Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности подработки зерна в псевдоояшенном слое 10
1.1. Классификация существующих признаков очистки и сортирования зерновых материалов 10
1.2. Применение техники псевдоожижения 16
1.4 Цель и задачи исследования 22
Глава 2. Анажз технологической схемы пневмосепаратора-транспортера как объекта автоматизации 23
2.1. Выбор контролируемых и регулируемых параметров АСУ процессом очистки зерна в псевдоожиженном слое 27
2.2. Определение оптимальных условий протекания технологических процессов 45
Глава 3. Разработка и исследование элжтричвских средств контроля и управления технологическим процессом 48
3.1. Электрические средства контроля и управления степенью псевдоожижения.. 48
3.2. Электрические средства контроля и управления выделением легких примесей 62
3.3. Электрические средства контроля и управления сходом фуражных отходов 88
3.4. Рекомендации по изготовлению и эксплуатации датчиков 92
3.4.1. Дифференциальный оптический датчик
степени псевдоожижения 92
3.4.2. Датчик четкости сепарации 93
Глава 4. Исследование псевдоошкенного зернового слоя как объекта автшатического контроля 96
4.1. Экспериментальное и теоретическое обоснование динамики псевдоожижен-ного зернового слоя 96
4.2. Исследование степени псевдоожижения слоя зернового материала как стационарного случайного процесса 107
Глава 5. Исследование асу процессом очисїки зерна в псевдоожиженном слое 115
5.1. Математическая модель АСУ пневмо-сепаратором-транспортером 115
5.2. Обоснование статических параметров АСУ пневмос епаратором-транспортером 122
5.2.1. Оператор псевдоожиженного слоя 124
5.2.2. Оператор транспортирующего канала.. 125
5.2.3. Оператор исполнительного механизма 128
5.3. Частотный анализ АСУ и синтез корректирующих устройств 136
5.4. Исследование параметров наблюдаемости и управляемости системы 150
5.5. Лабораторные и производственные испытания автоматизированного пневмосепаратора-транспортера 155
5.6. Оценка надежности и технико- экономической эффективности АСУ процессом очистки зерна в псевдоожиженном слое 165
Общие выводы и заключение 176
Литература 178
Приложения 189
- Определение оптимальных условий протекания технологических процессов
- Электрические средства контроля и управления сходом фуражных отходов
- Исследование степени псевдоожижения слоя зернового материала как стационарного случайного процесса
- Обоснование статических параметров АСУ пневмос епаратором-транспортером
Введение к работе
В принятом на ХХУІ съезде КПСС Постановлении "Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года" сказано, что важнейшей задачей в земледелии является всемерное повышение плодородия почв и урожайности, а также дальнейший рост производства зерна, которое достигнет 238...243 млн.тонн [ П.
В принятой на майском Пленуме ЦК КПСС 1982 г. Продовольственной программе СССР на период до 1990 года Е 2 3 проблема ускоренного и устойчивого наращивания производства зерна названа в числе ключевых в сельскохозяйственном производстве. Для ее успешного решения необходимо "...осуществить в одиннадцатой пятилетке перевод семеноводства зерновых культур на промышленную основу, ускорить внедрение в производство высокопродуктивных сортов и гибридов" [ 23.
Но вместе с тем "...мы все чаще сталкиваемся с таким положением, когда узким местом становится не производство, а хранение, переработка продукции, доведение ее до потребителя" С2І.
На июньском (1983 г.) Пленуме ЦК КПСС отмечалось, что с целью выведения сельскохозяйственной отрасли в число передовых, необходимо "... обеспечить наиболее разумное использование производственного и научно-технического потенциала" Ї.ЗІ, что в полной мере можно отнести и к послеуборочной обработке зерна, т.к. многие эксплуатируемые в настоящее время зерноочистительные машины по своим техническим характеристикам перестали удовлетворять возросшим агротехническим требованиям с точки зрения универсальности и производительности І93, I04J.
