За последние десятилетия был приобретен опыт успешного внедрения решений по обработке материалов на альтернативных видах топлива, таких как щепа для шин, мука животного происхождения или топливо, получаемое из отходов (RDF), в цементной и энергетической промышленности по всему миру. Одной из основных проблем, с которыми пришлось столкнуться в этот период, было и остается огромное разнообразие свойств материалов (например, относительная плотность, зернистость, влажность и т.д.), которые должны быть учтены всеми механизмами, поставляемыми в рамках комплексной установки дозирования альтернативного топлива. В частности, интеграция надежных и точных гравиметрических систем дозирования в линии транспортировки альтернативных видов топлива требует тщательного решения проблемы изменяющегося во времени материального благополучия.

В связи с этим в прошлом применялось несколько различных технологий дозирования сыпучих материалов, таких как ленточные дозаторы или дифференциальные дозаторы. Выбор конкретной технологии дозирования зависит главным образом от индивидуальных характеристик сыпучего материала и соответствующих технологических требований. На самом деле, существует здравый смысл в том, что различные типы систем дозирования требуют внедрения определенных платформ управления, которые часто являются запатентованными и закрытыми в том смысле, что их можно рассматривать только как “черные ящики” для автоматизации и обслуживающего персонала. Из прошлого опыта работы с установками для широкого спектра применений становится очевидным, что сотрудникам отделов технического обслуживания и автоматизации на предприятии требуется полное представление обо всех компонентах системы управления, как аппаратных, так и программных, чтобы гарантировать быстрое и компетентное реагирование в случае возможных неисправностей оборудования. дозирующее устройство.

Тем не менее, в большинстве случаев различные типы систем дозирования требуют внедрения особой архитектуры систем управления, которая часто соответствует философии проектирования закрытых запатентованных систем. Как правило, существует множество различных контроллеров дозирования и соответствующего им электрического оборудования.

В процессе разработки нового и отмеченного наградами трубчатого дозатора ODM WeighTUBE®, разработанного компанией Di Matteo, было очевидно, еще на этапе проектирования, что соответствующая философия управления должна быть в большей степени ориентирована на потребителя, чем обычные фирменные подходы “черного ящика”, применяемые в обычных контроллерах дозирования. По этой причине специалисты по автоматизации компании Di Matteo разработали комплексную модульную концепцию аппаратного и программного обеспечения для реализации гравиметрических контроллеров дозирования — системы управления ODM-GravitAS. Эта концепция реализует модульный аппаратный подход, основанный только на готовых продуктах от широко известных поставщиков средств автоматизации. Кроме того, программная реализация основана на общепринятых открытых стандартах для языков программирования ПЛК, таких как IEC 61131-3, или наборах стандартных языков для квазипромышленных ПЛК (например, STEP7 от Siemens).

Изначально ODM-GravitAS был разработан для использования с революционной системой подачи в виде весовой трубки ODM-WeighTUBE® (см. также [1]), но с тех пор был расширен для использования со всеми другими дозирующими устройствами от Di Matteo (например, ленточными весами ODM-GraviSCALE). Как показано на рисунке 1, система GravitAS в настоящее время доступна для различных типов дозирующих и подающих машин, так что единая философия управления дозированием подходит для всех возможных применений и установок. За счет этого могут быть компенсированы некоторые типичные недостатки широко используемых в настоящее время систем замкнутого управления, что обеспечивает огромный потенциал с точки зрения экономической эффективности во время циклов технического обслуживания и общей эксплуатации дозирующих устройств.

Основой для классификации различных дозирующих устройств для сыпучих материалов является предварительное определение соответствующих требований и ожидаемых показателей эффективности. Для этого целесообразно сосредоточиться на следующих трех основных характеристиках: i. Точность  Точность системы дозирования или взвешивания — это степень приближения результатов измерений некоторого количества (например, массового расхода) к истинному значению этого количества (см. [2]). ii. Стабильность  Стабильность устройства дозирования сыпучих материалов обычно определяется как интервал времени, в течение которого точность измерений, связанных с системой, может быть гарантирована без какого-либо ручного вмешательства. iii. Доступность  Доступность дозирующего устройства может быть определена как типичное соотношение между временем, в течение которого система находится в рабочем состоянии, и общим временем работы за определенный период времени (см. [3]). Все три свойства системы дозирования должны быть определены в следующих подразделах, чтобы обеспечить четкое понимание важности каждого требования.

