автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка и исследование импульсных автоматических дозаторов сыпучих материалов

''р*—ц

к

Зайцев Роман Владимирович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ ДОЗАТОРОВ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

05.11.13- Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и

изделий

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

1 г ДЕК 2013

Санкт-Петербург 2013

005543384

005543384

1 1'

Зайцев Роман Владимирович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ ДОЗАТОРОВ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

05.11.13- Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и

изделий

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Санкт-Петербург 2013

Работа выполнена на кафедре автоматизации процессов химической промышленности федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт

(технический университет)»

Научный руководитель: Пешехонов Алексей Анатольевич

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры автоматизации процессов химической промышленности федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

Официальные оппоненты: Балюбаш Виктор Александрович,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Автоматики и автоматизации производственных процессов» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»;

Заруцкий Игорь Вячеславович кандидат технических наук, федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт аналитического приборостроения Российской академии наук, сектор автоматизации измерений и цифровой обработки сигналов.

Ведущая организация: ОАО «ВИАСМ», г. Санкт-Петербург

Защита состоитсядекабря 2013 г. вСЬ.ОО на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.230.06 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)» по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26, ауд. В

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПбГТИ(ТУ).

Замечания и отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять на имя ученого секретаря по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) Справки по тел.: (812) 494-93-75; факс: (812) 712-77-91; е-таП: dissowet@technolog.edu.ru

Автореферат разослан ноября 2013 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.230.06

кандидат физико-математических наук, доцент ¿С^-__$ Ю.Г. Чесноков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Физическая реализация управляющего воздействия, т. е. преобразование управляющего сигнала контроллера в количество вещества или энергии, подаваемого в объект управления, в автоматических системах регулирования (АСР) осуществляется при помощи исполнительного устройства (ИУ), которое состоит из исполнительного механизма (ИМ) и регулирующего органа (РО) для жидкостей и газа или рабочего органа (РбО) для вязких и сыпучих материалов.

Для сыпучих материалов (СМ) в качестве РбО традиционно используются механические питатели и дозаторы. Эти устройства имеют ряд существенных недостатков, связанных с наличием кинематических пар, находящихся в контакте с сыпучим материалом, негерметичностью и сложностью конструкции, вследствие чего не обеспечивается требуемое качество управления, которое определяется постоянно растущими требованиями к точности и надежности, а также экологической безопасности. В связи с этим актуальной задачей является создание таких исполнительных устройств для преобразования управляющих сигналов в управляющее воздействие, в которых перечисленные недостатки были бы устранены.

Цель работы

Разработка методов и средств управления расходом сыпучих материалов, соответствующих по техническому уровню и метрологическому обеспечению современному состоянию систем управления технологическими процессами.

Задачи, решаемые в работе

Для достижения цели работы были поставлены и решены следующие задачи:

• В качестве ИУ для СМ предложен вертикальный пневматический питатель (ВПП), в значительной степени лишенный перечисленных выше недостатков;

• спроектированы различные конструктивные варианты ВПП и дозаторов, на его основе, ориентированные на соответствие требованиям конкретных производственных процессов;

• выполнены исследования процесса непрерывной управляемой с помощью ВПП подачи и импульсного дозирования СМ потоком газа (воздуха);

• на основании результатов исследований предложен ряд математических моделей статики и динамики процесса управляемого перемещения двухфазной смеси «газ - сыпучий материал», учитывающих зависимости расхода материала, как от скорости несущего газа, так и от изменения количества частиц, захватываемых газом из псевдоожиженного слоя; предложенные модели адаптированы к выполнению процедуры параметрического синтеза АСР с ВПП в качестве ИУ;

• показано наличие экстремальных зависимостей, связывающих входные и выходную переменные ВПП, позволяющих минимизировать энергетические затраты при управлении расходом СМ;

• определены конструктивные параметры ВПП, обеспечивающие минимизацию энергетических затрат при управлении расходом сыпучих;

• предложен способ импульсного дозирования сыпучего материала в режиме экономии энергоресурсов;

• решена задача синтеза импульсных исполнительных устройств АСР для управления расходом сыпучего материала;

• выполнены исследования точности дозирования, определены источники погрешности, и даны рекомендации по уменьшению их влияния.

J

Методы исследования

При выполнении работы были использованы методы физического и математического моделирования, статистического анализа экспериментальных данных и метрологической оценки измерительных преобразователей. Экспериментальные исследования выполнены с применением современных регистрирующих и вычислительных средств и программных продуктов.

Научная новизна

• на основании теоретических и экспериментальных исследований исполнительных устройств для сыпучих материалов получены математические модели процесса непрерывного управления расходом неоднородной двухфазной смеси «газ - сыпучее» в вертикальном пневматическом питателе, учитывающие зависимость расхода материала, как от скорости несущего газа, так и от изменения количества частиц, захватываемых газом из псевдоожиженного слоя;

• определены параметры режима подачи, обеспечивающего минимизацию энергетических затрат при управлении расходом сыпучих материалов;

• предложен и запатентован способ импульсного управления расходом сыпучего материала в режиме экономии энергоресурсов;

• разработана методика параметрического синтеза импульсных исполнительных устройств АСР для управления расходом сыпучего материала потоком газа;

• На основании результатов исследований установлены источники погрешности дозирования, и даны рекомендации по их ликвидации или уменьшению влияния.

Практическая значимость

• Разработаны и испытаны варианты конструкций вертикальных пневматических питателей, а также импульсных дозаторов на их основе, отвечающих широкой гамме практических требований конкретных производств;

• Даны рекомендации по выбору и расчету параметров вертикальных пневматических питателей непрерывного действия;

• Разработан алгоритм априорного параметрического синтеза импульсных автоматических пневматических дозаторов сыпучих материалов на основе заданных параметров газа-носителя, максимальной величины расхода материала, и физических характеристик последнего;

Апробация работы

Результаты диссертационной работы были представлены в виде устных докладов на конференциях:

• Научно-практическая конференция, посвященная 182-й годовщине образования Санкт-Петербургского Технологического института (Санкт-Петербург, 25-26 ноября 2010г.);

• Ежегодные конференции Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) «Неделя науки» (Санкт-Петербург, 2011-2013 г.);

• Научно-техническая конференция Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета), посвященная памяти профессора А.Н. Чистякова (Санкт-Петербург, 15 ноября 2012г.)

