чем больше постоянная времени тпз, входящая в выражение (з-2). Выберем параметры ж и тпд так, чтобы заполнение насадка происходило за пренебрежимо малый промежуток времени *г3=£/[«Uj(о)] << t^, где t^ - время наполнения ДЕ. Это легко сделать ввиду малой длины насадка С. При Tg<<tJ( для функции Uj(t) имеет место н.у.:u,(0)=(ds/dt)| .

1 г т

Приближенная количественная оценка параметра *, удовлетворяющая условию Qt(t) > Q2(t), может быть получена из упрощенного вида уравнений (з-б) и (3-7), который получается, если из них исключить члены, учитывающие потери давления на трение, на местные сопротивления и инерционные потери, а также принять во внимание неравенство: р >> pg(£+h). В этом случае уравнения (3-6) и (3-7) приводятся к виду;

Рх + Р8Н0 = р + оен^ + ри^/2; р - ри2/2 (3-10) и имеет место оценка параметра ж, удовлетворяющая условию Ч1>&2:

2 г Р/1Рг - Р - РЙ(Н^-Н0)]. (3-11) 2

Так как функция * (р, н<:-н0) - возрастающая (по указанным аргументам), то для оценки величины * в неравенство (3-11) необходимо подставить максимальные значения давления р в ДЕ и разности (н<,-н0). Полагая эти значения равными, соответственно, 0,8 и о,з кгс/см2, а также полагая, что давление в ДЕ достигает максимума при максимальной величине давления р1 в РР, равной давлению питания (Рпит = 1,4 кгс/си2), получим «^1,63. С учетом потерь давления на трение, местные сопротивления и инерционных, минимальное значение * (1,63) должно быть увеличено. Принимая равным 1,з коэффициент, учитывающий потери давления, получим окончательные оценки, используемые для выбора и и отношения р/с! диаметров трубопровода и насадка: к г 2,1; ь/а г 1,7. (Заметим, что полученное соотношение диаметров приемлемо и при выборе конструктивных параметров ДЕ в составе ду дроссельного типа (рис.4б)).

Полагая далее (ввиду малости объема насадка по сравнению с объемом ДЕ) равным нулю начальное (соответствующее окончанию стадии заполнения насадка) давление в ДЕ, представим интересующие нас н.у, в виде: и1(0) = (с)8/<Л;) | ; р( 0) =0; Ь(0) =0; и(0)=<р /гаГ". (3-12) т

4. Опорожнение ДЕ и переход ДУ на режим продувки происходят при достижении давлением р значения, равного р„. При этом открываются клапаны К2 и К3 (рис.4а), и давление р повышается от значения, равного р3^, до величины, равной давлению питания р„„, а давление р, в РР уменьшается пит 1 от значения р1#, достигнутого к моменту отсекания дозы, до нуля. Под действием давления р„ происходит полное опорожнение ДЕ, по окончапит нии которого давление р уменьшается из-за стравливания воздуха в атмосферу через насадок. Вследствие малости объема Уе и длины насадка е, ее полное опорожнение происходит раньше, чем опорожнение трубопровода и падение до нуля давления р1. Опорожнение трубопровода происходит под действием возникшего положительного перепада давлений между ДЕ и РР, При достаточно больших величинах гидравлического сопротивления линии стравливания воздуха из РР и приходящегося на момент отсекания дозы объема его незаполненной части, знак перепада давлений по окончании опорожнения ДЕ может измениться на противоположный. Это, в свою очередь, может привести к повторной подаче жидкости в ДЕ и неконтролируемому "доливу" дозы по окончании операции "Дозирование".

Описанный эффект "долива" дозы может многократно повторяться по мере стравливания воздуха из РР и может приводить к появлению дополнительной погрешности дозирования, которая обусловлена двумя Факторами:

-возможной неодинаковостью объемов доливаемых порций, вызываемой различной (в отдельных циклах дозирования) величиной объема равной

V. ), где V - объем незаполненной части РР до начала дозирова

1 , и д 1 , и ния, зависящий от величины начального уровня заполнения РР -н0, уд -объем дозы, отпускаемый за один цикл дозирования;

-распиливанием, доливаемых порций потоком воздуха, поступающим в ДЕ через клапан продувки.

Полученное аналитическое описание процесса дозирования и проведенный в соответствии с выше описанной методикой анализ его отдельных стадий позволяет сделать следующий вывод, касающийся метрологических характеристик САД. Повторяемость стадий, принятая нами за критерий оценки влияния различных факторов на точность дозирования, может быть обеспечена при следующих условиях:

-при постоянстве конструктивных параметров ДУ, плотности и вязкости дозируемой жидкости;

-при "идеальности" системы программного регулирования давления рх; -при условии исключения эффекта "долива" дозы; -при постоянной величине начального уровня заполнения РР - н0-Погрешности дозирования, вызываемые эффектом "долива" дозы и непостоянством параметра н0, являются присущими рассматриваемой САД дополнительными систематическими погрешностями по отношению к рассмотренным ранее погрешностям способа порционного дозирования [1}.

Согласно данным, полученным в ходе экспериментального исследования рабочего процесса порционной САД с ДУ монжусного типа, изменение величины объема дозы (уд), вызываемое изменением параметра н0 на 1 и, при двухпозиционном регулировании давления р1 составляет порядка 2,5 %.

Методам повышения точности рассматриваемой САД посвящена работа [5], в которой, в частности, описаны меры, обеспечивающие компенсацию присущих этой системе выше указанных дополнительных погрешностей.

Погрешность, связанная с "доливом" дозы, может быть устранена либо за счет дублирования линии стравливания воздуха из РР, либо, как это показано в работе [5], - путем введения в цикл дозирования дополнительной стадии контролируемого опорожнения ДЕ, следующей за стадией ее наполнения. (Последний метод соответствует описанному в главе 2 общему случаю реализации способа порционного дозирования [1]).

-зз

С точки зрения принятой нами методики оценки влияния различных факторов на точность дозирования, наличие в рассматриваемом ДУ погрешности дозирования буд(н0), вызываемой нестабильностью параметра н0, обусловлено тем, что данный параметр входит в уравнения (3-1) и (3-6). Кроме того, непостоянство параметра н0 приводит к отсутствию повторяемости времени заполнения трубопровода тт и, соответственно, - начальной скорости и1 0 втекания жидкости в ДЕ.

Рассмотренный в работе [5] метод компенсации данной погрешности ориентирован на условия, при которых невозможно пополнение РР по окончании очередного цикла дозирования. Этот метод заключается во введении в состав ДУ барботажного измерителя параметра н0, а в цикл дозирования -дополнительной (предшествующей заполнению трубопровода) стадии установки в РР начального давления р1' . Последнее вычисляется пневматическим сумматором давлений по Формуле: р, =р, -р. где р. =сопз1 - умноженное

1,и. 1,ш п, и п, ш на удельный вес жидкости (ре) заданное начальное положение уровня (н00> в трубопроводе, соответствующее окончанию операции установки начального давления (положение о-о на рис.4а), рь 0 - р&н0 = уаг - выходной сигнал датчика уровня. При реализации данного метода компенсации погрешности ауд(н0) уравнения (3-1) и (3-6) примут вид:

Лр1,з(ъ) 8 а2з з (аз/а!)2

Р8 т но-о = « "г + <1+*т+Ч 5 > + нв(8)' (3"13) др1,з(1:) р(г) ь "21 ь аи1 р8 + но-о = "7Г + н* + (1+ст+хт5> л + 8 5Г • (3"14> где Н00=Н0+Р10^=Р1)т/р8=соп5Ъ, лР113<*>гРПИТП-ехг(-1/тпд)] - ВЫХОДНОЙ сигнал программного задатчика давления р1, включаемого в работу по окончании операции установки в РР начального давления.

