Среди предприятий, которые связаны с задачами автоматизации процессов дозирования жидких продуктов, особое место занимает производство упаковки. Это обусловлено развитием упаковочной отрасли. Создан ряд малых и средних предприятий, занимающихся производством и упаковкой жидких продуктов. В связи с этим становится крайне актуальной задача проектирования недорогого и компактного дозирующего и упаковочного оборудования, способного заменить импортную технику с учетом специфических условий работы для малого бизнеса. В качестве примеров можно привести производство пищевой экопродукции, автокосметики, парфюмерии и фармацевтики, лакокрасочных материалов, эфирных и жирных масел с биологически активными добавками и многих других.

К системам дозирования и упаковочным модулям жидких продуктов в тару в условиях малого бизнеса предъявляются особые требования. Например, высокая эксплуатационная надежность, широкий диапазон и высокая точность дозирования в сочетании с возможностью оперативной перенастройки оборудования на различные типы жидкостей и диапазоны дозирования. Дополнительно следует учитывать возможность плавной регулировки дозы в широких пределах; возможность оперативной промывки или замены продуктопровода; возможность монтажа дозирующего устройства на конвейерной линии; построение многоканальных дозирующих систем. Важным требованием является отсутствие каплеобразования между операциями; компактность, простота и безопасность обслуживания; пожаробезопасность и т. д.

Задача автоматизации этих операций дозирования усложняется, если необходимо реализовать систему автоматического регулирования параметров технологического процесса в безклапанных модулях в упаковочной части [1‒3]. Для решения вопросов, связанных с расфасовкой жидких продуктов в тару, наибольшее распространение получили дозирующие устройства объемно-поршневого типа с измерительными камерами переменного объема и с клапанно-поршневыми приводами, управляемыми пропорционально. Кроме того, иногда встречаются дорогостоящие весовые дозирующие устройства зарубежного производства. Однако эти и другие известные дозирующие устройства не в полной мере отвечают вышеперечисленным требованиям и имеют ряд принципиальных недостатков, которые сужают сферу их применения малыми предприятиями. Поэтому создание надежного, недорогого и компактного оборудования для фасовки жидких продуктов малыми предприятиями является безусловной первоочередной задачей.

Обзор литературы и постановка задачи дозирования

Многие технологические процессы в пищевой, химической, текстильной, парфюмерной и многих других отраслях промышленности включают операции дозированной подачи жидких продуктов. В работе [1] исследуются потери продукта, которые устанавливаются технологическим регламентом. Представленная авторами цитируемой работы система управления процессом обычно содержит только замкнутые контуры для автоматизированной регулировки основных параметров. Нерешенными остаются вопросы проектирования и внедрения эрлифтных мехатронных систем дозирования с контурами слежения за двумя и более технологическими параметрами.

Критический анализ прецизионных систем дозирования жидких пищевых продуктов на основе электропневматических систем осложняется отсутствием готовых промышленных исполнительных модулей, в частности, дозирующих устройств [2], для диапазонов малых доз. Это могут быть трудности отслеживания и снижения энергозатрат в гидравлических и регулирующих конструкциях с малыми диаметрами проходных сечений и управляющих элементов. Вариантом расширенного анализа задачи автоматизации технологических процессов эрлифтного дозирования являются конструкции сервопневматических клапанов, описанные в [3].

Объект управления имеет инерционное запаздывание и параметрическую нестационарность – это усложняет приведенное выше описание. Это прослеживается в изменчивости его динамических параметров по времени дозирования в мехатронном модуле. Вариантом преодоления соответствующих трудностей могут служить результаты, представленные в [4]. В этом случае качественная организация процессов дозирования возможна только при использовании замкнутых систем автоматического управления с возможностью перенастройки реализации различных законов регулирования по технологическим параметрам. Для такого объекта, как указано в работе [5], помимо средств автоматического управления и корректировки основных параметров система управления должна содержать контуры контроля и регулирования с элементами пропорционального управления.