Публикации

Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 3-х печатных работах в журналах из списка ВАК. Новизна разработок подтверждена решением о выдаче патента РФ на способ импульсного дозирования сыпучих материалов и устройство для его осуществления по заявке №2011151939 с приоритетом от 05.05.2012.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, изложены основные положения, дана краткая характеристика работы.

В первой главе проведен анализ литературных и электронных источников по современному состоянию вопроса в области дозирования сыпучих материалов.

Не смотря на стремительное развитие техники, а также постоянно растущие требования к качеству технологии производства в разных отраслях промышленности, переменная подача веществ и материалов в технологические объекты осуществляется по принципам, заложенным еще в прошлом веке. Современные исполнительные устройства для сыпучих материалов в основном представляют собой механические питатели. Параметры и характеристики подобных устройств не отвечают требованиям точности, надежности и экологической безопасности, предъявляемым в современном производстве. Несоответствие исполнительной части современному уровню остальных элементов контура управления приводит к снижению эффективности функционирования системы управления в целом.

В качестве ИУ АСР с управляющим воздействием в виде переменного расхода СМ в большинстве ТП применяют различного рода питатели (ленточные, тарельчатые, барабанные, вибрационные, аэрационные и т.д.) и дозаторы на их основе. Дозаторы, работающие по принципу весового отмеривания количества материала не обеспечивают требуемой точности из-за высокой степени гигроскопичности большинства СМ. Действующие в запыленной атмосфере или непосредственно в потоке сыпучего материала (чаще всего абразивного), ИМ и РбО, которые применяются для управления расходом, имеют низкую надежность. Большинство существующих ИУ не обладают достаточной герметичностью, в силу чего СМ непосредственно контактирует с окружающей средой, вследствие чего изменяются свойства дозируемого материала, и происходит загрязнение атмосферного воздуха.

Исходя из изложенного, сформулированы наиболее общие требования, предъявляемые к ИУ АСР для СМ:

• возможность регулирования расхода в заданном диапазоне;

• формирование управляющего воздействия в виде переменного расхода СМ с заданными ограничениями по погрешности во всем диапазоне регулирования (обеспечение заданного класса точности) системы;

• герметичность устройства, т.е. отсутствие контакта СМ с окружающей средой, другими материалами в ходе ТП;

• надежность устройства;

• наличие математического описания ИУ по каналу «управляющий сигнал контроллера -расход материала» в установившемся и переходном режимах;

• отсутствие или минимум эмпирических коэффициентов и зависимостей в математических моделях;

• возможность структурного и параметрического синтеза по заданным параметрам технологического процесса и материала;

Уточнены определения понятий «питатель» и «дозатор», что существенно для дальнейшего изложения материала диссертации. В работе системы дозирования (далее - дозаторы) рассматриваются как измерительные преобразователи, предназначенные для отмеривания и выдачи заданного количества вещества виде порций (доз) или постоянного расхода с погрешностью, не превышающей установленного класса точности. Отмечается, что метрологические характеристики питателей стандартами не регламентированы. Анализ источников показывает также, что действующие стандарты не содержат непосредственных требований по точности, надежности, воспроизводимости и другим параметрам применительно к объемным дозаторам сыпучих материалов. Перечень таких требований определен в работе на основании оценки областей применения дозаторов и по аналогии с требованиями, предъявляемыми к весовым системам дозирования.

В выводах по материалам первой главы определены преимущества и обоснован выбор вертикального пневматического питателя (ВПП), как прототипа для дальнейших исследований и решения поставленных задач. Выбор сделан на основании следующих свойств:

- возможность обеспечения полной герметичности устройства и трассы подачи, следовательно, т. е., экологическая безопасность;

- отсутствие кинематических пар, контактирующих с СМ и, следовательно, высокая надежность и долговечность;

- свойство самозапирания и самозагрузки;

- возможность безударного возобновления подачи после ее прекращения;

- возможность работы на инертных газах (пожаро- и взрывобезопасность);

- исходная простота конструкции и невысокая стоимость.

Во второй главе рассматривается принципиальное техническое решение вертикального пневматического камерного питателя (ВПКП). На рисунке 1 представлена его принципиальная схема.

1 - мерная емкость; 2 - транспортный материалопровод; 3 - аэроднище;

4 - воздуходувный агрегат; 5 - загрузочный материалопровод;

6 - настроечные муфты Рисунок 1 - Принципиальная схема вертикального пневматического камерного питателя

Из расходного бункера (на схеме не показан) по загрузочному материалопроводу 5 СМ поступает в емкость 1, где смешивается с воздухом, поступающим от воздуходувного агрегата 4 (снабженного управляемым приводом) через аэроднище 3, представляющее собой воздухопроницаемую перегородку. Образовавшаяся двухфазная смесь уносится через транспортный ствол 2. На разгрузочном срезе ствола 2 установлен материалоотделитель 7, в котором двухфазная смесь разделяется на твердый материал и воздух. Материал подается в какой-либо аппарат для дальнейшей переработки, а запыленный воздух направляется в аспира-

ционную систему. Управление расходом материала осуществляется за счет изменения текущей величины расхода воздуха поступающего от воздуходувки 4. Сконструированный таким образом пневматический питатель при прекращении подачи воздуха под аэроднище автоматически останавливает подачу материала.

Заполнение камеры питателя материалом при достаточной высоте загрузочного трубопровода происходит автоматически по мере опорожнения, при этом отсутствует необходимость применения какой-либо запорно-регулирующей арматуры, находящейся в контакте с СМ. Установка снабжена устройствами 6 для настройки рабочих характеристик питателя. С их помощью можно изменять расстояние между аэроднищем и транспортным стволом 1, а так же изменять объем занимаемый материалом в рабочей камере.

Конструктивное решение питателя может исключать мерную емкость, в этом случае питатель может быть выполнен по типу «труба в трубе». Такие вертикальные пневматические трубные питатели (ВПТП) могут иметь небольшие габариты и предназначены для непрерывной подачи хорошо сыпучего материала непосредственно из расходного бункера.