Точность, скрупулезность и достоверность дозирования

Одним из основных аспектов, который кажется совершенно очевидным, когда речь заходит о системе дозирования сыпучих материалов, является определение термина «точность». В большинстве случаев этот термин просто понимается как определяемый с учетом истинного значения измеряемого объекта (например, массового расхода) xr и соответствующего измеренного значения xm. Поэтому в большинстве случаев для измерения производительности системы дозирования используется относительная погрешность в соответствии со следующим определением.

Со статистической точки зрения, 68% всех значений находятся в пределах стандартного отклонения от среднего, 95% — в пределах двух стандартных отклонений от среднего и 99,7% находятся в интервале около трех стандартных отклонений от среднего. Принимая это во внимание, теперь можно довольно просто определить термины «точность» и «правдивость», проведя мысленный эксперимент. Здесь мы рассмотрим установку, в которой три человека будут метать дротики в типичную мишень. У каждого метателя есть по три дротика, и он должен стремиться попасть в середину мишени, в яблочко, во время всех своих попыток. На рисунке 3 – (а) разными цветами показаны результаты для всех трех участников. В рамках этого мысленного эксперимента каждый метатель представляет собой систему взвешивания или дозирования, «яблочко» — это истинное значение интересующего объекта (массовый поток), а каждый дротик — это одно измеренное значение, представленное системой дозирования. Как видно, метатель с красными дротиками (мишень справа внизу) не смог попасть в яблочко ни разу. Итак, если бы кто-нибудь дал оценку этой системе дозирования, можно было бы сказать, что точность измеренных значений довольно низкая, поскольку все значения находятся на значительном расстоянии от середины мишени.

Это отличает участника от «синих дротиков», который смог каким-то образом поместить все свои удары примерно в центр мишени и даже один раз попал прямо в нее, однако его точность не соответствует точности «красных дротиков», поскольку каждый отдельный бросок попадает в мишень в совершенно другом месте. Такая система дозирования была бы более точной, но в целом ее производительность по меньшей мере такая же неудовлетворительная, как и у предыдущей, поскольку ее точность действительно оставляет желать лучшего. Таким образом, теперь очевидно, что если требуется точная система дозирования, то необходимо гарантировать и правильность, и точность в одно и то же время, как это было показано в мысленном эксперименте участником с зелеными стрелками.

Стабильность и неизменность во времени при дозировании

В практическом применении даже самая точная система дозирования была бы бесполезна, если бы ее производительность не была стабильной в течение длительного периода времени. Поскольку все системы в цементной промышленности, как правило, используются в режиме 24/7, одним из важных аспектов оценки системы дозирования является то, что показатели точности системы на самом деле стабильны с течением времени. Технически это означает, что система должна работать независимо от времени в соответствии с проведенными измерениями. Одной из типичных проблем классических измерительных систем, таких как ленточные дозаторы, является их склонность к существенному отклонению, что автоматически приводит к необходимости еженедельной или ежемесячной автономной повторной калибровки, чтобы гарантировать, что границы погрешности не будут нарушены. Однако такая ручная калибровка отнимает много времени и, следовательно, является дорогостоящей, поскольку снижает доступность дозирующего устройства, как описано в следующем разделе.