Таким образом, при введении в цикл дозирования операций измерения начального уровня заполнения РР и установки начального давления, ввиду постоянства параметра н00, погрешность $уд(н0) исключается.

Экспериментальный образец САД, в котором были реализованы рассмотренные методы компенсации систематических погрешностей дозирования, а с целью уменьшения динамических ошибок, использовался ИПИ-регулятор давления рг (см. раздел з.з), был испытан на парфюмерной фабрике "Новая Заря" на участке приготовления парфюмерных композиций весом до юо кг. Дозируемой жидкостью являлся диэтилфтолат, входящий в состав большинства композиционных составов. В качестве РР использовался стандартный резер-вуар-монжус объемом 250 дм3. При изменении начального уровня жидкости в

РР на 1 м. полученная при испытаниях САД точность повторения доз составила -0,35% от установленной (текущей) величины массы дозы (p=const), изменяемой в диапазоне 50-21000 г.

На рис.5а-г представлена полученная в ходе испытаний экспериментальная тарировочная характеристика САД - зависимость веса дозы Од от давления задания р , устанавливаемого по образцовому манометру (МО) с пределами измерения о - 1 кгс/сыг, шкала которого имеет 250 делений.

Для сравнительной оценки метрологических параметров порционных САД без пополнения (рис.4а) и с пополнением РР (рис.4в), приведем данные промышленных испытаний последней [2-4].

ДУ с автоматическим пополнением РР (рис.4В) эксплуатировалось на очистных сооружениях НПО "Орион" в составе системы управления процессом очистки хромосодержащих сточных вод. Хромосодержание реактора определяется посредством лабораторного экспресс-анализа, по результату которого устанавливается требуемая для полной нейтрализации ионов шестивалентного хрома доза реагента -7 5«-го водного раствора бисульфита натрия. Соответствующее требуемой величине дозы давление задания определяется по

J * экспериментальной тарировочной характеристике ДУ, показанной на рис.5д. Пополнение РР до заданного постоянного уровня HQ=const производится перед началом очередного цикла нейтрализации. При использовании двухпози-ционного регулирования давления р^, погрешность дозирования составляет ± 1% от заданной величины дозы. рассмотренная методика анализа систематических погрешностей порционных САД была также использована и при разработке систем непрерывного дозирования [11]. з.з. Методика проектирования и аппаратурная реализация САД

Накопленный в Институте проблем управления опыт автоматизации производственных технологических процессов средствами промышленной пневмоавтоматики, в частности, реализуемых на элементной базе систем УСЭППА и ЦИКЛ, позволил создать инженерную методику синтеза дискретных управляющих устройств, основанную на формализованном описании последовательности технологических операций автоматизируемого процесса в виде графа операций (см. С.А. Юдицкий, A.A. Тагаевская, Т.К. Ефремова. Проектирование дискретных систем автоматики. М., "Машиностроение", 1980 г.).

Данная методика является наиболее эффективной и может быть принята за основу при проектировании пневматических САД жидкостей, строящихся на основе ДУ монжусного и дроссельного типов. В этом случае технологические элементы ДУ - РР, ДЕ и исполнительные органы ДУ (пневмоклапаны КХ~К5 на рис.4) - включаются в состав оборудования ОУ, а пневмоаппаратура УУ до

Рис,5. Экспериментальные тарировочные характеристики САД: а,б,в,г - ДУ без пополнения РР, дозируемая жидкость - диэтилфголат; д - ДУ с автоматический пополнением РР, дозируеиая аидкость - бисульфит натрия. зированием включается в состав аппаратуры устройства управления (УУ) ав-автоматизируемым процессом. Построенное таким образом УУ является составной частью САД и может обеспечивать управление не только исполнительными органами ДУ, но и другими исполнительными механизмами (ИМ) объекта. Изложенная в выше указанной работе методика позволяет от графа операций автоматизируемого процесса за несколько этапов перейти к монтажной схеме САД, при условии, что УУ данным процессом строится по стандартной позиционной структуре. Такая структура УУ, принятая за основу при построении САД жидкостей, показана на рис.6.

УУ содержит следующие функциональные блоки.

Командное устройство (КУ) реализует последовательность операций процесса и содержит стандартные (регулярно организованные) функциональные блоки: логических условий БЛУ, индикации операций БИО и выходов ББ.

Блок БЛУ содержит логические элементы (л.э.), реализующие условия перехода {$}, которые считываются с ребер графа операций.

Блок БИО реализует последовательность операций автоматического режима. Блок представляет собой набор элементов памяти - триггеров с раздельными входами, число которых соответствует числу вершин графа операций. Триггеры связаны между собой так, что выходной сигнал каждого предыдущего триггера осуществляет включение (взвод) последующего триггера с учетом условия перехода (полученного в БЛУ), указанного на ребре, а выходной сигнал последующего триггера выключает (сбрасывает на "о") предыдущий триггер. На выходах блока БИО последовательно появляются сигналы = 1, где 1 = о,1,2,.,п (п - число операций, выделенных на графе процесса), которые поступают на входы блока БВ.

Блок БВ содержит либо не связанные триггеры с раздельными входами (на взводящем и сбрасывающем входах Которых имеются л.э. "ИМ"), либо просто л.э. "ИЛИ". На выходах блока БВ формируются сигналы {г}, подаваемые на двухпозиционные ИМ ОУ и нестандартный блок функциональных преобразователей (БФП), а также сигналы {и} и {ь}, подаваемые, соответственно, на временные устройства блока временных задержек БЗ и на органы индикации, расположенные на пульте управления (ПУ).

Блок временных задержек (БЗ) присутствует в .структуре УУ, если выполнение каких-либо операций ведется по времени; он содержит временные устройства (ВУ), включаемые в работу подачей на их входы командных сигналов {и} с блока БВ и формирующие выходные дискретные пневматические сигналы {у} = 1 по истечении соответствующих выдержек времени (т}.

Блок нуль-органов (НО) предназначен для сравнения аналоговых пневматических сигналов, поступающих с ОУ и от задатчиков параметров, г

Рис.6. Структурная схема УУ. , расположенных на ПУ, и их преобразования в дискретные сигналы {X}, Фиксирующие достижение аналоговыми переменными ({р}, {Р}) заданных значений ((Р3}, {Р3>).

Блок функциональных преобразователей (БФП) содержит ряд дополнительных нестандартных Функциональных блоков (узлов) и элементов, учитывающих особенности автоматизируемого процесса и участвующих в Формировании условий перехода от операции к операции и выходных сигналов УУ ({г} - на двухпозицког.ные и {Яим> - на регулирующие ИМ). В рассмотренных в разделе з.1 САД такими нестандартными блоками являются программный двух-позиционный (или ИЛИ-) регулятор давления р1 в РР (рис.4а,в) с программным задатчиком, регулятор уровня, реализующий операцию автоматического пополнения РР (рис.4в), блок задания дозы, формирующий давления задания дозы (Рд*) - при работе ДУ в режиме порционного дозирования и производительности ДУ (р3) - при его работе в режиме непрерывного дозирования, а также дополнительные устройства суммирования, сравнения, запоминания, коммутации и формирования сигналов.