Здесь же рассмотрена возможность использования конструктивного параметра 2 - расстояния от аэроднища для ВПКП (рисунок 1) или от днища питателя для ВПТП, до входного среза транспортного ствола - в качестве настроечного. Предложена методика расчета величины 1, при которой обеспечивается минимум энергетических затрат на преодоление двухфазным потоком сопротивления транспортного ствола. При этом рассматривается цилиндрический ствол без каких-либо входных устройств, а зона входа в него двухфазного потока принимается подобной усеченному конусу. Параметры зоны входа в транспортный ствол связаны между собой зависимостью (рисунок 2):

- 2 = 0.5 •{Чл-йяр).Ьда (1)

Величину гидравлического сопротивления «виртуального» конфузора можно оценить по формуле (2):

(2)

где Л^пс = / (Д) - коэффициент смягчения, 5дд и — площадь проходного сечения транспортного ствола и площадь аэроднища соответственно.

Рисунок 2 - Расчетная схема для определения параметров входа в транспортный ствол для

ВПКП.

Поскольку зависимость коэффициента смягчения от угла при вершине усеченного конуса Р имеет минимум, при заданном диаметре транспортного ствола и известной площади аэроднища, можно определить требуемую величину Ъ. Предложенное выше подтверждено результатами экспериментов, приведенными в главе 3.

Выполнен анализ возможности применения математических моделей пневмотранс-портных систем для описания статических и динамических характеристик пневпопитателей по каналу «управляющее воздействие -> расход сыпучего материала». На основании ряда моделей получены статические расходные характеристики ВПП по данному каналу. Попытка применить известное математическое описание, связывающее расход твердой фазы с перепадом давления на основании уравнений сил, действующих на частицы и воздушный поток, привела к сложному степенному уравнению, практическое применение которого в качестве расходной характеристики затруднительно.

Расходные характеристики ВПП получены на основании широко применяемого в практике пневмотранспорта уравнения Гастерштадта:

м к \ДР8 ) (3)

и квазигомогенной модели:

Ъ = асм ■ 5тр • (2 • АРС ■ ¿тр . Ам)°-5 . (Ц. Я)-0-5 - Рв (4)

В уравнениях (3) и (4) Рм и Рв - массовые расходы твердой фазы и воздуха соответственно, кг/с; йРс и ЛРВ - потери давления при перемещении двухфазной смеси по транспортному стволу, Па; к - коэффициент Гастерштадта; аш и рси - коэффициент расхода и плотность двухфазного потока, кг/м3; массовая расходная концентрация, кг/кг; Н - высо-

''в

та транспортного ствола.

Уравнение (4) при объемной концентрации твердой фазы ау < 0,04 и выполнении ряда других условий, описывает двухфазный поток «сыпучее - газ» как континуальный дис-персоид, при этом вводятся обозначения параметров относящихся к «гомогенной» смеси.

В этой же главе на основании модели (4) получено уравнение динамики ВПП по тому же каналу:

+ (5)

где ^ = ^ = 2-а2-5$-<1 -р ' ^ —К0ЭФФиЦиент, определяемый сопротивлением аэроднища.

Уравнение (5) для соответствующих участков расходной характеристики может быть линеаризовано, тогда

+ (8)

~ АРс(р) - И^.к-1+1 - &

Перейдя в область изображений, определим передаточную функцию исполнительного устройства:

где Кт - коэффициент передачи; кгс'-Па'1; Тт = 1* ^"р1 * к'1 - постоянная времени, с.

При коротких трубопроводах, высокой скорости и реальной длительности истечения двухфазной смеси, ИУ ВПКП может быть аппроксимировано также звеном, генерирующим прямоугольные импульсы расхода. В этом случае:

ш (-о) =

^иу 1Р) ¡-м р , (8)

где £и - длительность времени выдачи материала.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований ВПП. Целью экспериментальных исследований ВПП было определение зависимости выходного расхода от управляющего воздействия, а также оценка метрологических характеристик питателей и дозаторов с пневматическим побуждением потока сыпучего материала. Исследования выполнялись на экспериментальной лабораторной установке, схема которой приведена на рисунке 3.

Г

V

х-

у-*

Таймер

|ацп) |АЦП | |АШ |

1

[ Компьютер

Рисунок 3 - Схема лабораторной установки для исследования пневматических питателей и дозаторов для сыпучих материалов.

Исследовались несколько конструктивных вариантов питателей и дозаторов, на сыпучих материалах с различными физико-механическими параметрами. Несущей средой во всех случаях был атмосферный воздух. Контролировались давление на входе в транспортный ствол, скорость, расход и температура несущего воздуха, напряжение питания воздуходувного агрегата. Управление расходом двухфазной смеси осуществлялось как дроссельным, так и объемным методами. Расход сыпучего материала определялся косвенным путем, интегральным весовым методом. Обработка результатов выполнена в соответствии с ГОСТ Р 8.7362011 .

р М МАХ

0,9

0,8

0,7

л № -Г(М

/ / /

/

0,5

0,6

0,7

0.8

АР

Е ' АР

В МАХ МАХ

Рисунок 4 - Расходные характеристики ВПП в относительных единицах

Основной статической характеристикой ВПП является зависимость расхода твердой фазы FM на выходе питателя от управляющего параметра, в качестве которого можно рассматривать давление на входе в питатель Яу, давление на входе в транспортный ствол Рс, расход несущего воздуха, перемещающего материал по транспортному стволу FB, напряжение питания Uвоздуходувного агрегата и скорость воздуха в стволе vB. Расходные характеристики ВПП при управлении по давлению в камере питателя и по расходу несущего воздуха, подаваемого в камеру, приведены на рисунке 4.

Показано, что квазигомогенная модель адекватна расходной характеристике только в зоне расхода воздуха, соответствующей скорости витания частиц твердой фазы (рисунок 5).

Этот факт можно объяснить тем, что параметры двухфазного потока, в том числе, скольжение, равное разности скоростей воздуха и скорости витания частиц, Äv = vB - vBT, зависят от скорости потока. Данное утверждение подтверждается результатами обработки экспериментальных данных, приведенных в третьей главе работы.

Fm'10 3, кг/с

35 30 25, 20 15 10 5 0

Рисунок 5 - Сравнение расчетной и экспериментальной расходных характеристик ВПП (шлифованное пшено, — = 10)

"м

На рисунке 6 расходная характеристика (параметры те же, что на рисунке 5) условна разделена на зоны II III IV Нижняя граница зоны I определяется расходом несущего воздуха, соответствующим скорости витания частицы. Зона II представляет собой рабочий участок расходной характеристики, в пределах которого может осуществляться уверенное управление расходом твердой фазы.