Доступность систем дозирования

Даже самая совершенная техническая система будет бесполезна, если ею нельзя будет надежно управлять. Поэтому при выборе дозирующего оборудования чрезвычайно важно учитывать его доступность. Этот показатель не учитывает время простоя по административным, логистическим причинам или по причинам профилактического обслуживания и, следовательно, является хорошим показателем для оценки общей надежности систем. Таким образом, можно сделать вывод, что доступность может быть повышена либо за счет увеличения наработки на отказ, либо за счет уменьшения срока годности. В то время как наработка на отказ зависит главным образом от адекватных инженерных решений (например, использование износостойких материалов или высококачественных технических средств) и разумные действия по предварительному обслуживанию, на величину MTTR влияют более сложные факторы, такие как обучение обслуживающего персонала, доступность различных компонентов системы или удобство использования компонентов программного обеспечения. Таким образом, на данном этапе установлены основные требования к созданию точных, стабильных и доступных систем дозирования. Далее в качестве наглядного примера гравиметрического дозирующего устройства приводится новая модель ODM-WeighTUBE®.

Инновационный трубчатый дозатор для взвешивания

Первоначальной основой для разработки системы управления ODM-GravitAS стало внедрение инновационной платформы ODM-WeighTUBE® в 2010 году. Несмотря на то, что первые установки новой системы дозирования были в основном ориентированы на производство проблемных сыпучих материалов, таких как топливо, получаемое из отходов (RDF), измельченные шины или полиэтиленовый гранулят, на самом деле около 50 установок ODM-WeighTUBE® успешно внедрены по всему миру и используются также для более традиционных систем дозирования. сыпучие материалы, такие как сырая мука, летучая зола, железная сердцевина или клинкер. Это можно расценивать как большой успех, особенно для такой относительно консервативной отрасли промышленности, как цементная промышленность.

Ключом к успеху является инновационная механическая концепция, основанная на одновальном комплексном шнековом питателе, который используется как для фактического дозирования из загрузочного бункера, так и для измерения фактического массового расхода.

Загрузочный бункер выполняет функцию буфера для материала во время обычной операции дозирования. В связи с особыми требованиями, предъявляемыми к проблемным сыпучим материалам (например, альтернативному топливу), бункер может быть оснащен мешалкой, а геометрия буфера хорошо подходит для предотвращения недопустимого уплотнения сжимаемых материалов, таких как пух. В нормальном режиме работы количество материала в загрузочном бункере непрерывно измеряется с помощью набора из трех тензометрических датчиков (показаны синим цветом на рисунке 5). Этот вес используется в системе управления GravitAS для выполнения двух основных функций: (i) непрерывного регулирования скорости всех устройств предварительной подачи для достижения постоянного уровня заполнения буфера и (ii) адаптивной процедуры онлайн-калибровки. Непрерывный регулятор уровня заполнения загрузочного бункера является основным компонентом для стабильного режима дозирования, поскольку он гарантирует равномерную разгрузку и равномерную загрузку шнека. По этой причине система управления GravitAS непрерывно вычисляет уставки скорости для устройств предварительной подачи на основе полученного веса загрузочного бункера.

Во время процесса дозирования шнек непрерывно выгружает материал из загрузочного бункера через секцию дозирования, которая расположена между буфером и собственно секцией дозирования. Трубчатая дозирующая секция, от которой и произошло название WeighTUBE®, фактически является дозатором веса, поскольку она установлена на наборе тензодатчиков (обозначены красными рамками на рисунке 5), которые используются для непрерывного высокоточного измерения общего веса материала в этой секции. Следует отметить, что дозирующая секция сконструирована таким образом, что ее площадь поперечного сечения больше, чем у дозирующей секции, чтобы предотвратить застревание сыпучего материала между дозирующей секцией и валом шнекового транспортера. Это важно для обеспечения максимальной точности процесса дозирования, поскольку необходимо гарантировать, что весь материал, находящийся в трубке, будет загружен правильно. По этой причине секция дозирования также полностью отделена от выпускного отверстия и секции дозирования с помощью компенсаторов.

Адаптивность как ключ к точному дозированию

Помимо инновационной механической концепции серии ODM-WeighTUBE® RWS, компания ODM разработала новую концепцию, которая способна решить типичные практические проблемы, связанные с дозированием RDF, такие как ограниченная сыпучесть или различные свойства материала (например, насыпная плотность и влажность). Кроме того, было очевидно, что многие существующие на рынке дозаторы для взвешивания поставляются с запатентованной архитектурой контроллера и аппаратным обеспечением, что обычно ограничивает степень свободы при интеграции дозатора в существующую систему автоматизации.

