Автоматические системы дозирования сыпучих материалов широко применяются в строительных, пищевых и фармацевтических областях промышленности для приготовления различных продуктов. Главный критерий оптимизации дозирующих систем является точность дозирования каждого компонента смеси, которая непосредственно зависит от скорости движения дозируемого компонента и других технологических факторов. Технологические требования к качеству дозируемой продукции на производстве, жестко регламентируют разработчикам автоматизированной системы дозирования сыпучих материалов, что связано также с высокой стоимостью отдельных компонентов смеси. Обеспечение максимально возможного соблюдения рецепта готовой смеси требует дозирования каждого ее компонента с высокой точностью, что является сложной инженерно-технической задачей.

Из всего многообразия автоматизированных комплексов дозирования сыпучих материалов, следует выделить автоматизированные системы, построенные на базе современного асинхронного электропривода с промышленным контроллерным управлением и весовым дозирующим устройством, использующим принцип многокомпонентного дозирования материала.

Точность дозирования в автоматизированных системах зависит от большого числа систематических и случайных факторов: величины, формы и взаимного расположения отдельных частиц материала; коэффициента сцепления их с друг другом и с конструктивными элементами дозатора; относительной влажности дозируемого материала и воздуха в помещении; высоты падения материала в приемную емкость; величины наклона дозатора к уровню горизонта; вибрационных и электромеханических помех.

Особую значимость приобретает задача повышения эффективности управления автоматизированным электротехническим комплексом дозирования сыпучих материалов, так как ее решение позволит существенно увеличить его производительность и снизить неправильную дозировку особо ответственных, небольших по объему, но дорогостоящих компонентов. Необходимое в современных условиях качество продукта, предъявляет высокие требования к составу каждого компонента готовой смеси и к выполнению рецепта конечного продукта с требуемой точностью. Таким образом, разработка и исследование электротехнического комплекса автоматизированного весового дозирования сыпучих материалов с частотно-регулируемым электроприводом, обеспечивающим повышенную точность дозирования при максимальной производительности, является актуальной задачей и позволит обеспечить выполнение повышенных требований к технологическому процессу дозирования смесей компонентов продукта в сложных производственных условиях.

Цель работы автоматизации дозирующего оборудования

Обеспечение заданных точности и производительности автоматизированного электротехнического комплекса весового дозирования сыпучего материала путем применения эффективных алгоритмов управления частотно-регулируемым асинхронным электрическим приводом шнековых дозаторов.

Для достижения указанной цели решаются следующие задачи:

· анализ исполнительных устройств дозирования сыпучих материалов и способов управления частотно-регулируемым электрическим приводом шнекового дозатора;

· построение обобщенной математической и имитационной моделей электрического привода шнекового дозатора комплекса дозирования сыпучих материалов;

· имитационное моделирование и экспериментальные исследования разработанных алгоритмов управления электрическим приводом шнековых дозаторов;

· создание экспериментальной установки системы дозирования сыпучих материалов для практической проверки алгоритмов управления электрическим приводом.

Классификация устройств дозирования сыпучих материалов и способов дозирования

Современное развитие оборудования в сфере приготовления продукта ставит задачу организовать процесс производства с меньшим количеством единиц оборудования, меньшей протяженностью транспортных линий и, соответственно, снижение энергопотребления. Также обязательным условием является высокое качество выпускаемой продукции, эксплуатационная надежность оборудования при возрастающем уровне его автоматизации и обеспечение безопасности производства и комфортных условий труда для персонала.

Качество конечного продукта в первую очередь зависит от точности дозирования компонентов кормовых смесей. Сыпучие материалы очень трудно точно дозировать вручную, поэтому на производствах применяются различные типы дозаторов.

К настоящему времени разработано множество конструкций дозирующих устройств. Это связано с тем, что поток материала обладает широким диапазоном физико-механических и технологических характеристик; кроме того, к оборудованию часто предъявляются специфические требования в зависимости от особенностей процесса.

Классификацию типов дозаторов можно провести по трем признакам:

• по структуре работы цикла;
• конструктивным признакам;
• принципу работы.