По мере увеличения числа частиц в потоке увеличиваются потери давления, коэффициент передачи устройства уменьшается, расход материала возрастает все в меньшей степени и выходит на максимум (зона III). При дальнейшем увеличении расхода воздуха, расход материала начинает уменьшаться (зона IV). На графике видно, что расход твердой фазы на выходе из ВПП в пределах скорости воздуха от vBT до 2vBT изменяется не пропорционально расходу несущего воздуха, но имеет некоторую дополнительную составляющую.

Анализируя процессы, происходящие в слое псевдокипящего материала у входа в транспортный ствол и рассматривая уравнение, связывающее расход твердого через него со скоростью воздуха:

Рм = Ов - Av) • STP ■ рм ■ av> (9)

Можно сделать вывод, что FM зависит не только от скорости воздуха, но и от изменения количества частиц, захватываемых из камеры. Последнее, в свою очередь, также определяется расходом воздуха, т. е. Дг? = /(vs) и оу = /i(FB).

Установлено, что наиболее близкую к эксперименту аппроксимацию расходных характеристик обеспечивает зависимость в виде полинома второго порядка позволяющая оценить характер зависимости с учетом всех зон, отмеченных на рисунке 7:

Рм = -А?1 + В?в + С, (10)

где коэффициенты А, В и С зависят от характеристик несущего потока, параметров частиц твердой фазы и от конструктивных параметров питателя. Получение таких зависимостей теоретическим путем представляет существенно сложную задачу, в связи с чем можно рекомендовать экспериментальную градуировку питателя.

. тах гм/ и, /ртах 1

08 иь 04 02

О

0,002 ОЛОЗ 0.004 0,005 0,006 тс 0 44-—-1-I

4 ВТ 2УВТ

Рисунок 6 - Сравнение расходных характеристик по воздуху и твердому материалу в относительных единицах

Расходные характеристики определены при различных значениях конструктивного параметра Ъ (рисунок 7), Обработка результатов (рисунок 8) подтвердила возможность оптимизации конструкции питателя, при которой минимизируются удельные затраты энергии на создание потока несущего воздуха.

0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 Гц. кг/с

;-—

2-2=4«» _

3-2- йОЗы <-г=41» —

I 1 1 I.

6 » ?-Ц>3, Лз

Рисунок 7 - Расходные характеристики ВПП в зависимости от параметра Ъ

0,3 0,25 0,2

I 0,15

и.

0,1 0,05

0 0.08 0,07 0.06 о 0,05 * 0,04 " 0,03 0,02 0,01 о

0.05 0,07 ^ ^ 0,03 0,11

Рисунок 8 - Статические характеристики ВПП по расходу твердой фазы и относительным затратам воздуха в зависимости от параметра Ъ

Рисунок 9 - Определение параметров питателя и несущего воздуха, обеспечивающих максимум расхода твердой фазы

Режим подачи с минимальными затратами энергии обеспечивается при выборе как конструктивного параметра Ъ (рисунок 8), так и определенного расхода воздуха (рисунок 10).

Трехмерная зависимость, связывающая максимум расхода материала с величиной расхода воздуха и значением параметра Ъ показана на рисунке 9.

Fe ¡Fm;

Fh, KT/t

ода 0.08 ■ ар? 0.06 ■ 0.05 ■ O.W ■ 0.03 ■

ода-

OjO t ■

0,002 ОДЙ 0,004 ! 0,005 0,008 Fe, wie

4|-----I-------(_

vgT = 7 м/с 2.°6vBT= 14=4 M/c

Рисунок 10 - Соответствие расхода (скорости) несущего воздуха минимуму энергетических затрат

Получены переходные характеристики ВПП по давлению. Рассматривался пусковой режим. Вид экрана монитора с графиком переходного процесса представлен на рисунке 11.

Уравнение, определяющее изменение давления, как это видно из графика, имеет порядок выше первого. Характер переходного процесса свидетельствует о наличии колебаний, причиной которых может быть внутренняя обратная связь в системе, возникающая, например, за счет упругости воздуха или колебательного режима истечения материала. Не исключено также, что причиной негармонических, по внешнему виду случайных, колебаний служат процессы в системе обработки информации.

Р,Па

300

150

0

Рисунок 11 - Переходный процесс по величине давления в камере при пуске питателя

Изменение расхода материала при включении (или скачкообразном изменении входного напряжения) вентилятора, в соответствии с уравнением (4), есть следствие изменения давления в камере. Тогда передаточная функция системы управления расходом материала с помощью ВПП по каналу «напряжение питания вентилятора - расход твердой фазы» будет произведением передаточных функций воздуходувного агрегата, канала формирования давления в камере и транспортного ствола по каналу «перепад давления —> расход материала»: №с(.р) = \УВА(р)1МР(.р)№г(р). (11)

Звенья с передаточными функциями WBA(p) и WP(p) в общем случае являются колебательными, и общий порядок передаточной функции может достигать 5-ти. Однако анализируя абсолютные значения времени запаздывания (2,5) с и постоянных времени переходных процессов (2 - 3) с, следует предположить их малость по сравнению с характерными временными параметрами технологических объектов, в которые производится подача материала. Тогда при сравнительно небольших объемах камеры ВПП может быть аппроксимирован звеном с предаточной функцией

w М - F™ № - к ' е*РЬтР) _ К ' (~ТР) ку1Р) АРс(р)~Я-5-1^-1 + 1" Тр + 1 (12)

При переменной длительности выдачи материала с постоянным расходом ВПП может рассматриваться как формирователь прямоугольных импульсов переменной длительности, т. е. широтно-импульсный модулятор ШИМ.

В экспериментальной части диссертационной работы (3-я глава) выполнена также метрологическая оценка вертикального пневматического питателя как исполнительного устройства, с помощью которого осуществляется преобразование управляющего сигнала контроллера в управляющее воздействие - расход сыпучего материала. Оценка погрешности проводилась на основании разработанной с этой целью структурной статической модели ВПП. Установлено, что изменение напряжения U питающей сети существенно влияет величину расхода материала (рисунок 12). Этот параметр используется для целей управления. Другим источником существенной погрешности по выходному расходу является изменение высоты уплотняющего столба материала в загрузочном материалопроводе. Результаты экспериментального исследования влияния этого параметра на расход приведены на рисунке 13. Для ликвидации этой погрешности в работе предложены и применялись при проведении экспериментов специальные устройства, установленные в верхней части загрузочного мате-риалопровода и стабилизирующие высоту столба псевдоожиженного материала в нем на определенном значении.

tu/c 40 3S

зо 25 ТО 15 10 5 о

-а> -зо о зо ю до, в

Рисунок 13

эз

1,15 1Д0 1,25 1,30 1,35 #»£,■/,■«

- Влияние высоты столба материала в загрузочном материалопроводе на расход твердой фазы

- Влияние колебаний питающего напряжения на расход твердой фазы

Рисунок 12

Изменение температуры несущего воздуха в реальных пределах не приводит к изменению расхода, что подтверждается экспериментом (рисунок 14). Этот факт можно объяснить тем, что влияющие на несущую способность воздуха его плотность и вязкость при изменении температуры изменяются в противофазе.

