Сейчас разработано большое количество автоматизированных комплексов по приготовлению многокомпонентных кормовых смесей. Требования к таким автоматизированным дозирующим комплексам, определяется такими критериями, как автономность системы, точность дозирования, энергетическая эффективность. Исходя из этих требований, можно провести анализ имеющихся разработок в данной области.

Предложен комплекс для приготовления смесей, позволяющий получить точное и полное дозирование согласно установленному рецепту компонентов комбикорма и пищевых микродобавок с включением отдельных компонентов, что приводит к получению высокобелкового сбалансированного корма. Управление автоматизированным дозирующим комплексом осуществляется системой программируемого управления с промышленного контроллера, которая обеспечивает автоматизированное управление дозированием компонентов комбикорма.

Комплекс дозирования включает следующие технологические линии:

• приема входного сырья;
• измельчения зернового корма;
• дозирования компонентов корма со шнековыми питателями;
• приготовления и внесения белково-витаминного корма и внесения пищевых микродобавок;
• смешивания компонентов комбикорма;
• разгрузки готового комбикорма;
• программируемого управления с ПЛК для автоматизированного управления дозированием компонентов комбикорма.

Автоматизированный дозирующий комплекс для приготовления комбикормов работает в порционном циклическом режиме следующим образом. Число доз каждого компонента комбикорма задают в соответствии с рецептом приготавливаемого комбикорма и общей массой одной порции комбикорма. Данная система автоматизированного порционного дозирования имеет существенный недостаток – согласование скорости и положения тележки с частотой вращения шнековых питателей и текущим весом в соответствии с рецептом.

Очередность дозирования материала из бункеров в данной системе имеет приоритетное значение. Технологические задачи производства комбикормов могут приводить к изменению очередности подачи материала в весовую тележку. Это, несомненно, приведет к уменьшению производительности и снижению рентабельности продукции.

Есть возможность реализовывать технологию дозирования и формирования комбикормов с применением промежуточных весовых устройств. Данное устройство для приготовления многокомпонентных кормовых смесей содержит постоянно пополняемые промежуточные бункера запаса компонентов смеси кормов (концентрированных, грубых, сочных, минеральных) с питателями (например, шнековыми), управляемыми выходами контроллера и работающими на сборный бункер через весовые устройства с открывающимися днищами на датчиках-платформах.

Фрагмент весового устройства представляет собой короба (по количеству бункеров) с шарнирно открывающимися днищами с противовесами и защелками с противоположной стороны. На боковой стороне коробов закреплены электронные платы весовых контроллеров.

Автоматизированный дозирующий комплекс для приготовления многокомпонентных смесей содержит бункера компонентов с питателями, связанными с управляющими выходами промышленного контроллера, сборный бункер, весовые устройства и транспортер и отличается тем, что весовые устройства представляют собой установленные на платформе короба с открывающимися днищами, связанные с компьютером и соединенные через лотки со сборным бункером; транспортер снабжен расположенными на нем кормушками с наклейками RFID-меток, а на месте выгрузки компонентов из бункеров установлен конвейерный сканер, передающий на промышленный контроллер информацию с RFID-меток кормушек.

Данная система порционного дозирования имеет усложненную конструкцию (увеличено количество весовых устройств), а также, согласно описанию, формирует одновременную работу всех шнековых питателей. Поскольку в данном случае использовать поочередное дозирование не рационально ввиду наличия индивидуальных весовых устройств, необходимо реализовывать непрерывное формирование смесей с параллельной работой определенным количеством дозирующих шнеков. В этом случае для каждого дозатора требуется свой собственный модуль автоматического управления, а именно преобразователь частоты – асинхронный двигатель, что многократно увеличивает стоимость устройства, его настройку и эксплуатацию.

Автоматизированный комплекс дозирования и смешивания кормовых компонентов

Наиболее целесообразной структурой автоматизированного дозирующего комплекса для производства комбикормов является дозирование всех компонентов комбикорма в общем бункере дозатора при перемещении каждого компонента отдельным шнековым питателем. Управление асинхронными двигателями шнековых питателей производится от одного преобразователя частоты со скалярным управлением.

В зависимости от технологических требований автоматические дозаторы могут применяться для решения следующих задач: поддержание требуемого мгновенного значения расхода; поддержание заданного среднего расхода за определенный промежуток времени; обеспечение суммарного количества материала за определенный цикл.