По структуре рабочего цикла можно выделить дозаторы непрерывного действия и дозаторы дискретного действия.

Дозаторы весовые непрерывного действия (ВНД) предназначены для автоматического воспроизведения заданных значений массы дозируемых материалов в единицу времени (производительности), транспортируемых конвейером, поступающих из приемной формирующей воронки в технических потоках различных отраслей промышленности, сельского хозяйства и торговли.

Принцип действия дозатора основан на преобразовании деформации упругих элементов весоизмерительных тензорезисторных датчиков, возникающей под действием силы тяжести транспортируемого груза, в аналоговый электрический сигнал, изменяющийся пропорционально массе груза, а также на преобразовании линейной скорости транспортной ленты в пропорциональный ей частотный сигнал. Далее аналоговый электрический сигнал с весоизмерительных датчиков и датчика скорости поступает в весоизмерительный прибор. Значения производительности дозатора, скорости ленты и суммарной массы продукта индицируются на весоизмерительном приборе, на передней панели которого размещена клавиатура управления.

Дискретные дозирующие системы

Дискретные дозаторы подают материал равными порциями через заданные промежутки времени. В данном случае контролировать количество дозируемого материала можно путем регулирования количества порций в единицу времени или объема самой порции. Этот тип дозаторов является менее точным, но обладает такими преимуществами, как простота обслуживания и надежность при работе в тяжелых условиях.

В основном различаются три вида дозирования:

• объемное;
• весовое;
• массовое.

Объемные дозирующие системы

Устройства этого типа предназначены для работы с жидкими (иногда – газообразными) веществами. Данный тип дозаторов удобен в эксплуатации, долговечен и надежен, однако обладает недостаточной точностью измерений при работе с некоторыми видами продукции.

Весовые дозирующие системы

Оптимальное решение для дозирования сыпучих материалов с фракциями любых размеров, а также жидкостей. Популярность этих устройств объясняется их универсальностью, оптимальной точностью и большой производительностью. Тензометрические весоизмерительные устройства, оснащенные дозаторами этого типа, необычайно удобны в эксплуатации – процессы взвешивания и дозирования полностью автоматизированы, управление весами сводится к манипулированию устройством загрузки. Единственным недостатком весовых дозаторов является сравнительно низкая скорость их работы.

Массовые дозирующие системы

Эти дозаторы могут одинаково успешно применяться для работы с твердыми, сыпучими и вязкими веществами. Они находят себе применение в самых разных отраслях промышленности. Массовые дозаторы сочетают в себе надежность, точность измерений и относительно высокую скорость работы.

Классификация дозирующих устройств по конструктивным признакам является самой обширной. Наиболее существенной в этом случае является классификация по виду движения и типу рабочих органов дозировочных устройств.

Физико-механические свойства дозируемого материала

На классификацию дозирующего оборудования по конструктивным признакам большое влияние оказывают физико-механические свойства материала. В первую очередь это: размер частиц, насыпная плотность, текучесть, адгезия.

Средний размер частиц дозируемых материалов классифицируется следующим образом:

• кусковые (d > 10 мм);
• крупнозернистые (d = 2…10 мм);
• мелкозернистые (d = 0,5…2,0 мм);
• порошкообразные (d = 0,05…0,50 мм);
• пылевидные (d < 0,05 мм).

Для питателей, применяемых в процессе приготовлении продукции, характерна работа с кусковыми, крупнозернистыми, мелкозернистыми материалами. Также немаловажным фактором при выборе питателя является текучесть материала. Она зависит от гранулометрического состава, формы и размера частиц, коэффициента внутреннего трения, влажности. Текучесть дозируемых материалов определяет многие конструктивные особенности дозирующих устройств, Она влияет на продолжительность операции заполнения и опорожнения смесителей.