Решение таких задач требует разработки универсальных систем автоматического дозирования, конструктивно и функционально адаптированных для выполнения операций как порционного, так и непрерывного дозирования [6]. Примерами таких решений являются промышленные системы очистки сточных вод, содержащие контуры дозированной подачи химических реагентов [7]. Решение сложных задач, связанных с образованием многокомпонентных эмульсий, как отмечают авторы цитируемой работы, является актуальным направлением в развитии синергетики систем водоподготовки и проектирования систем прецизионного дозирования.

К недостаткам, выявленным в цитируемых работах [4–7], следует отнести сложность конструкций дозирующих и регулирующих узлов, содержащих большое количество механических подвижных частей, что приводит к существенному снижению эксплуатационной надежности оборудования. Важным недостатком является сравнительная узость обеспечиваемых диапазонов дозирования и непригодность однотипного оборудования для дозирования сред с различными физико-химическими свойствами. На конструкции дозаторов сказывается также их узкая функциональность, выражающаяся в отсутствии в ряде конструкций средств дистанционного управления оперативной перенастройки и корректировки их выходных параметров.

Приведены результаты управления созданием суспензий с использованием систем дозирования с элементами электропневматики, показавшие возможность использования схем управления без обратной связи. Однако вопросы точности дозирования оставались неопределенными. Результаты рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и сканирующей туннельной микроскопии позволяют анализировать только состав полученного продукта.

Несмотря на то, что представленные авторами цитируемой работы данные позволили отделить содержание чистой воды от влияния примесей, окончательные рекомендации по структуре дозирования не даны. Вариантом преодоления соответствующих трудностей может быть результат исследования. В цитируемой работе подробно описана методика разработки электропривода дозирующего устройства с соответствующей нагрузкой и освещен вопрос быстродействующего ПИД-регулирования. Однако приведенная схема не может быть широко использована в системах управления производственно-технологическими системами дозирования.

Множество используемых структур элементов управления, запорных трубопроводов и систем согласования их управления усложняет процесс внедрения дозирующих устройств и их последующую настройку с помощью контроллера. Именно поэтому предложенный способ частичного размещения элементов трубопроводной арматуры по всей длине продуктопровода используется значительно чаще. Однако определение функциональной параметризации набора стабилизирующих регуляторов, обеспечивающих отслеживание технологических регламентов процесса дозирования, является достаточно сложным процессом при внедрении оборудования.

Использование эмпирических процедур, предлагаемых авторами цитируемой работы, не может обеспечить обоснованный расчет функциональных дозирующих модулей, в том числе при изменении характеристик потока жидкости за счет фиксации различных режимов работы. Остаются нерешенными вопросы, связанные с аналитическим описанием процессов эрлифтного дозирования, в частности при подаче продуктов по соединительным каналам и продавливании через различные сечения сопел.

Описанные вопросы позволяют утверждать, что физическое моделирование [11] позволяет решать сложные задачи такого типа. Эвристические средства моделирования систем управления, в том числе электропневматических, о которых сообщается в [12], сочетаются с более традиционными подходами. Например, описано, как статистический анализ помогает решать сложнейшие задачи синтеза системы управления с обратной связью. Однако разработка подобных методов построения технической системы с помощью этих инструментов имеет как преимущества, например, сокращение времени проектирования оборудования, так и недостатки (время, затрачиваемое на статистическую обработку большого массива данных).

Один из примеров решения задачи обработки данных приведен в работе [13], где изложены практические и аналитические исследования по разработке методики формальной оценки и проектирования мехатронных систем; результаты исследований подробно изложены. Разработана и описана процедура проектирования гидравлических мехатронных систем с элементами прецизионных систем, позволяющая строить более точные технические модули с заданными исходными характеристиками.