ПХЯЬХ управления - ЦУ содержит органы ручного управления (пневмотумблеры {а} и пневмокнопки {р}), настройки (регулируемые дроссели, ручные задатчики давлений и индикации (пневматические индикаторы).

При организации УУ по предложенной структуре методика проектирования САД включает следующие этапы.

1. На основе описания и анализа задачи дозирования выбирается принципиальная технологическая схема ДУ, разрабатываются схемы нестандартных Функциональных узлов блока БФП, определяются состав элементов ПУ и НО, а также количество ВУ блока БЗ и составляется граф операций автоматизируемого процесса.

2. С полученного графа считываются уравнения функциональных блоков КУ, а именно: условия перехода {$}, реализуемые в БЛУ, Функции памяти (Т), реализуемые на триггерах блока БИО, а также логические Функции и Функции памяти, формируемые в блоке БВ.

3. Определяются межблочные связи, составляется функциональная схема САД, выбирается элементная база для реализации УУ, и его функциональные блоки размещаются на элементах выбранной аппаратуры.

4. Составляется монтажная (адресная) схема САД.

Применение описанной методики оправдано при достаточно большом числе технологических операций автоматизируемого процесса. В случае небольшого числа операций синтез УУ может быть проведен на основе проектирования его отдельных функциональных блоков и установления логических взаимосвязей между ними.

Изложенную методику проиллюстрируем двумя примерами проектирования САД для объектов очистки промышленных сточных вод. Данными примерами иллюстрируются также аппаратурная реализация основных нестандартных функциональных узлов блока БФП (входящего в состав УУ дозированием) и рассмотренных в разделе 3.1 алгоритмов порционного и непрерывного дозирования, обеспечивающих реализацию различных законов регулирования технологических параметров (в, частности, параметра рн) при использовании ДУ монжусного (рис.4а, пример 1) и дроссельного (рис.46, пример 2) типов.

Пример 1

В примере 1 рассматривается САД, реализующая двухпозиционный и АИ законы регулирования парамера рн на установке химической нейтрализации кислотосодержащих сточных вод периодического действия [4,10]. Эта система была испытана и эксплуатировалась на очистных сооружениях НПО "Орион" в составе системы управления процессом очистки'кислотно-щелочных вод.

Структурная схема САД показана на рис.7. Для дозирования реагента (известкового молока) применено ДУ монжусного типа (рис.4а). ДЕ установлена на фланце реактора периодического действия, который оснащен тру

Стеки 1"> на/српителй 6

-Ыз—« м-6 Сну р в отстойник к УУ

Ха Ж 4

ОУ А

5:

Йесигюор

V V V у г кгсн.о) г, яз(нл) Р

-РР Щ

Р» пу

РгЯА

А.

НО

---—--—(

Г7~г—> Падк

53

Р>*

ЛУ

БИО

Й, а.

58 и< I/, и¡Ъ*г У,?л

Ж I 1

7>П %

-X»

6 ФП

-М,

Рис.7. Схема САД известкового молока для периодического процесса нейтрализации кисяото-содержащих сточных вод. бопроводами подачи кислотосодержащнх стоков из накопителя, слива нейтрализованных стоков в отстойник и подачи сжатого воздуха на барботажное перемешивание стоков, а также пневматическими датчиками верхнего и нижнего уровней, выходные сигналы которых обозначены через х и х„. В реак

О П торе установлен датчик параметра гн, который посредством нормирующего (НП) и электропневмо- (ЭПП) преобразователей преобразуется в давление Р.

Управление процессом осуществляется пневматическим УУ, на выходах которого формируются дискретные сигналы управления двухпозиционными пневмоклапанами К1 - Кб, имеющими следующее назначение:

К1 (н.з.) - для подачи стоков в реактор; К2 (н.о.) - для отвода воздуха из реактора в атмосферу; Кз (н.з,) - для подачи сжатого воздуха на барботаж; К4 (н.з. ) - для подачи сжатого воздуха в РР; К5 (н.о.) -для отвода воздуха из РР в атмосферу; Кб (н.з.) - для продувки ДЕ и соединительного (от РР к ДЕ) трубопровода.

На входы УУ поступают сигналы давлений в РР, р в ДЕ и Р (от

ЭПП), а также сигналы х„ и х от датчиков нижнего и верхнего уровней н в стоков в реакторе. ПУ содержит пусковую пневмокнопку рп и ручные пневматические задатчики настроечных параметров САД:

-давления Р3, соответствующего заданному значению рн (9,7 ± 0,1), -давления Ртп "точки перехода", соответствующего некоторому значению рн (Р=Ртп<Рд), при котором производится автоматическая перенастройка САД с двухпозиционного на АИ закон регулирования,

-давления (Р3„)0. регламентирующего минимальную дозу, вводимую в реактор при близкой к нулю величине рассогласования ДР=Рд-Р.

Процесс нейтрализации сточных вод может быть представлен в виде графа операций, показанного на рис.8.

В отсутствие верхнего уровня стоков в реакторе, чему соответствует сигнал х = о, может быть нажата кнопка р„ и по логическому условию

Б 11 л.у.) в1=епхв=1 УУ переходит в исходное состояние А0, которому соответствует операция заполнения реактора стоками через клапан К1 (=1). Во время заполнения реактора открываются клапаны КЗ и Кб (г3=г6=1) и производятся барботажное перемешивание стоков и продувка ДУ.

При заполнении реактора до верхнего уровня появляется сигнал х =1. При этом выполняется л.у. «2=хв=1, по которому УУ переходит в состояние , обеспечивая переключение клапана К1 в закрытое положение (г1=о) и прекращение подачи стоков в реактор.

Далее, в зависимости от величины рн поступивших на нейтрализацию • сточных вод, возможны три варианта продолжения процесса.

1) При значении Ртп 5 Р < Р3 реализуется операция периодического

Рис.8. Граф операций процесса нейтрализации от ЭЛЛ р. (Р сПУ

ОГ Д£ /Ь. от&ЗД ^ эа

Уя

1эсг пз -о эсЬ лис. "1 I

РЛ\ с —Г

М:

ИТШ

63Д

57

Рис.9. Функциональные схемы: а - блока НО, б - блока Б®. порционного дозирования ("точное дозирование"), в течение которой производится АИ регулирование параметра рн. Переход УУ к данной операции (в состояние А2) происходит при выполнении л.у. = = 1, где ха и х2 - дискретные выходные сигналы нуль-органов (рис.9а) - элементов сравнения ЭС1 -и ЭС2 с пороговыми преобразователями (усилителями мощности) У1 и

У2; (хх = 1 при Р г Ртп, х2 = 1 при Р г Р3).

