Стенд для практической проверки разработанных алгоритмов автоматизированной системы дозирования сыпучих материалов разрабатывается для обеспечения достаточной надежности решения.

На верхнем уровне системы управления дозирования находится специально разработанная система диспетчеризации процесса дозирования. Средний уровень включает в себя модуль релейной коммутации и управляющий контроллер SIEMENS Simatic S7-1200. Нижний уровень содержит датчики веса, один шнековый дозатор со спиральным винтом, бункер дозатора с задвижкой и исполнительный частотно-регулируемый асинхронный электропривод SIEMENS мощностью 0,75 кВт. Взаимодействие между верхним и средним уровнями автоматизированной системы дозирования стенда осуществляется посредством цифрового интерфейса на физическом уровне и специально разработанным для стенда протоколом обмена.

На входе регулятора веса, реализованного в программном обеспечении промышленного контроллера, суммируются сигнал задания на вес, поступающий с персонального компьютера, и сигнал с нормирующего усилителя, пропорциональный текущему весу. Выход регулятора веса является заданием на частоту преобразователя и, соответственно, скорости вращения асинхронного двигателя шнекового питателя. По мере наполнения бункера разница между заданной и действительной массой в бункере уменьшается, что приводит к уменьшению скорости электропривода. Остановка двигателя осуществляется на небольшой скорости, что положительно сказывается на точности дозирования. После остановки двигателя шнекового питателя по сигналу с промышленного контроллера коммутируется силовая цепь задвижки дозатора. Перемещение материала в бункер готовой продукции происходит автоматически.

Управление автоматической микропроцессорной системы дозирования осуществляется программным способом с применением алгоритмов коррекции ошибки дозирования. Коммутация силовых цепей стенда происходит по команде промышленного контроллера с помощью блока релейной коммутации. Управление асинхронным двигателем шнекового питателя осуществляется от преобразователя частоты фирмы SIEMENS со скалярным управлением.

Дозирование сыпучего материала происходит из расходного бункера спиральным шнеком в бункер дозатора, который подвешен на три датчика веса. Сигналы с датчиков поступают в нормирующий суммирующий усилитель, где суммируются и нормализуются в стандартный токовый сигнал и в таком виде поступают в микроконтроллер на вход программного регулятора веса.

Асинхронный двигатель задвижки дозатора включается непосредственно в сеть с управлением останова от концевых выключателей. Все дозирующее оборудование размещается в герметичном защищенном от пыли и влаги шкафу и располагается на DIN-рейке.

Программное обеспечение испытательной установки дозирующей системы

Программное обеспечение стенда на верхнем уровне разработано в среде разработки SIEMENS TIA-Portal и работает под управлением операционной системы Windows XP, так как с точки зрения разработки собственных систем диспетчеризации процессов дозирования большими перспективами обладает именно программная среда разработки SIEMENS TIA-Portal. Это обусловлено рядом факторов: большая распространенность оборудования SIEMENS в инженерной среде, большое количество утилит и компонентов, предназначенных как для управления аппаратными возможностями промышленных компьютеров, так и для реализации различных сетевых протоколов обмена. Нет необходимости создания проекта с нуля, минимизирована сложность обнаружения ошибок в коде программы. На среднем уровне программное обеспечение реализовано на языках программирования промышленных контроллеров. В качестве операционной системы используется предустановленная операционная система ПЛК.

Система диспетчеризации процесса дозирования предназначена для автоматического управления и визуализации параметров технологического процесса дозирования сыпучих материалов с рабочего места исследователя на персональном компьютере.

Система может работать как автоматическом, так и в ручном режиме с помощью оператора-исследователя. Система диспетчеризации процесса дозирования позволяет задавать исходные данные в программе микроконтроллера такие как: заданный вес материала, минимальная и максимальная частота преобразователя, коэффициент регулятора веса и значение калиброванного коэффициента датчика веса.

Текущий вес, поступающий с датчиков веса, отображается в системе диспетчеризации процесса дозирования в виде числового значения и также с помощью вкладки графики строится переходный процесс текущего веса и задание на скорость шнекового дозатора от времени.

Дозатор с конвейером

Дозирующие конвейеры предназначены для транспортировки сыпучих пищевых и других продуктов в горизонтальном положении или под наклоном до 90° к горизонту по трассам с прямыми и изогнутыми участками.

Дозирующий конвейер должен иметь следующие основные параметры и характеристики:

• Диаметр трубопровода, 55 мм;
• Диаметр гибкой спирали, 38 мм;
• Максимальный угол наклона, 90 град.;
• Максимальная длина конвейера, 25 м;
• Радиус кривизны одного изогнутого участка, не менее 1,6 м;
• Номинальная мощность привода, 0,55…0,70 кВт;

Показатели надежности дозирующего конвейера:

• средняя наработка на отказ, не менее – 1000 ч;
• установленная безотказная наработка, не менее – 500 ч;
• установленный срок службы до капитального ремонта, не менее – 3 лет;
• коэффициент технического использования, не меньше – 0,9;
• средний срок хранения в заводской упаковке, не менее – 18 мес.