ГмМ3'

кг/с 50 40 30

19,5 20,0 20,5 21,0 21,5 22,0 22,5 23,0 Т,°С

Рисунок 14 - Связь расхода твердой фазы с температурой несущего воздуха

Предложена зависимость для расчета высоты Я загрузочного материалопровода, обеспечивающая устойчивую работу питателя в режиме непрерывной загрузки.

В четвертой главе рассматривается способ и устройство для частотно-импульсного пневматического дозирования СМ. Недостатками практически всех механических дозаторов является наличие подвижных элементов, непосредственно контактирующих с сыпучим материалом, что существенно снижает надежность работы. В известных пневматических дозаторах, также имеются кинематические пары, помещенные непосредственно в запыленную зону, что снижает надежность работы. Подача несущего воздуха в этих устройствах производится непрерывно, с максимальным расходом, а материал загружается в камеру механическими питателями. Такой режим связан с неоправданно большими затратами электроэнергии на перемещение материала, поскольку отсутствует возможность работы в энергосберегающем режиме. В предлагаемом устройстве - дозаторе с фиксированной скоростью выдачи дозы (ДФС) - выдача материала производится порциями (дозами) постоянного объема при постоянной скорости (расходе) несущего воздуха. Экспериментально подтверждено, что зависимость удельных затрат несущего газа на единицу массы сыпучего материала Рв/Ем от абсолютной величины расхода газа Рв имеет минимум (рисунок 10). Скорость воздуха фиксирована на значении, соответствующем минимуму удельных затрат энергии на подачу воздуха (на рисунке 10 около 2рвт). Для удержания материала в загрузочном бункере, при выдаче дозы давление Рс в смесительной камере должно быть больше давления Ршп столба псевдоожиженного материала в загрузочном материалопроводе. Схема и циклограмма работы дозатора даны на рисунке 15. Конструктивно импульсный дозатор аналогичен ВПКП или ВПТП.

При подаче сигнала от регулятора на выдачу единичной дозы, в камеру («мерную емкость») питателя подается газ (линия 1). В результате давление в камере увеличивается (линия 2) до величины срабатывания датчика-реле давления (линия 3). Повышение давления, в то же время, инициирует выдачу дозы Уо (линия 4). После выдачи дозы давление в камере падает (линия 5), что приводит к ее заполнению (линия 6), а также к срабатыванию реле давления (линия 7). Последнее выключает источник напора (линия 8). Предложенный способ дозирования предполагает возможность синтеза конструктивных и режимных параметров ДФС на основании технологических требований, а также параметров газа-носителя и частиц дозируемого материала. При этом нет необходимости использовать какие-либо эмпирические данные и выполнять процедуру экспериментальной градуировки.

Рисунок 15 - Принципиальная схема и циклограмма работы ДФС

Средний во времени объемный расход материала при выдаче нескольких доз определяется как:

<?ср = ^о-/ = Ко-Г-1 (13)

где - объем дозы; / и Т — частота и период выдачи дозы соответственно.

Методическая составляющая систематической погрешности определяется алгоритмом работы устройства, с помощью которого реализуется процесс дозирования.

Анализ процессов, происходящих в дозаторе, конструктивно аналогичном ДФС, позволяет оценить влияние ряда возмущающих факторов на выходной расход и предложить способы их устранения или минимизации. Циклограмма, представленная на рисунке 15, соответствует идеализированному описанию процесса дозирования, поскольку не учитывает большинство параметров аппаратуры и действующих фаз. Процессы, происходящие в ДФС при выдаче и наборе доз более подробно можно пояснить циклограммой, представленной на рисунке 16. Давление продолжает падать, и, при достижении определенного значения давления в камере, меньшего РЗМп начинается заполнение емкости новой порцией материала (линия 4). Время срабатывания реле 4РД и время торможения вентилятора 4ТВ известны заранее, в отличие от промежуточной величины - момента начала загрузки. Это время может быть определено экспериментально или теоретически, но в последнем случае - с большой вероятностью существенной погрешности. После того, как емкость загружена, может быть подан сигнал на выдачу следующей дозы. Однако, чтобы избежать неопределенности в состоянии дозатора, могущей привести к недогрузке емкости, после заполнения (4ЗП) необходимо выдержать принудительную паузу гпк. После подачи командного сигнала (линия 5), по мере разгона вентилятора (линия 6) давление в емкости нарастает, и, с некоторого момента, начинается унос материала (линия 7). Вентилятор достигает номинальной производительности через промежуток времени пуска £пв. Запаздывание и, как следствие, не одновременное срабатывание технических средств, приводят к появлению погрешности дозирования. Погрешности проявляется в виде неконтролируемой подачи частиц материала при нарастании и сбросе давления в камере. При нарастании давления сначала происходит унос межой фракции, и одновременное

дозаполнение камеры вплоть до полного запирания ЗМП, т. е. объем дозы неконтролируемо изменяется.

Командный сигнал 5Т

tm

Q Qrih

г

Выдача дозы

Репе _ давления,

1

" At„

1Г3

1РЗ

/Давление*-i

' в емкости V

t

Рисунок 16 - Графическая иллюстрация процесса дозирования

При сбросе давления материал из ЗМП начинает поступать в камеру, но расход воздуха еще достаточен для уноса, и выдача материала некоторое время еще продолжается. Изложенное позволяет сделать вывод о том, что методическая погрешность возникает вследствие неконтролируемых проскоков материала при заполнении мерной емкости и выдаче дозы. Проскок, в свою очередь, определяется наличием переменного запаздывания в срабатывании элементов системы. Величина такой внутренней погрешности может быть снижена путем соответствующего выбора параметров автоматического дозатора.

Основное внешнее влияние на точность объемного отмеривания дозы при заполнении камеры оказывают изменения гранулометрического состава и влажности материала (изменяется угол естественного откоса материала). Эти источники погрешности возникают случайным образом.