При переходе УУ в состояние А2 прекращаются операции продувки ДУ и перемешивания стоков в реакторе (г,^ =0). Во время данной операции рао о бота ДУ осуществляется в режиме периодического порционного дозирования. Объем дозы реагента, поступающего в реактор в каждом последующем цикле дозирования, уменьшается по мере уменьшения текущей величины рассогласования л Р. Функция регулирования величины объема дозы выполняется блоком задания дозы (БЗД), входящим в состав блока БФП, функциональная схема которого показана на рис.96. Для реализации операции дозирования в УУ вырабатывается сигнал грд = 1, при наличии которого включается в работу двухпозиционный регулятор давления (РД) р1 в РР с программным задатчиком (ПЗ). РД (рис.эб) сод&ржит элемент сравнения ЭС4 с усилителем мощности У4, формирующим дискретный сигнала 245 управления клапанами К4, К5. При работе РД давление Рх повышается по заданному экспоненциальному закону, вызывая подачу реагента в ДЕ и повышение давления р.

По достижении давлением р величины, равной р на выходе усилителя Уз выходного сигнала элемента сравнения ЭСЗ (рис.9а) Формируется л.у. е4 = х3 =1 (где х3=1 при , и УУ переходит в состояние А3. Давление

Р„» на выходе блока БЗД линейно зависит от текущей величины рассогласо

3 * вания лР: Р3*-(Рд*)0+кдЛР, где кд<1 - коэффициент делителя давления.

Коэффициент кд, а также давления Ртп и (Р3,.)0 подбираются экспериментальным путем, исходя из заданной точности регулирования рн и заданного максимального времени цикла нейтрализации, и могут оперативно подстраиваться с учетом величин динамических параметров ОУ (к0, т0, т0).

Состоянию А3 соответствует прекращение операции дозирования. При этом выключается из работы РД (грд = о), открывается клапан КЗ (г3=1), обеспечивая барботажное перемешивание стоков в реакторе в течение выдержки времени т^ включаемой сигналом иг =1, и открывается клапан Кб (г„=1), обеспечивая отсекание дозы и продувку ДУ.

О

По окончании выдержки времени т1, выбираемой из условия т1гто+то' на выходе блока БЗ появляется сигнал у.^1, который, в отсутствие события ^Р3, обеспечивает выполнение л.у. е5=у1х2=1 и возврат УУ в состояние А2 на повторное выполнение операции "точного дозирования", а при наличии события ££Рд - выполнение л.у. 56=у1х2=1 и переход УУ в состояние А&.

2) При значении Р£РТП реализуется операция непрерывного ("грубого") дозирования, в течение которой производится двухпозиционноё регулирование параметра рн. Переходу к данной операции, обозначенной на рис.8 вершиной А4, соответствует л.у. в7=х1=1. Работа ДУ осуществляется в режиме непрерывного дозирования с максимальной производительностью и сопровождается перемешиванием стоков в реакторе (г3=1). Этот режим реализуется посредством включения в работу РД (грд=1) и переключения клапана Кб в закрытое положение (=о). о

По достижении регулируемым параметром значения, равного Ртп, формируется л.у. «8=х1=1 и УУ переходит в вышеописанное состояние А3, реализуя операцию перемешивания стоков, с последующим (по окончании выдержки времени тг) его переходом в состояния А2 (при <35=1) или А5 (при 96=1). з) При значениях Р г Рд выполняется л.у. ед = х2 = 1 и УУ переходит в состояние А5, реализуя операцию "Выдержка", при выполнении которой в течение выдержки времени т2, устанавливаемой технологическим регламентом процесса очистки и включаемой сигналом и2 =1, производятся перемешивание стоков в реакторе и продувка ДЕ (г, = гс =1). о о

По истечении времени т2 на выходе БЗ появляется сигнал у2 = 1> и по л.у. <510=у2=1 осуществляется переход УУ в состояние Аб к операции "Пере-давливание". Данная операция реализуется закрытием клапана К2 (г2=1), в результате которого давление в реакторе повышается и происходит его опорожнение: нейтрализованные стоки по линии слива отводятся в отстойник.

Окончанию операции передавливания стоков соответствует опорожнение реактора до нижнего уровня, фиксируемое переключением датчика нижнего уровня в состояние "о". При выполнении л.у. = хну = 1 УУ переходит в состояние А?, на операцию "Техническая пауза". При выполнении данной операции отключается подача воздуха в реактор на барботаж (г3=0), в результате чего давление в реакторе начинает уменьшаться. Сигналом и3=1 включается выдержка времени т3, в течение которой давление в реакторе уменьшается до величины, близкой к нулю. По окончании выдержки т3 и выполнении л.у. 912= у3 = 1 УУ переходит в исходное состояние.

Пример 2

В примере 2 рассматривается САД отработанных щелочных растворов в составе установки одноступенчатой гальванокоагуляционной очистки промстоков непрерывного действия, реализующая (по выбору оператора) двух-позиционный, пропорциональный или АИ законы регулирования параметра рн [7,10]. Эта система была разработана, изготовлена и передана для промышленной эксплуатации на заводе "Техноприбор" (г.Раменское Моск. обл.).

Структурная схема САД дана на рис.ю. Для дозирования реагента (щелочных отработанных растворов) применено ДУ дроссельного типа (рис.46). САД выполняет функции узла автоматической корректировки параметра рн и предназначена для повышения рн сточных вод в реакторе-корректоре (РК) от значения =5,5 ед.рН, получаемого после их обработки на гальванокоагуляторе (ГК), до заданного оптимального значения (8,5-9,0 ед.рИ). РК и ГК

Рис.10. Схема САД отработанных щелочных растворов для непрерывного процесса гальванокоагуляционной очистки сточных вод. являются проточными аппаратами непрерывного действия. РК оборудован. Трубопроводами подачи стоков от ГК, слива откорректированных по рн стокйй % отстойник и подачи сжатого воздуха через запорный вентиль В1 на барбо-тажное перемешивание стоков. РК оснащен также датчиком рн, котбрьй тю-средством преобразователей НП и ЭПП преобразуется в аналоговый гтеШа'Тй-ческий сигнал Р. ДЕ установлена на фланце РК и оснащена линией 'её дувки сжатым воздухом через н.з. клапан К. Сборник растворов (СБ) установлен на высоте н^ по отношению к ДЕ и сообщается с ней через йййфйШ вентиль В2 и н.з. регулирующий пневмоклапан (ИМ).

Управление процессом ведется в автоматическом режиме с помощь» устройства управления УУ, которое,содержит следующие функциональные блоки: > пульт управления (ПУ), блок нуль-органов (НО), блок импульсного регули- 1 рования (БИР), блок коммутации сигналов (БКС), блок задания дозы (БЗД), командное устройство (КУ), ИПИ-регулятор давления р в ДЕ. функциональные схемы блоков НО, БИР, БКС, БЗД и КУ показаны на рис,11. Схема ИПИ-регу-лятора дана отдельно на рис.12.

Пульт управления (ПУ) содержит пневмотумблеры выбора закона регулирования (а1 -двухпозиционного, <*2 -пропорционального, «3 -АИ) и задатчи-ки настроечных параметров САД:

-давления Р3 =сопз-с, соответствующего верхней границе (9,оед.рН) допускаемого диапазона изменения рн на выходе РК;

-заданной величины давления в ДЕ -р*=сопз1, регламентирующей производительность САД при ее работе в режиме двухпозиционного регулирования;

-давления р3 0=сопэ1, регламентирующего минимальную величину вводимой в РК дозы для близких к нулю значений рассогласования иР-Р^-Р при реализации АИ-регулирования, и минимальную производительность - при реализации пропорционального регулирования;

-давлений смещения (Рсм) и подпора (рпд ), подаваемых на входы ИПИ-регулятора.