Устройство и работа дозирующего конвейера

Основой конвейера является его транспортирующая часть – бесстержневой винт в виде спирали, встроенный в цилиндрический кожух (трубу). Продукт засыпается в загрузочный бункер и вращающейся спиралью транспортируется по магистральному трубопроводу к разгрузочному бункеру, где продукт разгружается.

Автоматизированная система управления электрическим приводом испытательного стенда

Для экспериментального стенда подойдет преобразователь частоты фирмы SIEMENS мощностью 0,75 кВт для двигателя шнекового питателя с номинальной мощностью 0,75 кВт. Частотные преобразователи позволяют:

• осуществлять пуск асинхронного электродвигателя без превышения
• номинального тока;
• производить разгон и торможение электродвигателя за заданные про-
• межутки времени;
• плавно и ступенчато изменять скорость вращения электродвигателя;
• организовывать замкнутые системы автоматического регулирования;
• защищать электродвигатель от перегрузок.

Все устройства поставляются в виде законченных изделий и не требуют никакой доработки. Силовой канал преобразователя частоты дозирующей установки собран по схеме с промежуточным звеном постоянного тока и трехфазным инвертором напряжения. Напряжение на выходе инвертора формируется по закону ШИМ-модуляции и поступает к статорным обмоткам электропривода дозатора.

Измерение веса в процессе дозирования

Весовой датчик состоит из упругого элемента Z-образной формы, штуцера для ввода кабеля, тензорезисторов на клеевой основе, соединенных по мостовой схеме, и элементов термокомпенсации и нормирования.

Место наклейки тензорезисторов и расположения элементов термокомпенсации и нормирования загерметизировано и закрыто пластиной, крепящейся к упругому элементу двумя винтами для защиты от механических напряжений.

Результаты экспериментальных и теоретических исследований процесса дозирования

Программа экспериментов проводилась для различных значений регулятора веса как с учетом алгоритмов коррекции ошибки и алгоритмов компенсации влияния массы падающего столба материала, так и без них.

В соответствие с программой экспериментов осуществлялось дозирование одного килограмма экспериментального материала (пластиковые гранулы) посредством шнекового дозатора. На графиках сравнивались задание частоты вращения шнека, текущая масса дозируемого материала на стенде и масса материала, вычисленная на имитационной модели при идентичных эксперименту условиях.

Анализ результатов экспериментов показал, что применение алгоритмов компенсации ошибки дозирования увеличивает точность дозирования при любом коэффициенте регулятора веса. Получены количественные показатели результатов экспериментов при применении алгоритма коррекции ошибки дозирования, в зависимости от различных значений регулятора веса. Результаты показывают повышение относительной точности дозирования при различных настройках регулятора веса, при применении алгоритмов компенсации ошибки от 13 до 29 %.

По результатам экспериментов на дозирующей установке можно сделать вывод, что при применении алгоритмов компенсации ошибки при увеличении точности дозирования, также увеличивается производительность приготовления смеси. Также с помощью эксперимента дозирования доказана полная адекватность разработанных математических моделей процессов дозирования.

Созданная экспериментальная установка дозирования позволяет проводить исследования автоматизированных систем управления дозирования сыпучих материалов с целью проверки адекватности и точности разработанных алгоритмов. Экспериментально доказано, что применение алгоритмов коррекции ошибки, рассмотренных в данной работе, позволяет уменьшить относительную ошибку дозирования на величину от 13% до 29% при различных значениях регулятора веса. Установлено, что при применении алгоритмов коррекции ошибки дозирования на основе статистических данных и учета влияния массы падающего столба материала увеличивается производительности системы дозирования. С помощью испытаний доказана адекватность разработанных в диссертации математических и имитационных моделей путем сравнения с реальным физическим процессом.

Разработанная структура и алгоритмическое обеспечение автоматизированного комплекса весового многокомпонентного дозирования сыпучих материалов с частотно-регулируемым электрическим приводом обеспечивают высокую производительность и требуемую точность дозирования. Математическая и имитационная модели частотно-регулируемого электрического привода в составе автоматизированного комплекса дозирования сыпучих материалов с учетом изменения высоты «падающего столба» в бункер дозатора идентична с реальным физическим процессом в реальных условиях процесса дозирования.

Алгоритм сигнальной адаптации, разработанный на основе статистических данных для управления электрическим приводом автоматизированного комплекса дозирования сыпучих материалов, позволяет уменьшить абсолютную ошибку дозирования примерно в 2,5 раза. Совместное использование алгоритмов коррекции ошибки дозирования на основе статистических данных и компенсации ошибки, вызванной весом падающего столба, обеспечивает максимальную точность системы. Применение разработанных алгоритмов позволяет увеличить точность дозирования в 7 раз, а итоговая ошибка дозирования равна 2,7%, что соответствует техническому регламенту приготовления комбинированных пищевых смесей.

Для уменьшения влияния массы «падающего столба» на точность дозирования определена последовательность использования компонентов рецепта, которая заключается в первоочередном подключении шнековых питателей, обеспечивающих поступление в бункер-дозатор материала с наибольшей массой. Аппаратно-программный автоматизированный комплекс дозирования сыпучих материалов для проведения исследований с различными материалами и добавками подходит для процесса подготовки специалистов.