Следующий критерий, оказывающий влияние на классификацию дозаторов по конструктивному принципу, – это насыпная плотность. Данный параметр зависит от размера составляющего материалопотока частиц, их средней плотности, влажности, плотности укладки частиц в слое. Плотность не остается постоянной даже при покое сыпучего материала. Под влиянием вибраций стенок сосуда сыпучий материал со временем уплотняется, и его насыпная плотность достигает некоторого предельного значения. В процессе движения, перемещения, смешения, наоборот, происходит разрыхление материала. Насыпная плотность при этом уменьшается, приближаясь к предельному значению. По величине насыпной плотности различают сыпучие материалы: легкие (до 600 кг/м3), средние (600…1100 кг/м3), тяжелые (1100…2000 кг/м3), весьма тяжелые (более 2000 кг/м3). При дозировании кормовых смесей насыпная плотность соответствует значению для средних и легких сыпучих материалов.

Дозаторы без движущихся компонентов

К дозаторам данного типа относят гравитационные и пневматические питатели, служащие для фасовки легкосыпучего несводообразующего продукта: крупнозернистых, мелкозернистых материалов, семян, зерна, бакалеи, песка, сахара, пеллет, гранул, щебня, гальки, сухих смесей в мешки весом любого диапазона.

В частном случае пневматический дозатор содержит резервуар с верхней камерой, в нижней или донной части которой установлено псевдоожижающее устройство в форме псевдоожижающей стенки из «парусины», и с нижней камерой, которая соединяется через трубу с источником воздуха. Резервуар снабжен впускным отверстием для подачи порошкообразного материала из питающего танка или загрузочной воронки в верхнюю камеру и выпускным отверстием для разгрузки камеры. Между питающим танком и резервуаром образован, по меньшей мере один псевдоожижающий канал, снабженный псевдоожижающей стенкой или псевдоожижающей «парусиной», которая соединяется с источником подачи воздуха через трубу. Заполнение и опорожнение камеры осуществляется с помощью соленоидных клапанов, которые располагаются в трубе для резервуара и в трубе для канала, соответственно. Режим работы клапанов регулируется с помощью регулятора контроллера или процессора таким образом, чтобы воздух подавался в канал и резервуар в соответствии с предпочтительной программой относительно длительности и частоты.

Принцип действия пневматических дозаторов следующий: подача воздуха в канал и в резервуар перекрывается. Находящийся в питающем резервуаре порошкообразный материал свободно проходит в канал и заполняет его частично. После срабатывания соленоидного клапана воздух подается в камеру в канале. За счет этого материал псевдоожижается и течет в камеру в резервуаре. После заполнения камеры, как это и показано, течение материала прекращается, причем это верно и для случая, когда будет поддерживаться подача воздуха в канал.

После заполнения камеры и перекрытия соленоидного клапана срабатывает соленоидный клапан, чтобы обеспечить подачу воздуха в камеру в резервуаре. В этот момент, находящийся в камере материал будет псевдоожижаться, а сама камера опорожняться. Сразу же после опорожнения камеры соленоидный клапан выключается, и прекращается подача воздуха в камеру. К этому моменту завершен цикл заполнения/опорожнения, и можно начинать новый цикл.

Дозатор с поступательным движением

К данному типу дозаторов относят ленточные и пластинчатые питатели, работающие для подачи сухих дозируемых, молотых и кусковых материалов.

В общем случае данное оборудование представляет собой бесконечную транспортную ленту (цепь – в случае пластинчатого питателя), натянутую между двумя вращающимися барабанами. Подобные питатели позволяют организовать непрерывную подачу материала для нужд технологического процесса.

Питатель работает следующим образом: транспортирующая лента располагается под воронкой приемного бункера так, чтобы между конвейером и бункером оставался необходимый для прохода нужного количества материала зазор. Транспортная лента приводится в движение барабаном и ссыпает материал по лотку.

Производительность данного типа дозаторов регулируется путем изменения скорости вращения ведущего барабана или величины слоя, находящегося на транспортирующей ленте. Для формирования нужной высоты слоя дозируемого материала используется шиберная заслонка.

Дозатор с вращательным движением. Барабанные дозирующие системы

Барабанный дозатор с лопастной насадкой используется для порционной и непрерывной подачи порошкообразных материалов. При вращении барабана-накопителя материал захватывается лопастями, поднимается вверх и ссыпается в приемный лоток. За один оборот барабана с каждой лопасти ссыпается определенный объем материала. Число лопастей, конструкция крышки приемного лотка и его положение могут быть подобраны так, чтобы в лоток одновременно ссыпался материал только с одной лопасти (порционная подача) либо с двух (непрерывная подача).