В связи с этим, большое значение приобретает разработка и внедрение принципиально новых устройств, высокопроизводительных
и универсальных, способных успешно работать в технологических линиях очистки зерна и семян.
Многочисленные исследования, проведенные как в нашей стране [6,7,45,80 и др.1, так и за рубежомt14,21,110,112] показали, что одним из наиболее перспективных направлений разработки таких агрегатов является применение явления псевдоожижения, природа и свойства которого будут рассмотрены несколько ниже.
Вопросами разработки зерноочистительных машин, работающих на принципе псевдоожижения занимаются коллективы ученых ВНИИЗ, СибИМЭ, ЛОХИ, МИМСХ и др. Однако предельные технологические показатели данные агрегаты показывают лишь в режиме условной стабилизации, заключающемся в искусственном создании условий постоянства входных и управляющих воздействий, что в реальном рабочем режиме, характеризующемся наличием флуктуации параметров массопотоков, а также множеством возмущающих факторов, осуществимо лишь средствами автоматики.
Область знаний, относящаяся к технике псевдоожижения, развивается быстро и взгляды ученых претерпевают изменения С2ІІ. Поведение псевдоожиженных систем настолько сложно, что до сих пор не существует моделей, полностью описывающих динамические свойства системы газ-твердые частицы. Для практического применения данного явления необходимо выявить полезные свойства систем, с целью получения желаемого результата.
На кафедре теплотехники и гидравлики МИМСХа под руководством д.т.н., профессора Л.И.Грачевой была осуществлена разработка гаевмосепаратора-транспортера, осуществляющего очистку зерна в транспортируемом псевдоожиженном слое L803 . Отработана его конструкция, исследованы режимы работы. Несколько опытных образцов агрегата установлено в технологических линиях очистки зерна на Мелитопольском комбинате хлебопродуктов, где с его помощью
7 іаряду с доведением качества поступающего на комбинат продовольственного зерна до соответствия требованиям базисных кондиций [95], также осуществляется выполнение основных мероприятий по )беспечению взрывобезопасности элеваторов, сформулированных в изданных в 1983 г. "Правилах организации и ведения технологического процесса на элеваторах и хлебоприемных пунктах" 29 и направ-генных на улучшение работы аспирационных систем.
Вместе с тем, производственная эксплуатация пневмосепарато-)а-транспортера показала, что в нестабилизированном режиме рабо-?ы, из-за флуктуации значений таких параметров, как подача материала, его натура и влажность, а также питающее напряжение двигате-іей вентиляторов и т.д., наблюдаются отклонения условий протекаем технологических процессов от оптимальных, сопровождающиеся шбо недопустимо большими потерями полноценных зерен в отходах, шбо неудовлетворительным качеством очистки исходного зернового материала.
Исследования, проведенные на кафедре автоматизации сельскохозяйственного производства МИИСП под руководством чл.-корр. ЗАСХНИЛ, профессора И.Ф.Бородина позволили провести анализ техно-югической схемы пневмосепаратора-транспортера, осуществляющего )чистку зерна в транспортируемом псевдоожиженном слое, как объ-зкта электрификации и автоматизации.
Целью настоящей работы является разработка и исследование электрических средств, обеспечивающих повышение эффективности эчистки зерна в псевдоожиженном слое посредством автоматического жределения и поддержания оптимальных условий протекания технологического процесса.
В работе представлены теоретические и экспериментальные исследования по обоснованию выбора контролируемых и регулируемых параметров автоматической системы управления.
Разработаны электрические средства контроля и управления на
базе рецепторной и эффекторной частей системы, определенных из структурно-алгоритмической схемы массопотоков выделяемых фракций.
В результате выполненной работы получены следующие новые данные,
На основании поэлементного описания параметров физических переменных в координатах вход-выход, составлена математическая динамическая модель автоматизированного пневмосепаратора-гранспортера.