Блок нуль-органов (НО) содержит;

-элемент сравнения ЭС1 с усилителем мощности У1, предназначенный для определения знака рассогласования АР, формируемого на выходе блока БЗД; выходной сигнал нуль-органа хх = 1 при дР > о, х1 = о при дР* 0;

-элемент сравнения ЭС2 с усилителем мощности У2, предназначенный для сравнения давления р в ДЕ с формируемым на выходе блока БЗД сигналом аР*=Р3 о+дР; выходной сигнал нуль-органа х2=1 при р^дР,, х2=о при рсдр^.

Блок импульсного регулирования (БИР) предназначен для реализации АИ закона регулирования параметра рн и содержит;

-триггер Тр с раздельными входами с прямым и инверсным выходами, с предвключенным л.э. "ИЛИ" на сбрасывающем входе;

-временное устройство (ВУ) - для формирования сигнала у=1 по окончании времени продувки ДЕ т;

-программный задатчик (ПЗ) заданного закона изменения давления р в ДЕ при аи-регулировании: р3и)=рпз(г)=рпит[1-ехр(-^тпз)].

Блок коммутации сигналов (БКС) предназначен для коммутации со входом "Задание" ЙПИ-регулятора переменных (р*, дР^ или рпз(г)),соответствующих выбранному закону регулирования параметра рн; Блок задания дозы (БЗД) содержит сумматоры давлений 21 и :2, служа + йр лК эа

У± уг э ся н.о

Х-/ о(:

X,г- 3

-г Я

73

6ИР

Рпь(С! - Г

Р* д Р, Ь

7 1 I ** . > Г/Г

О -1 О А

V .

1, Г +¿2

БЗД ьР Ь Т У ку

Рис.11. Функциональные блоки УУ. щие, соответственно, для вычисления текущей величины рассогласования дР и формирования сигнала дР,=Р3 0+ДР;

Командное устройство (КУ) предназначено для формирования дискретных сигналов греГ и г включения в работу ИПИ- регулятора и клапана продувки:

2рег = ««! у в2>'х1 у Т: 2 = 2рег"

3-15)

ИПИ-регулятор (рис.12) выполнен в виде отдельного конструктивного блока и имеет самостоятельное значение. По сравнению с промышленным ПИ регулятором системы "СТАРТ" данный регулятор является менее инерционным и при работе в составе системы регулирования давления р в ДЕ обеспечивает его поддержание на заданном уровне р3< Регулятор содержит

-элементы сравнения ЭС1 и ЭС2 с регулируемыми дросселями ДР1-ДР4, выполняющие функции измерения и усиления по давлению положительного (Р3~Р) и отрицательного (Р-Р3) текущих рассогласований давления р;

4 р рпд

Ьрег.

ЭС1 эсг

ЛИ р, дрА с

12

ГИ Н

ПР др£~ М

Эр.З

Ыдр2

Рис.12. Импульсный ПИ-регулятор.

Ждр.ч мг ■0

Ррег.1 А

-й<н> и.о.

-1ЖН> кг кг

-й<м> и.о. и.о. с=<н> кч

-манометры М1 и М2 для контроля работы и настройки регулятора; -клапаны К1-К4 для стравливания давлений за дросселями ДР1-ДР4; -сумматоры давлений и г2, предназначенные для формирования выходных сигналов регулятора: Ррег1=рим> поступающего на ИМ, и Ррег2 (выход Ррег2 в рассматриваемой схеме САД не используется);

-генератор импульсов ги, содержащий пневмореле ПР и регулируемый дроссель др5-, ГИ обеспечивает импульсный режим работы регулятора, который позволяет улучшить качество регулирования давления р за счет уменьшения статической и динамической ошибок системы регулирования.

Включение в работу регулятора осуществляется подачей на вход усилителя У сигнала 2рег.=1- При этом начинается импульсный режим регулирования давления р, поступающего на вход "Параметр". Ввиду наличия в схеме регулятора дросселей ДР1-ДР4, на выходах элементов сравнения устанавливаются давления Р1 и Р2, линейно зависящие от средних по времени величин рассогласований:

Р1 = кЭС1(Р3 " Р) + еЭС1 Р3> Р2 = кЭС2(Р - V + еЭС2 Р3' (3-16) где кЭС1 = кЭС2 = к > 1, ед^ = едС2 = е < 1 - постоянные коэффициенты, определяемые настройкой элементов сравнения.

При наличии положительной разности давлений Р1~Рг>°> свидетельствующей о превышении средней по времени величины положительного отклонения регулируемого параметра над средней величиной отрицательного отклонения, давление Ррег1 и проходное сечение ИМ (рис.Ю) увеличиваются, в результате чего разность давлений Р1~Р2 уменьшается. При Р1-Р2<о проходное сечение ИМ уменьшается до момента устранения указанного рассогласования.

Введением в схему регулятора узла коррекции смещения выходного сигнала Ррер1, содержащего сумматор х2, дроссели дрз и др4 и канал задания давления смещения рсм, обеспечивается уменьшение статической ошибки регулирования за счет введения интегральной составляющей в управляющее воздействие на ИМ. Выходные сигналы регулятора определяются уравнениями: т рреп=г1р1~у2р2+ррег2; ррег2=(1/т>1 >«" + рси> (3"17) о где уг - г4 проводимости дросселей дрх - др4, т - время интегрирования, рсм - давление смещения, настраиваемое близким по величине к давлению, соответствующему точке отпирания ИМ. При одинаковой проводимости дросселей у1='/2=г1-2' гз=г4=гз-4 УРавнения (3-17) можно представить в виде: т рреп=''1-2(рГр2)+ррег2; <РГР2><" + рсм' (3"18> о

Разность Р1 - Р2 определяется из уравнений (3-16):

Р1 - Р2 = 2к-(р3 - Р). (3-19)

Из (3-18) и (3-19) получим вид операций, реализуемых регулятором: т т ppen=Ki(Vp) + <VT)i(V'p)dt +рси' Ррег2=(К2/т)Ьрз-р)йь +pcW <3"20) О о где Kj = 2к%-Гхг, К2 = 2k^r34. (3-21).

Таким образом, ИПИ-регулятор обеспечивает поддержание среднего значения давления р на заданном уровне р3> формируемом на выходе блока БЗД. Рассмотрим работу САД.

В исходном состоянии УУ, возникающем при подаче на него давления питания, и при выключенных положениях тумблеров «j-«3 (см. рис.11) триггер Тр не взведен и, согласно (з-15), 2=1, регулятор выключен (zper=0) и ДУ работает в режиме "Продувки".