Авторами [14] подробно описаны условия синтеза компоновок упаковочной машины на основе критериальной оценки отдельных функциональных мехатронных модулей. Уделено внимание их объединению в две основные группы оценок. Приведены результаты проведенного математико-статистического анализа технических и технологических характеристик основных функциональных модулей. Однако применяемые методы математического расчета общей эффективности оборудования OEE не дают полной картины анализа точности дозирующих систем, в отличие от [15]. В цитируемой работе проведены численные и экспериментальные исследования различных положений сопел в вакуумной эжекторной системе.

Исследования системы управления пневмосоплами подкреплены результатами моделирования. Результаты цитируемой работы полезны для обоснования увеличения массы продукта инжекции и минимизации энергозатрат в электропневматической системе. Однако в цитируемой работе не учитывается физико-химический состав продукта. В [16] по условиям энергоемкости систем управления сжатым воздухом приводится целевая функция минимизации энергозатрат при поэтапном заполнении аккумуляторной батареи. Экспериментально подтверждено, что сжатие газа в аккумуляторной батарее можно отслеживать с помощью прецизионных регуляторов давления. Отметим, что приведена только одна модель разомкнутой системы управления, не учитываются изменения скоростных режимов движения воздуха на отдельных сложных участках рабочего трубопровода. В [17] изложены допущения для математической модели поддержания постоянного давления в потоке рабочей жидкости.

Приведены только гидравлические схемы работы дозирующих клапанов в технологическом потоке. На основании сделанных в [18] выводов о значительных потерях энергии в системах дозирования с элементами трубопроводной арматуры определено направление дальнейших исследований, связанных с системами прецизионного дозирования эрлифта. В [19] проведен анализ дозирующих устройств проточного типа, в которых средством автоматизации является электропневматика. Описанная система используется для порционного дозирования питьевой воды температурой от +5 до +90 °С, близкой по консистенции к жидкостям.

Однако имеется ряд нерешенных вопросов, в частности, энергоэффективность и точность предлагаемых модулей. Хотя в описании приведены системы управления с обратной связью, в частности электронный счетчик, сравнение теоретических и экспериментальных результатов исследований отсутствует. Однако авторами отмечено существенное ускорение операции дозирования при условии использования импульсных клапанов. В работе [20] изложены обобщенные методические подходы к выбору компонентов пневматических систем, в частности дозирующих мехатронных модулей.

Однако в ней не приводится описание системы управления. Учитывая отсутствие в [21] данных о влиянии на процесс дозирования показателей надежности технологических элементов, в частности пневмосистем и соединительных систем продуктопроводов, полученные результаты также не являются полными. Все это позволяет утверждать о целесообразности проведения исследования по синтезу прецизионных систем дозирования жидких продуктов на базе электропневматических комплексов. Кроме того, при использовании эмпирического метода исследования, предполагаемые результаты могли бы дополнить процесс формирования дозы продукта в системе дозирования эрлифта и последующую точность дозировки.

Цель и задачи исследования

Целью данного исследования является синтез системы прецизионного дозирования жидких продуктов на основе электропневматических комплексов. Это позволит снизить энергоемкость дозирующих модулей, упростить конструкцию и облегчить управление процессом формирования точной дозы продукта. Для достижения цели поставлены следующие задачи: – разработать аналитическое описание отдельных стадий процесса дозирования с последующим анализом отдельных стадий и принятых допущений; – исследовать процесс формирования и последующего выдачи дозы продукта в дозирующем приемнике и соединительных каналах и патрубках рабочего продуктопровода; – определить влияние отдельных параметров на точность формирования дозы продукта, а также найти способы обеспечения необходимого распределения давления сжатого воздуха при соблюдении заданной производительности дозатора; – разработать экспериментальный стенд для исследования функционального мехатронного дозирующего модуля в программно-задаваемых режимах формирования и выдачи дозы продукта на основе пропорциональных элементов с обратной связью (4–20 мА).

