Проектирование систем дозирования с учетом инженерных требований и проектирования на основе системного подхода является актуальным и важным вопросом для различных отраслей промышленности. Поэтапное моделирование таких систем является одним из основных вопросов в процессе проектирования. Целью работы является разработка комплекса для имитационного моделирования систем объемного дозирования жидкостей.

Реализация поставленной цели основана на сочетании фундаментальной и вычислительной схем функционирования систем дозирования; математические модели, учитывающие динамические взаимосвязи их элементов в различных режимах работы, и программное обеспечение для исследования этих моделей. Приведена структура комплекса. С помощью диаграмм показано взаимодействие элементов измерительной системы и представлены соответствующие математические зависимости. В качестве примера описаны динамические явления процессов дозирования для гидравлического и механического привода исполнительного органа дозирующей системы.

Разработан алгоритм расчета динамических характеристик систем дозирования, на основе которого разработано предлагаемое программное обеспечение для математического моделирования в среде Matlab с использованием интегрированных численных алгоритмов решения систем дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутты 4-го и 5-го порядка.

Приведены некоторые результаты расчетов динамических характеристик процесса дозирования для корпусов гидравлических и кулачкового привода исполнительного органа дозатора. Приведена графическая иллюстрация полученных результатов и сравнение динамических характеристик систем дозирования для различных типов приводов, позволяющее оценить их и выбрать ту или иную конструкцию в соответствии с заданными требованиями. Система для имитационного моделирования позволяет реализовать направленное исследование динамики систем дозирования с доступом к решению задач оптимального проектирования и синтеза.

Вступление

Системы дозирования обеспечивают точное дозирование тех или иных продуктов для выполнения определенных технологических процессов за счет изменения параметров и характеристик этих систем. Роль систем дозирования в современном производстве резко возросла. Наибольшее распространение и практическое применение они получили в химической, нефтеперерабатывающей, машиностроительной, авиационной, медицинской и других отраслях промышленности. Ряд компаний занимается производством дозирующих насосов, что подтверждает актуальность таких устройств при выполнении различных технологических процессов (Свешников, 2001).

Среди таких систем важное значение имеют системы объемного дозирования жидкостей (Соколов, 1987), синтез которых является сложной инженерной задачей, требующей учета множества и взаимосвязи технологических, конструктивных и эргономических требований (Схиртладзе, 2003). Выбор рациональных или оптимальных параметров элементов дозирующих насосов, отвечающих вышеуказанным требованиям, является одним из важнейших этапов их синтеза (Григорьев, 2011) и может быть реализован с помощью комплексного моделирования. С помощью таких комплексов представляется возможным, не прибегая к дорогостоящим экспериментам на реальном объекте, решать задачи проектирования сложных систем, анализа и оценки процессов их функционирования путем постановки имитационных экспериментов на компьютере (Стригалев, 2008).

Это позволяет учитывать на этапе проектных расчетов конструктивные особенности объекта, конструктивные решения и обеспечивает углубленное изучение поведения моделируемой системы в целом по отношению ко всем ее элементам (Law, 2000). Кроме того, на основе имитационных экспериментов в процессе расчета могут быть уточнены параметры и конструктивные особенности объекта в соответствии с реализуемыми технологическими процессами.

В проведенной работе представлена конструктивная схема и математическая модель систем дозирования, учитывающие взаимосвязь всех их элементов в целом (Ханов, 2012), которые отличаются от известных исследований ряда авторов, рассматривающих свойства отдельных элементов конструкции снаружи с учетом их динамичные отношения. Мы вывели математические модели (Ханов, 2013), которые учитывают различные типы приводов исполнительных органов дозаторов и имеют нелинейную и переменную структуру.

Возникла необходимость в использовании при моделировании процессов численных методов расчета (Roache, 1998). Такие методы расчета реализуются на основе универсальных методов и программ (Anderson, 2011). Использование комплекса имитационного моделирования обеспечивает максимально подробное описание процессов дозирования с учетом характеристик каждого элемента, их взаимосвязей и гибких расчетов управляемости.

Методология

Объектом исследования и моделирования являются дозаторы жидких реагентов с гидравлическими или механическими приводными элементами, которые динамически взаимосвязаны. Для реализации процесса моделирования существует комплекс для имитационного моделирования, представляющий собой комбинацию структурных, функциональных и конструктивных схем, математических моделей и программного обеспечения для исследования динамики систем дозирования.

Структурно-функциональная и конструктивная схема систем дозирования

На начальном этапе исследований и синтеза рецептур дозирующих систем формируется их структурно-функциональная схема на основе обобщенной классификации (Ханов, 2012). При этом учитываются конструктивно-технологические требования и устанавливается ряд основных критериев работы дозирующих систем, таких как точность дозирования, скорость, количество вводимой дозы, производительность, цикл, надежность, долговечность и т.д.

Следует отметить, что возможно введение комплексного интегрального критерия, состоящего из комбинации отдельных критериев с их весами в соответствии со степенью значимости. Таким образом, формализуются структурно-функциональные взаимосвязи и учитывается взаимосвязь всех элементов системы в целом. В качестве примера на рисунке 1 показан один из более крупных вариантов структурно-функциональной схемы с приводным двигателем всей конструкции системы дозирования.

Питание от источника питания подается на электродвигатель и систему управления. Электродвигатель передает движение приводному механизму, который преобразует вращение ротора электродвигателя в требуемое движение исполнительного органа дозатора. Исполнительный орган осуществляет подачу подаваемого материала через дозатор потребителю. Обратная связь контроллера с элементами системы дозирования обеспечивается с помощью измерительного устройства и других элементов системы управления.