Теоретические и экспериментальные исследования механиче-зких и частотных диапазонов воздействия компонентов зернового материала выявили возможность снижения потерь полноценных зерен
з легких примесях до 0,15...0,2$ при полном удалении последних.
3. Разработаны электрические средства контроля и управления,
с основным из которых относятся: датчик четкости сепарации, де-
штельный экран для схода фуражных отходов, бинауральная экстре-
іальная система распознавания сигналов конденсаторных датчиков.
Практическая ценность проведенных исследований заключается > том, что разработанная автоматическая система позволяет осу-[ествлять контроль и управление процессом разделения на три фрак-;ии транспортируемого псевдоожиженного зернового слоя, обеспечи-ая при этом максимальную производительность, так как подача атериала рассматривается в виде независимого задающего воздей-твия.
На защиту выносятся:
Информативный признак оптимизации перераспределения ком-онентов зернового материала по толщине псевдоожиженного слоя.
Математическая модель взаимовлияния контуров регулирова-ия массопотоками выделяемых фракций.
Результаты исследования частотно-механических характерис-ик компонентов исходного зернового материала.
4. Технические средства автоматического контроля потерь юлноценных зерен в отходах.
Разработки АСУ процессом очистки зерна в псевдоожиженном їлоє одобрены на Всесоюзных научно-технических совещаниях по автоматизации производственных процессов в растениеводстве С 42, ^1 , на научно-технической конференции "Автоматизация процессов сельскохозяйственного производства, приборы контроля и средства автоматизации" 491 , а также на научно-технических конференциях МИИСИ, ЦНИИМЭСХ, МИМСХ и др.
Определение оптимальных условий протекания технологических процессов
На основании проведенного анализа технологической схемы пневмосепаратора-транспортера как объекта автоматизации, можно определить оптимальные условия его работы, под которыми понимают выполнение качественных требований, предъявляемых к процессу очистки зерна при максимально возможной производительности установки. Поэтому подачей материала осуществлять регулирующее воздействие нецелесообразно, т.к. при этом будет снижаться производительность. Следовательно, поток исходной зерновой смеси необходимо рассматривать как независимое задающее воздействие, измеряя величину которого, необходимо средствами управления устанавливать оптимальные условия протекания процессов, которые выражаются в следующем. 1. Степень расширения слоя должна быть постоянной независимо от подачи материала. 2. Примеси, отвеиваемые в аспирационную магистраль, должны содержать не более 2$ полноценных зерен. 3. На выходе из рабочей камеры делительному экрану положено снимать часть слоя, состоящую из фуражных отходов.
Таким образом, задача состоит в том, чтобы разработать систему, способную автоматически определять и поддерживать оптимальные условия протекания технологического процесса, изменяющиеся в зависимости от колебаний подачи материала, а также сделать эту систему нечувствительной к возмущающим воздействиям в виде флуктуации натуры ( D ) и влажности ( т ) исходного зернового материала.
Для количественной оценки влияния этих возмущений на сте пень псевдоожижения материала, по экспериментальным данным (см. П. 10) строим зависимости (рис.2.б) и \lxv (рис.2.9), которые в области реальных изменений величин Вит [95] линейны и описываются уравнениями соответственно (см.ПЛО)
Следовательно, отстройка системы от влияния на степень псевдоожижения колебания таких параметров, как натура и влажность исходного зернового материала, может быть достигнута восстановлением требуемого значения высоты слоя посредством изменения напора нагнетательного вентилятора б (рис.2.1). 1. Анализ технологической схемы пневмосепаратора-транспор-тера показал, что процесс очистки зерна в псевдоожиженном слое имеет четкие предпосылки автоматизации. 2. Автоматическую систему управления пневмосепаратором-транспортером целесообразно строить в виде трех взаимосвязанных контуров регулирования, обеспечивающих контроль и управление выделением трех фракций: очищенного зерна, фуражных отходов и легких примесей. 3. Для достижения максимальной производительности пневмосе-паратора-транспортера, поток поступающего в рабочую камеру зернового материала необходимо рассматривать как независимое задающее воздействие.