При включении тумблера cij на вход "Задание" регулятора с ПУ через блок БКС подается давление р* (р=р*). При ЛР>0 х,=1, и в соответствии с

ООО 1

3-15) работа ду производится в режиме "Дозирование". При этом производительность ду (q) не зависит от рассогласования ар. Ее приближенная количественная оценка может быть дана при условии "идеальности" системы регулирования давления р (р з р ) и при использовании полученного ранее 2 уравнения (3-ю) вида р з ри/2. При указанных условиях в = f г (2/р) р* . (3-22)

При АР s о Xj =0, и ДУ переключается на режим "Продувки". При включении тумблера «2 на вход "Задание" ИПИ-регулятора от блока БЗД подается давление Р3=&Р^-Р3 0+лР. При АР>о хх=1 и в соответствии с (з-15) работа ДУ производится в режиме "Дозирование". При этом производительность ДУ зависит от текущей величины рассогласования др и изменяется в зависимости от 4P в соответствии с выражением:

Q = f / (2/Р) Р3 = f / (2/р) (Р3>0 + ДР). (3-23)

При уменьшении ДР до нуля ДУ переключается на режим "Продувки". При включении тумблера <*3 подается питание на триггер и временное устройство блока БИР. При этом у=1 и, в соответствии с (з-15), прекращается продувка ДЕ (Z=o). Далее, при ДР>0, сигналом у=1 взводится триггер (т=1) и ДУ переключается на "Дозирование" (zper=i). При этом на вход "Задание" регулятора подается давление рпз> нарастающее по времени t по экспоненте: р3(t)=РПЗ(t)=РПИТ£l-exP(-t/rn3)]. Увеличение давления рпз производится до момента достижения давлением р в ДЕ значения, равного АPt. При р г дсрабатывает нуль-орган ЭС2 и триггер Тр сбрасывается на о" (т= о). Дозирование прекращается, включается в работу ВУ и в течение промежутка времени т производится продувка ДЕ. Настройка времени т производится с учетом суммарного времени запаздывания (т0) и постоянной времени РК (т0)тЗт0+т0- Если по окончании операции продувки рассогласование ар отсутствует, то триггер не взводится и дозирование не ведется. Возобновление дозирования (включение в работу регулятора) происходит при появлении рассогласования АР.

Таким образом, при АИ регулировании работа ДУ осуществляется в режиме периодического порционного дозирования и объем раствора, поступающий в РК за очередной цикл дозирования, зависит от текущей величины рассогласования л Р. Максимальная (по времени ь) производительность ДУ при АИ регулировании достигается в момент отсекания дозы (при р=р3 0+лр). Эта производительность зависит от АР и определяется (так же,как и при пропорциональном регулировании) выражением (3-23).

Отметим, что полученные оценки производительности САД в виде (3-22) и (3-23) являются корректными при условии:

РеН„ > Р + ри2/2 =2р. (3-24)

Последнее неравенство выражает условие достаточности величины действующего в системе гидростатического напора рйН^ и вытекает из уравнения Бернулли, записанного для сечения, совпадающего с положением свободной поверхности жидкости в СБ (рис.10), и выходного сечения насадка ДЕ. Из неравенства (3-24) следует, что реализация рассмотренной САД пропорционального и АИ законов регулирования параметра рН возможна при достаточно малых величинах рассогласования АР, а именно, при значениях АР, соответствующих неравенству: аР^<ргн*/г. При больших значениях аР^ ИМ полностью открыт, и ДУ работает в режиме непрерывного дозирования с максимальной (для действующего в системе гидростатического напора) производительностью чшах ^ г / 8Н;.

Выбор одного из рассмотренных и реализуемых САД законов регулирования параметра рН, а также величин ее настроечных параметров (давлений р* и рд 0) производится при отладке системы на объекте, исходя из требуемой точности регулирования, с учетом динамических параметров ОУ.

4. разработка универсальных систем многокомпонентного дозирования

В данной главе рассматриваются принципы построения универсальных (по отношению к операциям порционного и непрерывного дозирования) систем, ориентированных на решение таких наиболее распространенных на практике задач дозирования, как поддержание заданного соотношения расходов нескольких жидкостей при их непрерывном дозировании и приготовление заданной дозы смеси нескольких одновременно дозируемых жидкостей с фиксированным процентным содержанием в смеси ее отдельных компонентов.

Задача порционного многокомпонентного дозирования обычно возникает1 при автоматизации процессов приготовления растворов заданного состава. В этом случае довольно часто (например, в процессах приготовления клеющих составов) ставится дополнительное требование - исключение газовой фазы (в частности, пузырей воздуха) из смеси компонентов в процессе ее приготовления и транспортировки к потребителю.

В настоящее время дозирование нескольких жидкостей, сопряженное с поддержанием заданного соотношения, обычно осуществляется с помощью многоцилиндровых насосов-дозаторов, что приводит к значительному усложнению конструкции и увеличению стоимости оборудования. Еще более сложным по реализации известным методом многокомпонентного дозирования является метод, основанный на построении замнутых САР со связанными между собой узлами задания расходов отдельных компонентов. В качестве ИУ таких САР обычно используются регулирующие клапаны. Недостатком данного метода является необходимость установки сложных по конструкции стандартных расходомеров в линиях транспортировки дозируемых жидкостей и низкая точность при работе в диапазоне малых расходов.

Для выбора рациональных принципов построения универсальных систем многокомпонентного дозирования для диапазонов малых доз и расходов воспользуемся предложенной ранее классификацией САД (см. рис.1).

Анализ содержащихся в классификационной таблице известных принципов построения САД позволяет сделать вывод о том, что предпочтительными для создания систем многокомпонентного дозирования являются принципы, реализуемые в разомкнутых по выходному параметру ДУ непрерывного действия (рис.1а). При этом порционное дозирование можно вести путем отмеривания доз по времени (рис.18). Выбор данных принципов построения многокомпонентных САД обусловлен следующими факторами.

1. В разомкнутых по выходному параметру ДУ непрерывного действия уже решена задача непрерывного дозирования - стабилизация расхода на выходе ДУ, а отсутствие в их составе датчиков контроля выходных параметров существенно упрощает реализацию и повышает надежность САД.

2. В разомкнутых по выходному параметру системах с отмериванием доз по времени основные операции порционного дозирования (транспортировка дозируемой среды, отмеривание и выдача дозы) выполняются одновременно как единая операция. Это обстоятельство придает данным системам определенные преимущества перед другими системами дозирования по быстродействию и с точки зрения возможности реализации на их основе многокомпонентных порционных САД с одновременным дозированием отдельных компонентов.

• Однако при построении таких САД на основе известных ДУ непрерывного действия, например, эрлифтного и сифонного типов, а также насосов-дозаторов (см. рис. 1а), метод отмеривания доз по времени дает большие погрешности. Как уже отмечалось, низкая точность дозирования здесь обусловлена наличием продолжительных и, как правило, нестабильных в отдельных реализациях цикла дозирования переходных процессов изменения расхода жидкости на выходе ДУ. Указанные переходные процессы имеют место при включении подачи доза и ее отсекании. Поэтому необходима разработка более совершенных ДУ непрерывного действия, приемлемых для реализации предложенного принципа построения многокомпонентных САД.

В связи с поставленной задачей создания универсальных многокомпонентных САД жидкостей для диапазонов малых доз и расходов, необходимо отметить, что рассмотренные в главе з САД с ДУ монжусного и дроссельного типов не позволяют эффективно решать эту задачу. Их недостатками являются сложность настройки заданного соотношения расходов компонентов при непрерывном дозировании и практическое отсутствие возможности синхронизации моментов начала и окончания выдачи доз отдельных компонентов при их одновременном дозировании и смешении в заданном соотношении.

Тем не менее используемый в ДУ монжусного типа принцип безарматурной транспортировки жидких сред под действием избыточного давления сжатого воздуха, создаваемого в резервуаре-монжусе (РР), может быть принят за основу при разработке универсального ДУ, пригодного для решения задач многокомпонентного дозирования.

Рассмотрим монжусную схему подачи жидкости (см.рис.4а) и определим условия, при которых ДУ монжусного типа может быть использовано в качестве ДУ, отвечающего вышеуказанным требованиям.