Исследование процесса безклапанного дозирования жидких продуктов на основе электропневматических комплексов

Наши экспериментально-теоретические исследования базируются на использовании фундаментальных законов гидродинамики жидких сред и вязких легкотекучих сред, теории решения обыкновенных дифференциальных уравнений. В ходе исследований учитывались статические и динамические характеристики системы управления дозирующим устройством, подбирались ее конструктивные параметры, направленные на улучшение метрологических характеристик автоматизированной системы дозирования.

Для проведения экспериментов разработаны принципиальные схемы универсальных дозирующих устройств и алгоритмы управления дозировкой, обеспечивающие реализацию различных законов дозирования продукта. Также проведена оценка систематических погрешностей предлагаемой технологии порционного дозирования. Для порционных систем автоматизированного дозирования, основанных на принципах эрлифтной системы, а также исследованиях [3, 5, 8, 17], предложена математическая модель, описывающая процесс дозирования, а также схема экспериментальной установки. Анализ и синтез математических моделей для систем точного дозирования носят вспомогательный характер; они не исключают необходимости физического моделирования и натурных исследований. Синтез предполагает математическое и физическое моделирование эрлифтного дозирования жидких пищевых продуктов. Дополнительно, с учетом численных методов; гидрогазодинамики; подлинных технологических достижений, нами были проведены экспериментальные исследования процессов прецизионного дозирования жидких продуктов на базе электропневматических комплексов.

Обсуждение результатов теоретического и физического моделирования процесса дозирования

Результаты изменения давления на входе и выходе продуктопровода объясняются, прежде всего, тем, что учитывается форма рабочего канала продуктопровода и диаметральное сечение рабочего канала для подачи и отвода продукта из дозирующего приемника. С увеличением времени процесса дозирования в продуктопроводе стабилизируется сжатый воздух, точность дозирования продукта существенно повышается. В качестве дозируемых продуктов исследовались вода питьевая негазированная (плотность 1000 кг/м3); сок березовый (плотность 1000,7 кг/м3), молоко пастеризованное 1,5 % жирности (плотность 1025 кг/м3).

Эти параметры приняты для продуктов при температуре 20 °С и давлении 1,013 бар. Результаты изменения давления на входе и выходе продуктопровода, представленные на рис. 3–5, обусловлены внутренними колебаниями давления 20 Гц за 1 цикл подачи давления. Такой режим подачи воздуха организуется драйвером серии 130, совмещенным с сетью электроклапанов подачи давления в систему (серия AR, Camozzi). При этом данные режимы дозирования зависят не только от давления [4, 18], но и от вида дозируемого продукта. Результаты моделирования позволяют определить исходные параметры для математического исследования с целью описания зависимостей основных кинематических параметров дозировки продукта и прогнозирования падения и компенсации напора в системе дозирования.

Регулировка времени в системе модуля управления с помощью драйвера серии 130 позволяет изменять шаг в диапазоне 0,1…10 с (рис. 5). Кроме того, прецизионные системы управления позволяют поддерживать рабочие регламенты работы дозирующего устройства эрлифта с режимами изменения давления в соответствии с различными законами и условиями. А именно: Imin…Imax=4,1…19,9 мА; частота подачи воздуха 0,1…1 Гц; Imin…Imax=12,3…17,7 мА; частота подачи воздуха 0,1…1 Гц; Imin…Imax=12,5…17,7 мА; частота подачи воздуха 0,1…1 Гц. Разработанный нами экспериментальный стенд (рис. 5) также позволяет исследовать точность дозирования с помощью цифрового контрольно-измерительного комплекса и изменять дозу продукта от 20 мл до 750 мл. Выбор диапазона доз был обусловлен обеспечением технологическим оборудованием малых и средних предприятий пищевой и фармацевтической промышленности.