Шнековые дозирующие системы

В общем случае подобные дозаторы представляют собой шнек, заключенный в кожух, и используются для подачи таких материалов, как порошки, зернистые материалы, которые не подвергаются измельчению.

Рабочий орган этого типа может располагаться вертикально, горизонтально или наклонно. На практике также встречаются дозаторы с несколькими шнеками. В целях поддержания однородности потока используются шнеки с переменным шагом, который уменьшается в сторону разгрузки. В тех случаях, когда существует вероятность опрессовывания материала во внутреннем пространстве дозатора, применяются шнеки с увеличением шага по направлению движения.

Принцип действия шнекового весового дозатора. Четырехшнековый питатель забирает сыпучий материал из бункера и направляет его в расходомер. Скорость вращения шнеков можно плавно изменять с помощью управляемого привода, который состоит из асинхронного мотор-редуктора и преобразователя частоты. Поток материала попадает в расходомер и скользит вниз по лотку, прикрепленному к тензодатчику. Электрический сигнал с тензодатчика, пропорциональный весу материала на лотке, поступает в микроконтроллер, вычисляющий производительность потока.

Измеренная производительность дозатора непрерывно сравнивается с заданной по рецепту, и при обнаружении различий через преобразователь частоты производится постоянная коррекция скорости вращения шнеков.

Обычно погрешность дозирования не превосходит 0,5 % от прошедшей через дозатор массы материала.

Дозаторы с вибрационным движением

К подобным дозаторам можно отнести лотковые, или, как их еще называют, качающиеся питатели, используемые в основном для дозирования кусковых материалов. В конструктивном отношении качающиеся питатели можно разделить на подвесные и кареточные.

Подвесные качающиеся дозаторы используются для подачи материала с насыпной плотностью до 1 т/м3. Кареточные качающиеся питатели служат для равномерной подачи различных материалов, включая крупнокусковые. Питатели работают по принципу поступательно-возвратных симметричных колебаний с прямолинейной траекторией.

Рассмотрим вибрационный дозатор, содержащий продольные балки, жестко соединенные между собой поперечинами, на которых установлены косынки, передние стойки и задние стойки, продольные уголки, перемычки, при помощи кронштейнов закрепленные на них рессоры, соединяющие поворотную раму с виброжелобом. В состав виброжелоба входят перемешивающие элементы, стержни и регулировочные пластины. На раму установлены бункеры-дозаторы, снабженные регулировочными механизмами подачи кормов. Составными частями дозатора являются также однофазный частотный преобразователь, вход которого соединен с сетью переменного тока, трехфазный линейный асинхронный двигатель. Вторичным элементом трехфазного линейного асинхронного двигателя является тяга, жестко связанная с виброжелобом и расположенная со стороны привода. Одна обмотка трехфазного линейного асинхронного двигателя соединена с сетью переменного тока, а две другие включены последовательно и соединены с выходом однофазного частотного преобразователя.

Вибрационный дозатор материалов работает следующим образом. Исходные сыпучие корма подаются через бункеры-дозаторы в виброжелоб. Виброжелоб снабжен перемешивающими элементами, стержнями и регулировочными пластинами. Виброжелоб приводится в движение трехфазным линейным асинхронным двигателем и тягой, жестко связанной с корпусом виброжелоба и являющейся вторичным элементом трехфазного линейного асинхронного двигателя. Под действием вибрации сыпучие корма перемещаются в виброжелобе к первому перемешивающему элементу, на котором благодаря коническим поверхностям происходит разрыхление и первичное смешивание. Далее частицы сыпучей массы, поступающие на конические поверхности на разных расстояниях от осей их оснований, которые параллельны продольным осям желоба, в результате соприкосновения с конусами отражаются с различными скоростями и в различных направлениях, что способствует интенсификации смешивания. После этого корм падает с зубчатой составляющей перемешивающего элемента на днище виброжелоба и перемещается по коническим поверхностям, но уже второго и последующего перемешивающих элементов. Перемешанная масса сходит с разгрузочного желоба.