Экспериментальная оценка погрешности выдачи единичной дозы САД ДФС выполнялась на установке, описание которой приведено в главе 3. Параметр Ъ и расход воздуха были выбраны соответствующими определенному ранее в главе 3 минимуму энергозатрат. Оборудование аналогично комплекту приборов, использовавшемуся при экспериментальном определении погрешности ВПП. Измерения выполнялись при определенном варьировании скорости несущего воздуха в диапазоне 2{увт ± 0,08г7вг) . Погрешность определялась по весу дозы материала. Пример обработки результатов эксперимента по ГОСТ Р 8.736-2011 приведен ниже и на рисунке 17.

Среднее квадратическое отклонение среднего арифметического массы дозы: = б ■ Ю-3 кг, п = 8; а = 0,95

Границы неисключенной систематической погрешности (НСП):

0М = ±6 • Ю-3кг.

Среднее квадратическое отклонение НСП:

Бд = вмЫ3 = 3,5 • 10-3кг.

Суммарное среднее квадратическое отклонение оценки массы дозы:

5г =

592+5я2=± !•

10" кг.

М,

кг

1.4

13

м„

мп

15,5 V^, .м/с

13,5 14,5 14.6

Рисунок 17 - Результаты измерения объема доз Коэффициент, зависящий от отношения погрешностей:

К - SM't +в м _ 2 13

Доверительные границы погрешности оценки массы дозы:

Д= АГ Sz = 0,015 кг Относительная погрешность выдачи единичной дозы по массе: 5М = Д/М = 0,015/1,48 = 0,01

Выводы

На основании аналитического обзора отечественных и иностранных источников информации установлено, что современное состояние технического и метрологического обеспечения систем преобразования управляющих сигналов в управляющие воздействия в виде переменного расхода сыпучих материалов не соответствует современному уровню систем управления параметрами технологических процессов. Для физической реализации управляющих воздействий в этих случаях обоснован выбор вертикальных пневматических питателей и дозаторов. Предложены

и разработаны конструктивные варианты пневматических питателей непрерывного действия. Выполнена оценка точностных характеристик питателей как преобразователей расхода. Даны рекомендации по оптимизации их параметров. На основании результатов проведенных экспериментальных исследований питателей предложены математические модели, в полной мере позволяющие оценить работоспособность систем питания и дозирования для СМ во всем диапазоне изменения расхода.

Показано наличие экстремальных характеристик, позволяющих минимизировать затраты электроэнергии на подачу материала.

Предложен способ импульсного объемного дозирования СМ и устройства для его осуществления.

Разработан алгоритм параметрического синтеза автоматических объемных дозаторов СМ,

не требующий знания эмпирических зависимостей и коэффициентов. Выполнена оценка погрешности импульсного объемного дозатора как измерительного преобразователя количества материала, определены источники погрешности и даны рекомендации по уменьшению ее величины.

Публикации по теме диссертации

1. Пешехонов, A.A. Пневматический автоматический питатель для сыпучих материалов / A.A. Пешехонов, Р.В. Зайцев // Научно-практическая конференция, посвященная 182-й годовщине образования Санкт-Петербургского государственного технологического института. 25-26 ноября 2010г.СПбГТИ(ТУ), - 2010 г. - СПб. : СПбГТИ(ТУ), 2010.-С.95.

. Пешехонов, A.A. Импульсное автоматическое управление с регулируемой подачей сыпучих материалов в непрерывных / A.A. Пешехонов, Р.В. Зайцев // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). - 2011. - №12 - С.75-79. 3. Пешехонов, A.A. Синтез основных параметров импульсного управления для непрерывных технологических процессов /A.A. Пешехонов, Р.В. Зайцев //Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24: сб. трудов XXIV Международной научной конференции: Секция Кб / под общ.ред. В.С.Балакирева. - Киев:НТИУ «Киевский политехнический институт», 2011. - С. 72.

Пешехонов, A.A. Параметрический синтез объемных частотно-импульсных систем автоматического дозирования сыпучих материалов / A.A. Пешехонов ,Р.В. Зайцев // Сборник тезисов научно-технической конференции молодых ученых «Неделя науки -2011» Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). - СПб.: СПбГТИ (ТУ), - 2011. - С. 94.

Куркина, В.В. Диагностика исполнительных устройств, обеспечивающих управление расходом сыпучих материалов / В.В. Куркина, A.A. Пешехонов, Р.В. Зайцев, Н.В. Воробьев // Автоматизация в промышленности. - 2012. - №2.- С.55-58. Зайцев, Р.В. Улучшение качественных характеристик робастных дискретных систем управления технологическими процессами / Р.В. Зайцев, О.Ю. Камкин, O.A. Ремизова, В.В. Сыроквашин, A.JI. Фокин // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета), — 2013. - №20. - С.95-100.

Зайцев, Р.В. Определение параметров импульсной последовательности дискретного управления, реализуемого объемными дозаторами / Р.В. Зайцев // Научно технологическая конференция, посвященная памяти профессора Технологического института А.Н. Чистякова.15.10.2012 - СПб.:СПбГТИ(ТУ), -2012. - С. 54-55. Пешехонов, A.A. Импульсные автоматические дозаторы в системах управления объектами с непрерывными параметрами /A.A. Пешехонов, Р.В. Зайцев, О.Ю. Камкин // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25: сб. трудов XXV Международной научной конференции: Секция 13 / под общ.ред. А.А.Большакова. - Саратов, 2012.-С. 146-147.

Отпечатано с оригинал-макета. Формат 60x90 Объем 1,0 печ.л. Тираж 80 экз. Зак. № 189.

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26 Типография издательства СПбГТИ (ТУ), тел. 49-49-365

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт

(технический университет)»

На правах рукописи

04201455070

ЗАЙЦЕВ РОМАН ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ ДОЗАТОРОВ СЫПУЧИХ

МАТЕРИАЛОВ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ,

материалов и изделий

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент Пешехонов А.А.