Отдельные элементы такой схемы в процессе синтеза могут быть уточнены, в частности, приводной узел исполнительного органа дозатора передаточного механизма, роль которого могут выполнять различные гидравлические, пневматические или механические устройства, наиболее часто используемые при проектировании систем дозирования. Это иллюстрирует функциональная структура дозирующей системы с гидравлическим приводом исполнительного органа, представленная на рисунке. Гидравлический привод может быть реализован, например, на базе центробежного или шестеренчатого насоса.

Во время работы насос создает поток рабочей жидкости, поступающий в камеру цилиндра высокого давления. За счет повышения давления рабочей жидкости в полости высокого давления происходит преодоление сил сопротивления, действующих на поршень (плунжер), что обеспечивает его поступательное движение. В камере дозатора происходит повышение давления жидкости с последующим открытием клапана на выходе к потребителю. После выпуска реагента давление в камере дозатора выравнивается, клапан закрывается.

Обратный ход осуществляется путем отключения электронасоса, чтобы выровнять давление в нагнетательной камере цилиндра. Под действием силы упругости пружины поршень-плунжер возвращается в исходное положение. За счет поступательного давления из емкости с реагентом клапан открывается, и камера дозатора заполняется новой порцией реагента. На рисунке показана, в качестве примера, расчетная схема системы дозирования с кулачковым приводом исполнительного органа дозатора. Использование кулачкового привода позволяет за счет соответствующей формы профиля кулачка формировать необходимый закон движения исполнительного органа дозатора, обеспечивая плавную работу, фиксированную продолжительность холостого хода и рабочих ходов и желаемую стабильность потока дозируемого вещества.

Вращение ротора двигателя через зубчатый механизм (если таковой имеется) передается на кулачковый вал. Профиль кулачка обеспечивает заданный закон возвратно-поступательного движения штока-толкателя. На этапе удаления из-за низкой сжимаемости жидкости в камере дозатора происходит значительное повышение давления. Из-за перепада давления между потребителем и камерой дозирующего устройства происходит открытие клапана и последующее дозирование. Далее происходит выравнивание давления и закрытие клапана. На этапе сближения происходит заполнение камеры дозатора из расходного бака, расположенного на определенной высоте.

Обобщенная математическая модель и программные особенности объемного дозирования

Математические модели систем объемного дозирования жидкостей основаны на принципе составной модели со следующими основными гипотезами и допущениями (Broecke, 2008): рабочая и дозируемая жидкости являются сжимаемыми, а стенки цилиндра и сам цилиндр дозатора — податливыми; поршень гидроцилиндра и плунжер дозатор образует жесткое целое, система работает в масляной ванне без гидравлических потерь между участками, разделенными поршнем и плунжером; учитываются все механические характеристики двигателя всего объекта.

Результаты

Программное обеспечение с интуитивно понятным интерфейсом реализовано на основе разработанного алгоритма расчета основных динамических характеристик процесса дозирования. Расчеты в процессе численного эксперимента формируются в виде удобных таблиц входных данных, а результаты математического моделирования представляются в виде таблиц, графиков и анимаций, позволяющих оценить динамические явления.

Для ускорения процесса вычислений используются пакет расширения MATLAB Parallel Computing Toolbox и сервер распределенных вычислений, содержащий компонент распределенных параллельных вычислений, благодаря которому скорость вычислений увеличивается за счет использования вычислительной мощности одного компьютера (с использованием всех процессоров) и/или нескольких компьютеров в вычислительном кластере. Наряду с распараллеливанием для повышения производительности программной системы предусмотрен выбор метода решения интегральных уравнений, что влияет на точность и скорость сходимости. Эта функция используется для ускорения приблизительных вычислений, а затем для получения более точных результатов используется высокоточный метод решения.

Вывод

По результатам, представленным в статье, можно сделать следующие выводы.

1) Разработан комплекс для имитационного моделирования динамики систем дозирования, состоящий из взаимосвязанных, взаимодополняющих частей и обеспечивающий системный подход к исследованию и проектированию дозатора.

2) Функциональная и конструктивная схема системы позволяют создать обобщенную математическую модель систем дозирования, отвечающих конструктивным и технологическим требованиям к различным типам привода исполнительного органа дозатора.

3) Программное обеспечение в процессе проведения численного эксперимента в автоматическом режиме позволяет проводить количественную оценку процесса дозирования, а также оценку пригодности конструкции дозатора.

4) Программное обеспечение комплекса имеет инструмент исследования пространственных факторов с сохранением полученных графических результатов и формированием файла отчета, ранжированием значений факторов, что позволяет на основе этих результатов оценивать влияние параметров и проводить целенаправленный поиск их рациональных или оптимальных значений.

5) Получен эффективный инструмент для выполнения ориентированного математического моделирования динамических процессов при исследовании и синтезе систем дозирования.

Применение данного комплекса возможно для систем объемного дозирования жидких добавок. В соответствии с предыдущей гипотезой поставлена задача практической реализации полученных результатов в виде реальных проектных решений и отдельных конструкций. На основе представленных результатов в дальнейшей работе планируется осуществить оптимальное проектирование и конструктивно-технологический синтез раздаточных систем, удовлетворяющих предъявляемым эксплуатационным требованиям. Полученные результаты воплощаются в виде конкретной конструкции дозаторов и многофункциональных стендов для их испытаний.