На основании исследований, проведенных в главе 2, нами осуществлена разработка и выбор элементов выявленных контуров регулирования разрабатываемой АСУ процессом очистки зерна в транспортируемом псевдоожиженном слое.
Контролируемым параметром данного контура регулирования является высота псевдоожиженного слоя зернового материала, отклонение которой от требуемого значения устраняется посредством изменения давления под газораспределительным устройством 3 (рис, 2.1). При выборе типа первичного преобразователя необходимо исходить из требований, предъявляемых к датчикам систем автоматики, которые включают: определенную однозначность зависимости выходной величины от входной, стабильность характеристики во времени, высокую чувствительность, малую инерционность, отсутствие влияния на технологический процесс и измеряемую величину, надежность работы и устойчивость к внешним воздействиям ІІ8І .
Для измерения уровня сыпучих материалов в настоящее время разработан целый ряд систем, в основу работы которых положены самые различные принципы. С целью выбора датчика степени псевдоожижения зернового материала рассмотрим некоторые из них, анализируя идентифицированность с автоматизируемым процессом.
Электрические средства контроля и управления сходом фуражных отходов
После расслоения зернового материала на фракции на выходе из рабочей камеры необходимо осуществить их механическое разделение. В настоящее время для выполнения этих операций разработано множество способов С.50І , включающих установку делительных экранов, плоских пневматических сопл, поперечных наклонных решет, а также набора последовательно расположенных сит. В установках, осуществляющих очистку зерна в обладающем хорошей текучестью транспортируемом псевдоожиженном слое Цб,7,1053, наиболее широко.используется первый из вышеперечисленных способов.
Первые делительные экраны выполнялись в виде ножа 10 (рис. 2.1), отсекающего часть слоя, обогащенную неполноценным зерном. Однако, учитывая, что содержание последнего в исходном материале является величиной переменной 050,62,95J t то при такой конструкции экрана вместе с отходами возможно отделение значительного количества полноценных зерен. С целью улучшения четкости разделения компонентов "пограничной" зоны слоя, включающей как подлежащий отделению, так и качественный материал, приемную часть 2 (рис.3.22) делителя стали выполнять LбЦ в виде вертикального участка, середина (рабочая отметка) которого должна совпадать с уровнем 4 (рис.3.22) псевдоожиженного слоя. Такое исполнение устройства значительно улучшило разделение компонентов исходного зернового материала, причем более легкие фуражные отходы переливаются через экран, а очищенное зерно проходит под ним, что четко просматривается на кинограмме (рис.5.15).
Однако, как уже указывалось выше, при работе установки оптимальное значение высоты псевдоожиженного слоя из-за колебаний подачи материала будет меняться. С целью фиксации этих отклонений для последующего перемещения экрана до совмещения поверхности слоя с рабочей отметкой, нами разработана подпорно-делительное устройство, включающее собственно делитель I (рис. 3.22) и жестко с ним связанный индикатор-поплавок 3, представляющий собой оптический датчик уровня, состоящий из расположенных один над другим трех фоторезисторов (рис.3.23), включенных в мостовую электрическую схему (рис.3.24), равновесное состояние которой наступает при затенении слоем фоторезистора 3. Для отстройки от флуктуации поверхности зернистого слоя между фоторезистором 2 и 3 предусмотрено некоторое расстояние, середина которого совмещается по горизонтали с рабочей отметкой приемной части 2 (рис.3.22) делителя.