Санкт-Петербург 2013

Оглавление

Введение..............................................................................................................5

Глава 1. Современное состояние вопроса в области управления расходом сыпучего материала в системах управления непрерывными технологическими процессами..............................................................................9

1.1 Проблема физической реализации управляющих воздействий в системах управления............................................................................................9

1.2 Особенности реализации управления при помощи автоматических питателей и дозаторов сыпучих материалов...................................................11

1.3 Сравнительный анализ основных типов питателей и дозаторов для сыпучих материалов...........................................................................................18

1.3.1 О классификации систем автоматической регламентации количества и расхода сыпучих веществ и материалов................................18

1.3.2 Дозаторы и питателя для сыпучих материалов как системы измерения.........................................................................................................20

1.3.3 Механические питатели....................................................................24

1.3.4 Вибрационные питатели...................................................................34

1.3.5 Гравитационные и аэрационные питатели.....................................36

1.3.6 Пневматические питатели................................................................40

1.4 Выводы по главе......................................................................................43

Глава 2. Вертикальный пневматический питатель.......................................45

2.1 Принципиальное техническое решение................................................45

2.2 Техническая реализация вертикального пневматического питателя 48

2.2.1 Схема и принцип действия устройства...........................................48

2.2.2 Определение геометрических параметров камеры дозатора.......51

2.2.3 Конструктивные параметры зоны входа материала в транспортный ствол........................................................................................55

2.3 Варианты схем управления расходом сыпучих материалов при помощи Bill!.......................................................................................................59

2.4 Математические модели статики и динамики ВГТГТ............................62

2.5 Квазигомогенная модель........................................................................67

2.6 Динамические характеристики вертикальных пневматических питателей.............................................................................................................73

2.7 Выводы по главе......................................................................................77

Глава 3. Экспериментальные исследования ВПКП......................................79

3.1 Описание экспериментальной лабораторной установки....................79

3.2 Исследование и проверка адекватности квазигомогенной модели для описания статических и динамических характеристик пневмопитателей...81

3.3 Исследование статических характеристик пневматических питателей для сыпучих материалов....................................................................................83

3.4 Исследование динамических характеристик пневматических питателей сыпучих материалов........................................................................90

3.5 Исследование настроечного параметра ВПКП....................................92

3.6 О минимизации энергозатрат при выдаче материала..........................95

3.7 Исследование погрешности управления расходом.............................98

3.7.1 Структура ВПП как измерительного преобразователя.................98

3.7.2 Экспериментальное исследование источников погрешности ВПКП..............................................................................................................101

3.7.3 Оценка степени влияния источников погрешности при непрерывном управлении расходом............................................................101

3.7.4 Оценка влияние температуры несущего воздуха на расход твердой фазы..................................................................................................105

3.8 Выводы по главе....................................................................................105

Глава 4. Импульсные автоматические исполнительные устройства АСР на базе вертикального пневматического камерного питателя.............................107

4.1 Разработки автоматических систем управления расходом сыпучих материалов на базе пневматических питателей непрерывного действия .. 107

4.2 Динамика выдачи единичной дозы.....................................................115

4.3 Параметрический синтез частотно-импульсного дозатора сыпучих материалов.........................................................................................................117

4.3.1 Исходные данные и постановка задачи........................................117

4.3.2 Статический расчет ДФС. Расчет номинальной (рабочей) скорости несущего воздуха..........................................................................118

4.3.3 Расчет параметров импульсной последовательности.................121

4.3.4. Проверка работоспособности дозатора при загрузке.................129

4.3.5 Расчет параметров загрузочного материалопровода...................132

4.4.6 Расчет потерь давления при выдаче дозы....................................134

4.4 Оценка погрешности выдачи дозы с использованием дозатора с фиксированной скоростью подачи несущей фазы (ДФС)...........................135

4.5 Выводы по главе....................................................................................137

Заключение......................................................................................................139

Список литературы.........................................................................................140

Приложение А.................................................................................................146

Приложение Б.................................................................................................152

Приложение В..................................................................................................156

Приложение Г.................................................................................................160

Приложение Д.................................................................................................164

Приложение Е.................................................................................................165

Введение

Основой иерархической структуры систем автоматизации промышленных технологических процессов были и остаются локальные системы автоматического регулирования параметров (ЛАСР, далее АСР). В общем случае, функции АСР заключаются в измерении, прямом или косвенном, текущей величины регулируемой переменной, сравнении ее с заданным значением, выработки вида и величины управляющего сигнала и преобразовании этого сигнала в изменение количества вещества или энергии, поступающей в объект автоматизации в качестве регулирующего воздействия. Последнюю функцию выполняет система оконечных элементов АСР - исполнительная часть - содержащая, в общем случае, усилитель -преобразователь величины и/или формы выходного сигнала контроллера и исполнительное устройство (ИУ), содержащее, в свою очередь, исполнительный механизм (ИМ) и регулирующий орган (РО) для систем с управляющим воздействием в виде переменного расхода жидкости или газа, и рабочий орган (РбО) для систем с переменным или стабилизированным расходом вязких и сыпучих веществ и материалов [1].

Управляемая или стабилизированная подача СМ имеет место при реализации управляющих воздействий на технологические объекты, загрузке различного рода емкостей и затаривании готового продукта в упаковку. В последнем случае применяется весовое или объемное импульсное дозирование. Для сыпучих материалов (СМ) в качестве рабочих органов используются механические, вибрационные, пневматические и комбинированные питатели и дозаторы на их основе. Проблема управления расходом и дозирования СМ особенно остро ощущается при формировании управляющего воздействия в виде их переменного расхода. Традиционно выполняющие функции рабочего органа питатели, обеспечивают качество управления, которое оставляет желать лучшего в связи с постоянно растущими требованиями к повышению точности и надежности подачи и

дозирования, экологической безопасности и комфортности производственных условий. Из-за возможного несовершенства ИУ эффективность системы автоматизации, достигнутая за счет применения высокоточных датчиков, преобразователей и использования самых совершенных алгоритмов оптимального управления, может быть утрачена. Традиционно используемые применительно к СМ питатели и дозаторы имеют ряд существенных недостатков. В частности, такие устройства достаточно дороги, имеют пониженную надежность и не отвечают требованиям экологической безопасности в силу наличия кинематических пар, непосредственно контактирующих с СМ, принципиальной негерметичности и т.д.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка методов и средств управления расходом сыпучих материалов, позволяющих, в том числе, использовать их для выполнения функций исполнительных устройств в системах управления непрерывными многофазными технологическими процессами. На основании критического анализа традиционно применяемых в промышленности, в качестве основного элемента исполнительных устройств для СМ выбран вертикальный пневматический питатель (ВПП).