К процессу дозирования сыпучих материалов вообще и компонентов комбикорма в частности предъявляются следующие требования, несоблюдение которых приводит к снижению точности дозирования и качества выпускаемой продукции:

• обеспечение требуемого расхода по параметру – регулирование производительности;
• обеспечение величины расхода по параметру в пределах допускаемых отклонений при определенном или произвольном изменении значении параметров материала – точность дозирования;
• обеспечение постоянства расхода по параметру или заданного изменения расхода во времени – устойчивость дозирования.

Автоматизация технологического процесса дозирования позволяет управление от одного преобразователя частоты несколькими шнековыми питателями, число которых не будет превышать количество каналов блока релейной коммутации. Дозирование смеси происходит в общем бункере дозатора.

Двигатели задвижек бункера-дозатора и бункера-смесителя, двигатели смесителя включаются в сеть непосредственно через силовые контакторы. Для шнековых питателей требуется плавное регулирование скорости, поэтому их двигатели управляются с помощью преобразователя частоты. Поскольку технологический процесс не требует одновременной работы двух и более шнековых питателей, все двигатели подключаются к одному и тому же преобразователю частоты по очереди через коммутатор из силовых контакторов.

Входными дискретными сигналами от дозирующего технологического оборудования являются сигналы типа «сухой контакт» от концевых выключателей задвижек, датчика блокировки открытия смотрового окна бункера-смесителя, датчика уровня бункера отгрузки готовой продукции, а также датчика движения нории. Кроме того, на промышленный контроллер заводятся дискретные сигналы подтверждения включения контакторов. Напряжение питания большинства «сухих контактов» в схеме 24 В.

Данная структура многокомпонентного дозирования отличается от известных тем, что от общего преобразователя частоты могут управляться несколько шнековых дозаторов. Коммутация силовых цепей происходит по сигналу микроконтроллера с помощью блока релейной коммутации. Скалярное управление преобразователя частоты позволяет управление асинхронными двигателями шнековых дозаторов разной мощности. Благодаря этому организуется непрерывное приготовление смеси с максимальной производительностью. Также использование одного преобразователя частоты на n каналов дозирования значительно удешевляет расходы на создание проекта и уменьшает расходы на монтаж и обслуживание.

Измерение текущего веса бункера-дозатора осуществляется тремя весовыми датчиками. Сигналы с весовых датчиков поступают в суммирующий блок, а затем в нормирующий усилитель, которые находятся в непосредственной близости от датчиков. Здесь сигнал усиливается, гальванически изолируется и нормализуется в стандартный токовый сигнал 4…20 мА. В этом виде информация о весе поступает в промышленный контроллер.

Применение автоматизированного процесса дозирования позволяет минимизировать ошибку дозирования при оптимальном значении производительности. Также алгоритмы управления шнековыми дозаторами позволяют компенсировать ошибку, вызванную падающим столбом материала.

В состав автоматизированного дозирующего комплекса по производству комбикормов входят:

• шесть расходных бункеров, содержащих дозируемые компоненты (ячмень, горох, отруби пшеничные, пшеница, шрот подсолнечный, концентрат);
• шесть шнековых питателей;
• бункер-дозатор грузоподъемностью до 1000 кг, подвешенный на трех весовых датчиках;
• бункер-смеситель, оснащенный асинхронным двигателем смесителя мощностью 15 кВт и двигателем смесителя;
• бункер отгрузки готовой продукции c емкостным датчиком уровня;
• транспортная подсистема отгрузки готовой продукции.

В целом объект автоматизации включает в себя 10 асинхронных электрических двигателей мощностью от 1,7 до 15 кВт. Зерновое сырье поступает в расходные бункера от автомобильного терминала. Загрузка одного бункера емкостью 50 тонн занимает не менее 3 часов. После загрузки расходных бункеров компоненты поочередно поступают в бункер-дозатор, где в соответствии с заданным рецептом осуществляется дозирование. По окончании процесса дозирования всех компонентов масса поступает в бункер-смеситель. Время смешивания варьируется от 1 до 3 минут в зависимости от выбранного рецепта. Готовая смесь поступает в бункер отгрузки готовой продукции. Отгрузка готовой продукции происходит через автомобильный терминал с производительностью 15 тонн в час.