При произвольном характере изменения по времени ь избыточного давления p1^t) сжатого воздуха в РР течение жидкости в выходном трубопроводе монжуса описывается дифференциальным уравнением (3-6). Анализ данного уравнения показывает, что если в процессе истечения жидкости из РР ДЕ сообщается с атмосферой (р^о) и поддерживается постоянным полное давление (П=рх+рйН) на входе в трубопровод (где н - текущее положение уровня жидкости в РР), то при постоянных величинах плотности и вязкости жидкости , а также высоты истечения н^, течение в трубопроводе является установившимся. При этом скорость течения иссопе*;, и соответствующее установившееся значение объемного расхода в1=и1к вычисляется по формуле: в1 = Ф^'/ (2/р) (П - , (4-1)

1 /2 где ч>1 = 1/[1+ет+^т(ь/о) ] ' - коэффициент расхода.

Из проведенного анализа следует, что поддерживая с помощью автоматического регулятора постоянные (не зависящие от текущей величины н уровня жидкости в РР) значения полного давления П на входе в трубопровод истечения жидкости из РР, можно реализовывать процессы непрерывного дозирования жидкости с регулируемой (в зависимости от величины П) производительностью. Т.е., при П=сопв1 и рао, схему монжусной транспортировки жидкости можно рассматривать как ДУ непрерывного действия. При этом описываемая уравнением (4-1) функциональная зависимость расхода в от давления П, представляющая собой тарировочную характеристику ДУ, может быть легко получена экспериментальным путем. Автоматическая стабилизация параметра П на заданном постоянном уровне Пд наиболее просто может быть реализована посредством установки в РР пневматического датчика давления барботажного типа. Для выполнения рассматриваемым ДУ операций порционного дозирования достаточно дополнить его схему отсечным клапаном, служащим для прерывания потока. При этом отмеривание доз ведется по времени.

С целью стабилизации входящего в выражение (4-1) конструктивного параметра н^., а также для обеспечения подачи дозируемой жидкости в расположенный произвольным образом (но ниже уровня н„) объект - приемник доз, в схеме ДУ целесообразно сохранить дозировочную емкость (ДЕ), которая при многокомпонентном дозировании, будучи оборудованной штуцерами ввода отдельных компонентов, выполняет функции емкости-смесителя (ЕС).

Многокомпонентное дозирование реализуется на основе рассмотренного принципа построения ДУ посредством раздельной (по каждому из п компонентов) автоматической стабилизации на заданных (в зависимости от требуемого соотношения компонентов) постоянных уровнях полных давлений (П1=р1 +рйН1, где 1=1,2.,п) на входах в трубопроводы подачи компонентов в ЕС.

Предложенный принцип многокомпонентного дозирования, предполагающий одновременное (при порционном дозировании) отмеривание по времени заданных доз отдельных компонентов, их смешение и транспортировку смеси в объект - приемник доз, а также исключение газовой фазы из смеси компонентов, реализован в САД [12], блок-схема которой показана на рис.13.

В состав САД входят объект управления (ОУ), пневматическое управляющее устройство (УУ) и блок пневмопитания УУ (на рис.13 не показан).

Объект управления содержит следующее оборудование:

-расходные резервуары РР1-РРп по числу п дозируемых компонентов, оборудованные барботажными трубками - датчиками полных давлений П1-П на входах в питающие трубопроводы;

-емкость-смеситель (ЕС), оборудованная барботажным датчиком уровня; -пневмоклапаны дозирования компонентов К1-Кп, установленные на питающих трубопроводах и пневмоклапан Ксл на линии слива;

-постоянные дроссели Д,-Д , установленные в питающих трубопроводах

1 п и служащие для грубой настройки расходов компонентов и их соотношения; -приёмник доз (ПД).

Пневматическое управляющее устройство (УУ), построенное на аппаратуре УСЭППА, содержит пульт управления (ПУ), блок регуляторов (БР) расходов компонентов, блок контроля параметров (БКП), блок дозирования (БД) с автоматическим таймером, блок продувки и слива (БПС) и ' блок контроля герметичности РР (БКГ). САД обеспечивает:

-автоматический режим работы дозировочного оборудования с отсчетом времени порционного дозирования посредством автоматического таймера; -полуавтоматический режим с отмериванием дозы по секундомеру; -ручное управление клапанами дозирования компонентов и клапаном на , линии слива от пневмотумблеров с ПУ;

-опорожнение линии слива и ее продувку по окончании работы; -контроль герметичности РР и клапанов дозирования компонентов, а также контроль уровней заполнения РР и гидравлического сопротивления линии слива при подготовке САД к работе;

-автоматическое отключение подачи сжатого воздуха в РР в случае аварийного повышения давлений в последних;

-автоматическое отключение подачи дозируемых компонентов в ЕС при повышении уровня жидкости в последней за установленное значение. Рассмотрим состав и назначение Функциональных блоков УУ, Пульт управления (ПУ) содержит

-тумблеры <*!-% Для включения и выключения подачи давлений в РР; -ручные задатчики расходов компонентов (заданных значений П31-П3п параметров П1-Пп);

-тумблер а для выбора контролируемого сигнала - "Параметр" (дав

П~ 3 ления П1-Пп) или "Задание" (давления П31-П3п);

-тумблеры °к1-«к„ Для вызова на образцовый манометр (МО), одного из сигналов "Параметр" или "Задание";

-тумблеры и всл ручного управления клапанами К1-Кп и Ксл; 1

Рис.13. Блочная схема многокомпонентной САД жидкостей.

-кнопки Эпуск для подачи команды на "Дозирование" и Рстоп для подачи команды на прекращение режима непрерывного дозирования и на отсекание дозы при работе УУ в полуавтоматическом режиме порционного дозирования; -тумблер «пр для продувки линии слива по окончании работы; -тумблер «кг контроля герметичности РР;

-индикаторы работы регулятора уровня в ЕС и ее переполнения. Елок регуляторов расходов компонентов (БР) содержит пропорциональные регуляторы РД1-РДп давлений ГГ . Регуляторы вырабатывают сигналы В1-Вп подачи давлений сжатого воздуха в резервуары РР1-РРп и сигналы Б1-Бп питания барботажных датчиков давлений.

Блок контроля параметров (БКП) предназначен для контроля по шкале МО по вызову оператора (вызов осуществляется посредством соответствующего переключения тумблеров <* «„,-«„ ) любого параметра (П.-П ) или ii"*о к л кп 1 п задания (П31-Пдп), а также уровня жидкости в ЕС - при выключенных положениях тумблеров <*к1-акп

Блок дозирования (БД) формирует сигналы управления 2г~гп клапанами

К,-К и командный сигнал г„ включения операции "Дозирование".

1 п д

Блок продувки и слива (БПС) реализует следующие Функции: -управление транспортировкой смеси в ПД с автоматической стабилизацией уровня жидкости в ЕС, осуществляемой посредством двухпозиционного регулятора; регулятор включается в работу сигналом гд=1 и формирует сигнал управления гсл клапаном линии слива;

-коммутацию газового пространства ЕС с источником питания при продувке линии слива (гпр=1 при «пр=1) или с атмосферой - в отсутствие командного сигнала на продувку (гпр=о при «пр=0);

-Формирование сигнала г6л автоматической блокировки операции "Дозирование" в случае переполнения ЕС.