Для достижения цели работы были поставлены и решены следующие задачи:

• спроектирован и разработан полупромышленный образец пневматического питателя, выполняющий функции физической модели;

• спроектированы различные конструктивные варианты питателей и дозаторов, ориентированные на соответствие требованиям конкретных производственных процессов;

• выполнены исследования процесса непрерывной управляемой подачи и импульсного дозирования СМ потоком газа (воздуха);

• на основании результатов исследований предложен ряд математических моделей статики и динамики процесса управляемого перемещения двухфазной смеси «газ - сыпучий материал», учитывающие зависимость расхода материала как от скорости несущего газа, так и от изменения количества частиц, захватываемых газом из псевдоожиженного слоя;

• предложенные модели адаптированы к выполнению процедуры параметрического синтеза АСР с ВПП в качестве ИУ;

• показано наличие связывающих входные и выходную переменные ВПП экстремальных зависимостей, позволяющих минимизировать энергетические затраты при управлении расходом СМ;

• определены параметры режима подачи, обеспечивающего минимизацию энергетических затрат при управлении расходом сыпучих;

• предложен и запатентован способ импульсного управления расходом сыпучего материала в режиме экономии энергоресурсов;

• разработана методика параметрического синтеза импульсных исполнительных устройств АСР для управления расходом «газ -сыпучее» по параметрам технологического процесса и сыпучего материала;

• проведены исследования метрологических характеристик исполнительных устройств вертикальных пневматических питателей и импульсных дозаторов на их основе. Установлены источники погрешности и даны рекомендации по уменьшению их влияния.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

• на основании теоретических и экспериментальных исследований исполнительных устройств для сыпучих материалов получены математические модели процесса непрерывного управления расходом неоднородной двухфазной смеси «газ - сыпучее» в вертикальном пневматическом питателе, учитывающие зависимость расхода

материала как от скорости несущего газа, так и от изменения количества частиц, захватываемых газом из псевдоожиженного слоя; определены параметры режима подачи, обеспечивающего минимизацию энергетических затрат при управлении расходом сыпучих; предложен и запатентован способ импульсного управления расходом сыпучего материала в режиме экономии энергоресурсов; разработана методика параметрического синтеза импульсных исполнительных устройств АСР для управления расходом «газ -сыпучее» по параметрам технологического процесса и сыпучего материала;

выполнены исследования метрологических характеристик исполнительных устройств вертикальных пневматических питателей и импульсных дозаторов на их основе. Установлены источники погрешности и даны рекомендации по уменьшению их влияния.

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем: разработаны и испытаны варианты конструкций вертикальных пневматических питателей, а также импульсных дозаторов на их основе, отвечающих широкой гамме практических требований конкретного производства;

даны рекомендации по выбору и расчету параметров вертикальных пневматических питателей непрерывного действия; разработан алгоритм априорного параметрического синтеза импульсных автоматических пневматических дозаторов сыпучих материалов на основе заданных параметров газа-носителя, максимальной величины расхода материала, и физических характеристик последнего;

Глава 1. Современное состояние вопроса в области управления расходом сыпучего материала в системах управления непрерывными технологическими процессами 1.1 Проблема физической реализации управляющих воздействий в

системах управления

Промышленное производство, и в частности каждая обособившаяся отрасль, - комплексная система, имеющая свою технологию и производящая однородный тип продукта. Технология каждой отрасли включает в себя ряд операций, воспроизводимых при производстве той или иной продукции. Загрузка исходного материала в технологический аппарат, выдача конечного продукта - это операции, требующие повышенной ответственности, вследствие их приоритетности в вопросах контроля и управления. Выбор режима операции управляемой подачи материалов может определять качество итогового продукта, оптимальный режим работы системы, экономию по расходу энергии и др. Особое внимание следует уделить этапу физической реализации управления, осуществляемой с помощью исполнительных устройств (ИУ) автоматических систем регулирования (АСР). Несмотря на стремительное развитие техники, в том числе, совершенствование ИУ, а также постоянно растущие требования к качеству технологии производства в разных отраслях промышленности, переменная подача веществ и материалов в технологические объекты осуществляется по принципам, заложенным еще в прошлом веке. Современные ИУ чаще всего выполнены с использованием принципиальной и технической базы, разработанной в XX веке, представляют собой устройства с использованием ИУ для жидкостей и газов, и механических питателей для сыпучих материалов. Механика подобных устройств зачастую является самым ненадежным узлом всей конструкции. Вследствие этого возникает несоответствие исполнительной части современному уровню остальных элементов контура управления.

В качестве ИУ АСР с управляющим воздействием в виде переменного расхода СМ в большинстве технологических процессах (ТП) применяют различного рода питатели (ленточные, тарельчатые, барабанные и т.д.) им присущи как общие, так и специфические недостатки. Питатели, работающие по принципу весового дозирования не обеспечивают требуемой точности из-за высокой степени гигроскопичности большинства СМ, вследствие чего переменная влажность, что влияет на точность реализации заданного количества вещества. Кроме того, ИМ и РбО, которые применяются для управления расходом, при этом действующие в запыленной атмосфере или непосредственно в потоке сыпучего материала (чаще всего абразивного), имеют низкую надежность. Большинство существующих ИУ не обладают достаточной герметичностью, в силу чего СМ непосредственно контактирует с окружающей средой, что в свою очередь, влияет на свойства дозируемого материала. Увеличение погрешности весового дозирования, в основном, связано с неконтролируемым изменением влажности материалов.

В случае, когда питатель выполняет функции ИУ системы управления или регулирования, он должен иметь статические и динамические характеристики, обеспечивающие требуемое качество переходных и установившихся процессов в замкнутой автоматической системе.

Абстрагируясь от особенностей конкретных процессов и материалов, можно сформулировать основные общие требования, предъявляемые к ИУ АСР для СМ:

• возможность регулирования расхода в заданном диапазоне;

• формирование управляющего воздействия в виде переменного расхода СМ с заданными ограничениями по погрешности во всем диапазоне регулирования (обеспечение заданного класса точности) системы;

• наличие математического описания ИУ по каналу «управляющий сигнал контроллера - расход материала» в установившемся и переходном режимах;

и

• возможность структурного и параметрического синтеза по заданным параметрам технологического процесса;

• отсутствие или минимум эмпирических коэффициентов и зависимостей;

• надежность устройства;

• герметичность устройства, т.е. отсутствие контакта СМ с окружающей средой, другими материалами в ходе ТП.

1.2 Особенности реализации управления при помощи автоматических питат