Таким образом, разработка системы управления ODM-GravitAS для ODM-WeighTUBE® была продиктована целью создания высокоточного и надежного контроллера дозирования, который может быть реализован на открытой и высокомодульной платформе электрической автоматизации. Схема, показывающая взаимосвязь между механической платформой ODM-WeighTUBE® и системой управления ODM-GravitAS, представлена на рисунке 6. Контроллер непрерывного дозирования системы управления GravitAS отвечает за адаптацию скорости вращения шнека в зависимости от фактического веса трубки. Здесь обратная зависимость между измеренным весом и фактической скоростью вращения шнека приводит к непрерывному, стабильному и постоянному массовому расходу. Сам контроллер основан на классической дискретной структуре ПИД-регулирования, но содержит определенные интерфейсы для дополнительной процедуры онлайн-калибровки, которая отвечает за непрерывную автоматическую настройку параметров контроллера.

Внедренный наблюдатель за процессом рассчитывает на основе реальных параметров процесса текущее значение массового расхода, которое является основой для корректировки скорости вращения шнека. Как уже говорилось выше, все существующие методики дозирования сильно зависят от свойств материалов, используемых в альтернативных видах топлива. На практике это приводит к существенному снижению точности дозирования с течением времени. Таким образом, классические дозаторы, такие как ленточные дозаторы, нуждаются в регулярной повторной калибровке (например, один раз в месяц), чтобы гарантировать долгосрочную стабильность процесса подачи.

Эту повторную калибровку необходимо выполнять вручную специалистам сервисной службы, поскольку это трудоемкий процесс, во время которого машина должна оставаться в автономном режиме. В отличие от этого, система управления ODM-GravitAS реализует процедуру автоматической калибровки, которая дает возможность оценить свойства дозируемого сыпучего материала и автоматически адаптировать параметры контроллера таким образом, чтобы точность дозирования оставалась стабильной с течением времени. Выполнение процедуры автоматической калибровки не влияет на фактический ход технологического процесса, что позволяет увеличить время работы станка.

Во время процедуры автоматической калибровки промежуточный буферный бункер ODM-WeighTUBE на первом этапе эксплуатации заполняется до определенного максимума. На втором этапе буферный бункер опорожняется при обычном режиме дозирования (и параллельной остановке подачи материала в буферный бункер) до заданного минимального веса буфера. Исходя из результирующей разницы в массе ( ) и соответствующего времени истечения срока годности (), автоматически корректируются фактические управляющие параметры контроллера непрерывного дозирования.

Чтобы избежать возможных нежелательных воздействий, все параметры контроллера проверяются на достоверность на основе вероятностного анализа предыдущих циклов калибровки, прежде чем они станут активными в системе. Типичный процесс калибровки, состоящий из трех этапов, показан на следующем рисунке, где показан фактический вес буферной установки [кг] с течением времени. Уменьшение массы буфера на втором этапе процесса калибровки происходит почти по точной линейной схеме, что может быть истолковано как проявление высокой производительности устройства по материалу. Возможное отклонение между фактическим и желаемым массовым расходом на этом этапе оценивается для вероятностной адаптации параметра контроллера.

Возможность непрерывной автоматической настройки контроллера на лету в зависимости от заданных свойств материала является очень важным элементом для долговременной стабильности и точности гравиметрического дозирования. В частности, если учесть ухудшающееся качество альтернативных видов топлива, получаемых из промышленных отходов (см. [7]). Сочетание платформы ODM-WeighTUBE® с системой управления GravitAS обеспечивает высокую точность дозирования.

Специально разработанный открытый контроллер

Система управления GravitAS основана на модульной и открытой концепции, которая позволяет интеграторам и пользователям ODM-WeighTUBE® получить именно ту систему, которую они хотят. Вместо использования закрытой и запатентованной системы все электрические компоненты могут быть выбраны в соответствии со стандартами и потребностями каждого отдельного предприятия. На рисунке 9 представлен обзор различных модулей системы управления GravitAS (четыре обязательных модуля (зеленый) и два дополнительных элемента (серый)).