Блок контроля герметичности (БКГ) предназначен для оперативного контроля герметичности РР и их герметизации при перерывах в работе системы. При выключенном положении тумблера а„ РР герметизируются. При этом по скорости падения давления в резервуаре, фиксируемой по шкале МО при подключении сигнала соответствующего параметра, может быть оценена степень его герметичности.

Рассмотренная система многокомпонентного дозирования была успешно апробирована на заводе "Стекломаш" (г. Орехово-Зуево) для 'приготовления и порционного дозирования трехкомпонентного клеющего состава, используемого при изготовлении многослойных стеклопакетов (триплексов).

Система дозирования и смешения компонентов позволяет автоматизирозать процессы непрерывного многокомпонентного дозирования и процессы приготовления жидких составов с широким диапазоном изменения содержания компонентов. Она обеспечивает одновременное выполнение операций дозирования компонентов, их смешения и подачи смеси в объект - приемник доз, а также исключает образование газовой фазы (в частности, пузырей воздуха).

Данная система может рассматриваться как типовая система управления многокомпонентным дозированием малых доз жидкостей с широким диапазоном изменения и поддержания соотношения расходов компонентов и высокой точностью дозирования (при постоянных величинах плотности и вязкости дозируемых компонентов погрешность порционного дозирования не превышает 1% от заданной величины дозы); при этом система имеет высокую надежность, простую конструкцию оборудования, пожаро- и взрывобезопасна.

ВЫВОДЫ

1. Предложен новый способ Порционного дозирования жидкостей, позволяющий строить замкнутые универсальные САД с единым для процессов порционного и непрерывного дозирования выходным параметром - текущей величиной расхода жидкости на выходе ДУ.

2. Разработан датчик-преобразователь расхода дозируемой среды в давление сжатого воздуха и проведено исследование его статических и динамических характеристик. Предложены алгоритмы порционного и непрерывного дозирования и выработаны рекомендации по выбору величин конструктивных параметров преобразователя, направленные на улучшение динамических и метрологических характеристик САД.

3. Дано описание трех основных схем построения универсальных пневматических САД с преобразователем расхода и соответствующих алгоритмов порционного и непрерывного дозирования. Показано, что при использовании разработанных ДУ в составе замкнутых САР технологических параметров и предложенных алгоритмов управления дозированием, УУ может выполнять Функции регулятора параметров с перенастраиваемой структурой.

4. Предложено аналитическое описание процесса порционного дозирования, реализуемого САД с ДУ монжусного типа, и разработана методика анализа погрешностей дозирования. Выявлены факторы, вызывающие дополнительные систематические погрешности данных систем по отношению к погрешностям предложенного способа порционного дозирования. Рассмотрены методы компенсации дополнительных погрешностей.

5. Дана методика проектирования САД с использованием графа операций процесса дозирования и стандартной позиционной структуры УУ.

6. Разработана универсальная система многокомпонентного дозирования жидкостей в заданном соотношении,

7. Рассмотренные в работе принципы построения САР параметров с перенастраиваемой структурой отличаются простотой их реализации и позволяют проектировать САР, минуя трудоемкий этап экспериментального исследования статических и динамических характеристик ОУ. ' Основными преимуществами при использовании разработанных САД являются;

-высокая надежность дозирования, достигаемая за счет исключения из состава ДУ регулирующих органов и другой гидрозапорной арматуры, а также за счет упрощения конструкции ДУ;

-широкий динамический диапазон дозирования (до 400);

-высокая точность дозирования (до 0,35% от текущего' значения дозы) и регулирования;

-возможность дистанционного управления процессами дозирования и сопряжения ДУ с электронной контрольно-измерительной и управляющей аппаратурой .

10. Результаты, полученные в диссертационной работе, нашли практическое применение при автоматизации процессов дозирования жидкостей на целом ряде промышленных объектов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Всего по теме диссертации опубликовано 20 работ общим объемом около 10 печатных листов; основные из них:

1. B.C. Безменов. Способ дозирования жидкости и устройство для его Осуществления. АВТ. СВИД. СССР №1435945. Бюлл. изобр. N°41, 1988,с. 119.

2. Безменов B.C., Берендс Т.к. Управление периодическими процессами очистки сточных вод. // Водоснабжение и санитарная техника. 1988, №з, С.24-26.

3. B.C. Безменов, Т.К. Берендс. Разработка и применение специализированных дозирующих устройств управления качеством очистки промышленных сточных вод. //Приборы и системы управления. 1988, №и, с,14-16.

4. Безменов B.C., Берендс Т.К. Автоматические дозаторы жидких реагентов для процессов очистки промышленных стоков. Сб. "Пневматика и гидравлика", ВЫП.14, М., ИЗД. "Машиностроение", 1989, С.196-204.

5. Безменов B.C., Тагаевская A.A. Исследование методов повышения точности пневматических бесклапанных порционных дозаторов жидкостей. // Автоматика и телемеханика. 1994, №4, с.151-164.

6. Bezmenov V.S., Tagaevskaya A.A. Increasing the precision of pneumatic valveless metering pumps of liquids. // Automation and remote control. Vol.55, №4, part 2, april 1994, p.582-592.

7. Безменов B.C., Тагаевская A.A. Пневматические системы корректировки параметра pH для установок очистки промышленных стоков гальванических производств. // Приборы и системы управления. 1994, №э, с.20-24.

8. Безменов B.C., Тагаевская A.A. Принципы построения комбинированных систем управления объектами очистки промстоков на основе применения специализированных пневматических дозаторов химреагентов. // Автоматика и телемеханика. 1995, №8, с. 182-188.

9. Bezmenov V.S. and Tagaevskaya A.A. Design of combined control systems for industrial waste cleaning installations with special pneumatic reagent batchmeters. // Automation and remote control. Vol.56, № 8, 1995, p.1201-1205.

10. Безменов B.C., Тагаевская A.A., Шубин A.H. Принципы построения систем автоматического регулирования параметров процессов очистки промышленных сточных вод гальванических производств на основе применения новых специализированных пневматических дозаторов химреагентов. (Препринт / Институт проблем управления). М. 1996, 77с.

11. Безменов B.C., Тагаевская A.A. Пневматические системы автожатя-ческого непрерывного дозирования жидких компонентов. // Приборы и системы управления. 1996, №з, С.16-21.

12. Безменов B.C., Ефремова Т.К., Тагаевская A.A. Пневматические системы автоматического дозирования многокомпонентных жидких смесей с управлением по косвенным параметрам. //Приборы и системы управления. 1998, № 5, С.37-40.

Личный вклад автора. Среди указанных выше работ 11 написаны в соавторстве. Б работах [2-4] автором разработаны принципиальные схемы специализированных бэзарматурных ДУ и датчиков уровня в составе САР параметров процесса химреагентной очистки сточных вод. В работах [5,6,11] автором предложена методика исследования факторов, вызывающих систематические погрешности систем дозирования, и разработаны методы компенсации погрешностей систем порционного и непрерывного дозирования. В работах [7-ю] приводятся результаты построения и внедрения конкретных САД жидкостей с преобразователем расхода, для которых автором разрабатывались принципиальные схемы на основе изложенной методики их проектирования. В работе [12] автором предложены принципы построения универсальных систем многокомпонентного дозирования.

Seut.i.TufiJev.my .