Работа оптического стабилизатора уровня заключается в следующем. При затенении непрозрачным псевдоожиженным зерновым слоем фоторезистора 3 (рис.3.23), рабочая отметка делительного экрана совпадает с поверхностью слоя, чем обеспечивается качественное разделение компонентов на очищенное зерно и фуражные отходы. Если высота слоя снизится, то окажется освещенной часть фоторезистора 3, что приведет к появлению на выходе моста сиг нала отрицательной полярности, который, после усиления, отрабатывается исполнительным механизмом на перемещение подпорно-де-лительного устройства вниз до восстановления исходного состояния. Повышение уровня материала приведет к частичному затенению фоторезистора 2 и, как следствие, к появлению сигнала уже положительной полярности, для компенсации которого экран будет перемещен вверх. Следовательно, оптический индикатор, словно поплавок, копируя поверхность псевдоожиженного слоя, перемещает делительный экран таким образом, чтобы его рабочая отметка постоянно совпадала с уровнем слоя.
При определении инерционности индикатора по методике, утвержденной ГОСТ 1.7772-72, было установлено, что постоянная времени нарастания его светового тока находится в пределах 3 10 с, что является основанием представить оптический индикатор в структурной схеме АСУ пропорциональным звеном, коэффициент передачи которого найден при определении статических параметров АСУ (см.П.4).
Исследование степени псевдоожижения слоя зернового материала как стационарного случайного процесса
В установившемся режиме значение высоты псевдоожиженного слоя «Ід., характеризующей степень его расширения, представляет собой непрерывную случайную функцию времени, что показано на фрагменте диаграммы сигнала оптического датчика уровня (рис.4.б), Для представления сигнала в цифровой форме, в соответствии с теоремой Котельникова б7] , определяем шаг дискретизации как где UUV - верхняя частота спектра (частота Ньютона). где Тн - наибольший период колебаний величины, встречающийся в записи процесса. Гипотезу о независимости приведенных измерений проверяем по критерию серий СІЗІ , для чего знаками люс. "+" и минус "-" обозначаем значения соответственно (L . (In, и "W Ь-h В результате получим следующую последовательность Анализ имеющейся последовательности указывает на наличие числа серий X , равное 19. Принимая уровень значимости о = 0,05, определяем [ІЗ3 табличное значение интервала принятия гипотезы: Х ; -6lg, и Хк" Ч& » где М& С W- количество наблюденных значений). Подстановкой численных данных находим Так как значение % = 19 входит в интервал между 10 и 21, то вышеприведенные данные выборки следует считать независимыми, что в свою очередь, свидетельствует об отсутствии тренда 13 J
Проверку стационарности исследуемого случайного процесса осуществляем по критерию Вилконсона Ц5і]для чего приводим результаты квантования еще одной выборки, по объему равной первой и относящейся к другому временному интервалу: 38; 39,5; 38,3; 38,5; 39,8; 37,8; 37,5; 39; 38,8; 38,6; 38,5; 37,5; 38,7; 39,1; 39,5; 38,1; 37,3; 39; 39,6; ад,5; 38,5; 38,2; 40,1; 39,5; 40; 38,4; 38; 39,7; 38,5; 58,3. Статистика W данного критерия определяется суммой рангов Xt , которые имеет одна из выборок в общем вариационном ряду, построенном для обеих сравниваемых выборок L51J . Обозначив через Хс и Ус значения соответственно первой и второй выборок, составляем такой ряд в виде последовательности возрастающих чисел с рангами \ i, равными номерам позиций, занимаемым данными значениями (см.п.8, табл.