Ограничения результатов исследований связаны со следующими параметрами: текущее значение контроля относительно стандартной шкалы Imax…Imin=4,1…19,9 мА; частота формирования импульсов сжатого воздуха в продуктопроводе 0,1…7 с. Ранее значения управляющего сигнала формировали максимальное давление в трубопроводе 0,1…0,5 бар. Это подтверждает результаты, представленные в [20, 22], и предопределяет оптимальный режим дозирования исследуемого продукта. Особенностями предлагаемого способа и полученных результатов является то, что достигается воспроизводимость отдельных стадий процесса дозирования.

Примем, как уже упоминалось выше, за критерий оценки влияние различных факторов на точность дозирования, что может быть достигнуто при условии идеальности программного регулятора РД и драйвера. Дополнительно делается предположение об исключении погрешностей дозирования, которые обусловлены эффектом «доразряда» дозы, при постоянстве значений рабочих параметров функционального мехатронного дозирующего модуля. Учитывая сделанные выводы, повышение точности дозирования может быть достигнуто за счет соблюдения точности программного регулирования давления p1(t) в дозирующем устройстве ПП.

Повышение возможно также за счет введения в структуру дозирующего контура продуктопровода элементов, обеспечивающих автоматическую компенсацию влияния изменений. Ограничением нашего исследования является то, что оно проведено только для жидких продуктов из группы ньютоновских сред. Отсутствие полных экспериментальных данных для других типов лишило нас возможности провести более подробный анализ эффективности разработанной структуры функционального мехатронного модуля эрлифтного дозирования и методики ее расчета. Это будет особенно актуально для смешивания продуктов (суспензий, эмульсий) с частицами разного диаметра (до 1 мм и более). Кривизна рабочего канала в диаметральном сечении продуктопровода влияет на точность дозирования. В то же время предложенный подход позволяет вывести аналогичные зависимости для других режимов дозирования этих продуктов. Планируется проведение дальнейших исследований по анализу процессов дозирования и упаковки других видов жидких продуктов.

Выводы

1. Аналитически описаны отдельные этапы процесса дозирования, проведен анализ отдельных этапов и принятых допущений. При испытании экспериментального образца дозатора точность повторения доз составила от 0,35 % до 0,8 %. Установленная масса дозы составила 50 мл (p=const) при изменении начального уровня жидкости в ПП на 10 мм. То есть в ходе физико-математического моделирования определено влияние отдельных параметров на точность формирования дозы продукта; найдены способы обеспечения необходимого распределения давления сжатого воздуха в соответствии с заданной производительностью дозатора. 2. Исследован процесс формирования и последующего слива дозы продукта (негазированной питьевой воды) в дозирующем приемнике и его соединительных каналах и патрубках рабочего продуктопровода. Построена математическая модель процесса дозирования жидких продуктов. Модель включает дифференциальные уравнения изменения кинематических параметров жидкости в дозирующих каналах и соответствующие принятые начальные и граничные условия процесса.

Граничные условия учитывают влияние программно-устанавливаемых режимов дозирования эрлифта с помощью драйвера и геометрии продуктопровода. Измеряемое значение тока в мА (с точностью 0,001 мА) относительно стандартной шкалы Imin, Imax=4…20 мА находилось в диапазонах 4,1 мА…19,9 мА; 12,3 мА…17,7 мА; 12,5 мА…17,7 мА. Расходные характеристики пневмоклапана на нашем экспериментальном стенде находятся в диапазоне 180 Нл/мин. Длительность периода изменения функции отслеживалась до 100 с. 3. Установлено влияние избыточного и вакуумметрического давления на точность формирования дозы продукта при условии изменения диапазонов влияния: 0,9–1,8 бар; 200‒900 мбар. Доза продукта в момент выгрузки находилась в пределах 50 мл, 100 мл. 4. Разработана структура экспериментального стенда, предназначенного для исследования функционального мехатронного дозирующего модуля при программно-задаваемых режимах формирования и выгрузки дозы продукта. Стенд построен на базе пропорциональных элементов с обратной связью (4‒20 мА), с помощью драйверов серии 130‒222 (Camozzi), пропорциональных элементов с системой обратной связи.