Основным элементом является графический процессор GravitAS, который является центральным процессором и реализует все программные процедуры используемого алгоритма управления. ODM предлагает широкий выбор стандартных систем ПЛК, которые могут быть выбраны в качестве основной платформы (Siemens S7®, Schneider Modicon®, Allen-Bradley Logix®, Beckhoff TwinCAT® и т.д.). Благодаря этому интеграция в структуру автоматизации предприятия очень проста и экономична, а также последующее техническое обслуживание а устранение неполадок может быть выполнено персоналом завода без каких-либо дополнительных дорогостоящих тренингов и/или необходимости приобретения нового программного обеспечения. Аналогичным образом, производитель и тип преобразователя частоты screws (как элемента GravitAS VSSD) могут быть выбраны произвольно. Другими обязательными элементами являются весы (GravitAS GMS) и человеко-машинный интерфейс на основе сенсорной панели (GravitAS HMI).

В качестве дополнительных модулей GravitAS CON содержит все необходимые элементы для обмена сигналами по полевой шине (например, Profibus, EtherCAT, DeviceNet и т.д.), в то время как GravitAS RA обеспечивает удаленный доступ и техническое обслуживание на основе GSM или Ethernet. Все эти элементы объединены в электрическом шкафу, который разрабатывается индивидуально для каждого нового клиента. Вся система (ODM-WeighTUBE® и шкаф управления GravitAS) полностью собрана, протестирована и прошла процедуру контроля качества, прежде чем различные компоненты будут доставлены на место их последующей эксплуатации.

Вывод

Философия полностью модульного и открытого управления ODM-GravitAS позволяет создавать индивидуальные системы управления, которые способны удовлетворить все требования каждого отдельного предприятия. Концепция аппаратного и программного обеспечения была разработана таким образом, чтобы ее можно было использовать с различными дозирующими устройствами, такими как трубчатый дозатор ODM-WeighTUBE®, ленточный весовой дозатор ODM-GraviSCALE или даже с системами дифференциального дозирования.

Таким образом, существует возможность реализовать единую архитектуру для всех гравиметрических устройств подачи, где алгоритмы реализуются с использованием стандартизированных языков программирования ПЛК, таких как Siemens STEP7 или IEC61131-3. Также возможно объединить необходимые алгоритмы для управления несколькими дозирующими устройствами в одном ПЛК или даже в рамках существующей системы ПЛК. Это гарантирует экономичную ежедневную эксплуатацию оборудования и минимизацию времени простоя машины, например, на этапах технического обслуживания. Кроме того, можно также использовать общий буфер для нескольких линий дозирования. Это устройство ODM-MultiTUBE показано на следующем рисунке (рис. 10), где две дозирующие системы установлены под общим буфером. Непрерывная выгрузка из буфера обеспечивается с помощью системы ODM-RotoEX.

Кроме того, система ODM-GravitAS для новой серии ODM-WeighTUBE® RWS включает в себя инновационный вероятностный алгоритм онлайн-калибровки «на лету», который обеспечивает возможность точного и стабильного дозирования сыпучих материалов в течение длительного времени. Новая концепция адаптивного гравиметрического контроллера показала, что он способен превзойти классические методы дозирования, в частности, для проблемных сыпучих материалов с изменяющимися со временем свойствами, таких как все виды твердого альтернативного топлива (например, RDF, SRF, муниципальные отходы, биомасса, корма для животных или сухой ил).

Совсем недавно система была успешно внедрена для дозирования сыпучих материалов с более стабильными характеристиками, таких как чугун, шлак, цемент и т.д. в цементной промышленности. Компания DI MATTEO также предлагает специальную услугу, с помощью которой потенциальные клиенты могут самостоятельно протестировать сыпучий материал на испытательном стенде ODM, как показано на рисунке 11, чтобы на ранней стадии проекта гарантировать, что выбранная технология дозирования (например, ODM-WeighTUBE® или ODM-GraviSCALE) обеспечивает оптимальное дозирование. точность и надежность.