Режимы работы дозирующего комплекса

Типовая система управления автоматизированным дозирующим комплексом функционирует в трех режимах:

1. Автоматический режим. В этом режиме оператор задает требуемый рецепт из базы рецептов и количество порций (суммарный вес одной порции – до 1000 кг).

2. Ручной режим с автоматическим дозированием. Управление осуществляется с использованием пульта управления. Оператор обеспечивает запуск дозирования, открытие и закрытие задвижек дозатора и смесителя, запуск и останов смесителя. Остановка шнековых питателей происходит автоматически при достижении массы дозируемых компонент заданных значений.

3. Ручной режим без автоматического дозирования. Управление процессом дозирования и смешивания осуществляется так же, как и в ручном режиме с автоматическим дозированием, но в отличие от него остановка шнековых питателей осуществляется оператором. Данный режим используется для отладки и поиска неисправностей.

Кроме того, система управления дозирующим комплексом выполняет следующие функции:

• анализ текущего состояния исполнительных устройств нижнего уровня управления (преобразователь частоты, силовые контакторы);
• проверка на перегрузку бункера-дозатора и бункера-смесителя;
• параллельная работа подсистем дозирования, смешивания и отгрузки;
• косвенный анализ технологических неисправностей путем проверки загрузки и отгрузки компонентов из бункера-дозатора по датчику веса;
• автоматический учет и ведение баз данных расхода в производство дозируемых компонентов, выхода готовой продукции, расчет остатка компонентов на конец дня;
• учет используемых рецептов за смену;
• ведение базы рецептов;
• установка требуемого времени смешивания компонентов;
• отображение состояния расходных бункеров в реальном времени;
• звуковая сигнализация и блокировка работы исполнительных механизмов при возникновении аварийной ситуации;
• ведение журнала событий за последние два месяца эксплуатации.

Программно-аппаратный комплекс автоматизированного дозирующего комплекса имеет трехуровневую архитектуру. Нижний уровень содержит датчики и исполнительные механизмы. Средний уровень включает в себя управляющий промышленный контроллер и модули релейной коммутации. Верхний уровень представляет собой автоматизированное рабочее место оператора на базе персонального компьютера. Взаимодействие между верхним и средним уровнями осуществляется посредством цифрового интерфейса на физическом уровне и протоколом обмена, специально разработанным для проекта.

Аналогичным функционалом обладает автоматизированная система управления технологическим процессом дозирования и смешивания компонентов комбикормов и управления транспортно-технологическими маршрутами участка дозирования и смешивания. Программно-технический комплекс автоматизированной системы управления технологическим процессом дозирования состоит из аппаратной части на базе промышленного контроллера, персонального компьютера. Данная открытая система обладает рядом преимуществ: простым и понятным интерфейсом, своевременным предоставлением информации о ходе технологического процесса и улучшенной диагностики оборудования.

Потенциальными недостатками автоматизированной системы управления технологическим процессом дозирования для рассматриваемого класса задач являются: излишние информационные и технические возможности системы (до нескольких сотен точек контроля), что делает систему достаточно дорогостоящей; система требует доработки для конкретного потребителя; заданную точность при высокой производительности, дозирования малых компонентов кормовой смеси трудно обеспечить при работе с одним бункером- дозатора.

Таким образом, технологические требования к приготовлению кормовой смеси (точность дозирования компонентов до 3% и производительность комплекса до 6 тонн/час) актуализируют задачу повышения эффективности управления автоматизированного комплекса дозирования сыпучих материалов.

Анализ известных технических решений дозирования показывает, что наиболее целесообразным для приготовления кормовых смесей является использование шнековых дозаторов, так как они обладают высокой производительностью и последовательным порционным перемещением материала в бункер-дозатор. Эти свойства позволяют спрогнозировать массу падающего столба материала и достичь, таким образом, высокой точности дозирования.

Установлено, что для обеспечения полной автоматизации технологического процесса дозирования сыпучих материалов предложено использовать автоматизированный комплекс дозирования с общим преобразователем частоты и бункером-дозатором на весовых датчиках продукта.

Необходимо разработать эффективные алгоритмы управления электротехническим комплексом производства комбикормов, который обеспечивает заданную точность по каждому компоненту (3%) смеси в общем бункере-дозаторе при максимальной производительности шнековых дозаторов.