п.8.1), причем совпадающим элементам разных выборок, согласно 5l] , присваиваем одинаковый ранг, равный среднему арифметическому номеров их позиций. Согласно вышесказанному, определяем значение W как сумму рангов всех иксов ., Для нашего случая (cM.n.8)V/= 921,5. Статистика V/ распределена симметрично среднего ПЬ /, определяемого по выражению E5I] где Ь/ - объем каждой из выборок. Подстановкой численного значения ( N = 30) получим Определяем относительное отклонение \v -критерия то гипотеза стационарности исследуемого случайного процесса принимается. Статистическую проверку согласия экспериментального распределения с Гауссовским, осуществляем по критерию нормальности Ша-пиро-Уилка, применение которого эффективно при небольших объемах выборки П5ІІ . Согласно порядка использования этого критерия 51J по выборке формируем вариационный ряд: ІДі. = 1161,5; /.Xi = 44993,6. Далее вычисляем сумму D взвешенных с коэффициентами разнос-гей между наибольшими и наименьшими значениями выборки, т.е. Qj - коэффициенты, приведенные в таблицах [51] и выбираемые в зависимости от величины W . Для нашего случая имеем (см.п.8) б = 4,79. Статистика критерия имеет вид 51]
Обоснование статических параметров АСУ пневмос епаратором-транспортером
Проведенный анализ работы автоматизированного агрегата, а также описание его динамики с помощью математической модели являются основанием для разработки структурно-алгоритмической схемы автоматизируемого объекта (рис 5.3). Звеном с передаточной функцией Wj( Р ) на схеме обозначен псевдоожиженный слой, с координатами вход-выход, указанными в табл.(П.4) wa(P)- учитывает транспортное запаздывание при дви жении материала в рабочей камере. Представленные передаточными функциями V4(P), WM (Р) , WteCP) , VAo(P) и Wg (Р) звенья описывают в динамике датчики соответственно 12, 13, 1.4, 15 и 17 (рис.5.1), а звенья с операторами отра жают соотношение при разделении псевдоожиженного потока зернового материала на фракции. Усилительные органы в структурно-алгоритмической СХеме ПреДСТаВЛеНЫ ЗВеНЬЯМИ WMvPJ» W (P)И Wfc-i P) а исполнительные механизмы 8 9 и 18 (рис.5.1) - операторами VJ2(P), ЧгЛР) и Ылг (Р). Последовательность изменения массового расхода воздуха, вводимого в слой через газораспределительное устройство в зависимости от угла поворота вала двигателя 8 (рис.5.1) отражает цепочка звеньев, куда вошли Расход воздуха в аспираторе с изменением положения заслонки ис полнительного двигателя 9 (рис.5.1) изображен последовательно со единенными звеньями Влияние угла пово рота вала двигателя 18, перемещающего делительный экран 10 (рис. 5.1) на массу отделяемого последним материала учитывают звенья
Для исследования системы необходимо провести обоснование ее статических параметров, заключающееся в определении и согласовании режимов работы всех элементов, описываемых передаточными функциями входящих в структурно-алгоритмическую схему звеньев. Псевдоожиженный слой как объект автоматического контроля описывается апериодическим звеном первого порядка, для которого входной координатой является подача ожижающего агента, а выходной - высота слоя L 47] где й и и - соответственно коэффициент передачи и постоянная времени звена. Значения KJ[ и и определим из следующих данных. Площадь газораспределительной решетки рабочей камеры где t и О - соответственно длина и ширина камеры промышленного агрегата. Для нашего случая L = I м, 6= 0,2 м. Коэффициент живого сечения, определяемый отношением суммарной площади отверстий к общей площади решетки, составляет для псевдоожиженных систем порядка 0,02...0,04 21] . Принимая значение коэффициента равным 0,03, вычисляем площадь ввода воздуха в слой Для статической характеристики iv Tvp)(кривая 3, рис. 2.3), по известной скорости фильтрации, определим значения массового расхода воздуха, проходящего сквозь слой, для чего воспользуемся выражением: где On - плотность воздуха, равна I кг/м3 30j . Рассчитав по уравнению (5.1) значения Q ., строим статическую характеристику (1ї1=-т(0 1)(рис.5.4), в рабочем диапазоне которой методом приращения определяем численное значение коэффициента передачи звена Значение постоянной времени и определяем методом касательной к динамической характеристике псевдоожиженного слоя (рис.4.3) Для теоретического определения транспортного запаздывания представим рабочую камеру в виде транспортирующего органа с сосредоточенной подачей материала, аппроксимируемого звеном
