Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ проблем повышения точности, производительности дозаторов дискретного действия и постановка задач исследования 17
1.1. Обзор существующих методов дискретного дозирования 18
1.2. Существующие направления развития систем управления дозаторов дискретного действия 2 6
1.3. Анализ основных составляющих погрешности дозирования в дозаторах дискретного действия.. 29
1.4. Анализ производительности и точности при различных методах набора дозы 32
1.5. Анализ существующих методов повышения точности и производительности дозаторов дискретного действия с НПД от 100 до 5 000 кг 36
1.6. Постановка цели и задач исследования 41
ГЛАВА 2. Разработка и исследование метода комбинационного дозирования для дозаторов с нпд от 100 до 5 000 кг 44
2.1. Анализ погрешности дозирования дозаторов дискретного действия 45
2.1.1. Исследование динамической модели дозатора дискретного действия 50
2.1.2. Выбор методов снижения случайной погрешности дозирования 53
2.1.3. Разработка методов снижения систематической погрешности дозирования 55
2.2. Формулирование требований к математической модели дозатора 60
2.3. Исследование математической модели функционирования комбинационного дозатора 62
2.4. Расчет параметров математической модели функционирования комбинационного дозатора с НПД от 100 до 5 000 кг 67
2.4.1. Критерий выбора числа бункеров комбинационного дозатора 61
2.4.2. Расчет параметров весоизмерительной системы комбинационного дозатора ; 69
2.4.3. Анализ составляющих точности и производительности комбинационного дозатора 13
2.5. Разработка метода комбинационного дозирования для дозаторов с НПД от 100 до 5 000 кг 7 6
2.6. Исследование параметров весоизмерительной системы комбинационного дозатора с НПД от 100 до 5 000 кг 86
2.7. Выводы по главе 89
ГЛАВА 3. Разработка метода расчета цифрового тензодатчика 91
3.1. Определение требований к основным техническим параметрам цифрового тензодатчика 91
3.2. Разработка структурной схемы цифрового тензодатчика 97
3.3. Разработка метода расчета упругого элемента цифрового тензодатчика 99
3.4. Разработка математической модели цифрового тензодатчика 106
3.5. Разработка алгоритмов программного обеспечения109
3.5.1. Фильтрация оцифрованного сигнала, поступающего от АЦП 109
3.5.2. Вычисление необходимого коэффициента масштаба и данных о взвешивании 110
3.5.3. Преобразование полученных данных в протокол обмена по RS-485 111
3.6. Экспериментальные результаты исследования... 115
3.7. Выводы по главе 115
ГЛАВА 4. Разработка структуры комбинационного дозатора с нпд от 100 до 5 000 кг 117
4.1. Разработка метода расчета параметров структуры комбинационного дозатора 117
4.2. Метод поверки комбинационного дозатора 123
4.3. Выводы по главе 129
Глава 5. Имитационная модель комбинационного дозатора с нпд от 100 ДО 5 000 КГ 130
5.1. Постановка задачи имитационного моделирования 131
5.2. Алгоритмы работы имитационной модели комбинационного дозатора с НПД от 100 до
5 000 кг .' 133
5.3. Особенности программы имитационной модели работы комбинационного дозатора с НПД от 100 до
5 000 кг 141
5.4. Анализ результатов имитационного моделирования
5.5. Выводы по главе 153
Заключение 155
Список используемой литературы
- Существующие направления развития систем управления дозаторов дискретного действия
- Выбор методов снижения случайной погрешности дозирования
- Разработка метода расчета упругого элемента цифрового тензодатчика
- Метод поверки комбинационного дозатора
Введение к работе
Актуальность темы. Дозирование является одной из основных операций в технологических процессах различных отраслей промышленности. При производстве большого количества материалов и продуктов используются различные вещества, состав и масса порции которых определяет качество продукции. Большой ассортимент различной фасованной продукции, а также различные физические свойства самих продуктов, при необходимости достижения высокой точности и производительности, делает проблему дозирования одной из самых сложных. В условиях автоматизации производственных процессов взвешивание и дозирование материалов выполняется автоматическими весами, дозаторами дискретного действия (порционными дозаторами). Дозаторы дискретного действия широко применяются в производстве удобрений, пластмасс, красителей, комбикормов, строительных и других материалов. Кроме того, дозаторы дискретного действия используются для фасовки сыпучих материалов в мешки и пакеты при подготовке их к отправке с заводов-изготовителей различным потребителям продукции. Область применения дозаторов дискретного действия очень велика и расширяется по мере их совершенствования, таким образом, проблема исследования и разработки методов проектирования дозаторов дискретного действия является весьма актуальной.
При дозировании и транспортировке в контейнерах сыпучей продукции с разными значениями величин доз более 100 кг требуемая коммерческая точность доз значительно превосходит
среднюю для этого класса точность :0,5 - 1%. Для повышения точности дозирования ряд предприятий применяют систему контрольного взвешивания, что снижает производительность при отбраковке порций. После дозатора устанавливаются
контрольные весы [1], также применяется контрольное взвешивание автотранспорта после отгрузки в него продукта. Использование большегрузных автоматических дозаторов дискретного действия с коммерческой (высокой) точностью
дозировки :..0,1 - 0,2% без потери производительности дозирующей системы решило бы много проблем, связанных с контрольным взвешиванием на производстве. Широкое использование различных типов порционных дозаторов от 100 кг до 100 т в мартеновских цехах по производству различных сталей и чугуна, а также в строительной промышленности и агропромышленном комплексе [1,2,3], подтверждает необходимость исследования методов проектирования систем автоматического дозирования с наибольшим пределом дозирования (НПД) более 100 кг. Все это говорит об актуальности исследования проблем повышения точности и производительности в системах автоматического порционного дозирования с НПД от 100 до 5 000 кг.
В нашей стране основополагающие работы по исследованию проблем точности и производительности дозаторов дискретного действия были выполнены Н.Я. Гроссманом, Г. Д. Шныряевым [ 1 ] , СИ. Гаузнером и С. С. Кивилисом [ 3 ] , СП. Орловым [ 4 ] . В данных работах был рассмотрен автоматический режим работы дозаторов дискретного действия, который обеспечивается рычажно-механическими системами. Электронные системы управления в весовом дозировании получили интенсивное развитие с применением датчиков силы, позволяющих преобразовывать деформации упругого тела с тензорезистором (под действием массы продукта в бункере) в аналоговый сигнал. В работах В.А. Годзиковского [5], А.А. Цивина, Ю.Н. Базжина, А.Н. Кузнецова [б], А.Н. Давиденко [7] предложены методы расчета конструктивных параметров тензорезисторных датчиков, направленные на повышение точности. Следует
отметить работу Ю. Л. Полунова, В.Д. Гальченко [8], которые разработали и предложили различные методы построения основных узлов дозаторов дискретного действия. Основы проектирования автоматических дозаторов дискретного действия освещены в работе Н.Я. Гроссмана и Г. Д. Шныряева [1] . С развитием цифровых систем управления число работ, посвященных вопросам повышения точности и производительности дозаторов дискретного действия постоянно растет. Самыми перспективными и наукоемкими на сегодняшний день являются автоматические весовые дозаторы дискретного действия, построенные на комбинационном методе дозирования. Впервые они были разработаны в Японии в начале 70-х гг. XX в., сейчас проблемам комбинационного дозирования посвящены сотни патентов в ряде стран - США, Италии, Германии. В нашей стране исследование комбинационного метода дозирования отражено в работах Б.Н. Синицына и Г. П. Разумовского [2], П.Л. Иванова и А.Н. Сахарова [9,11], А.В. Шечкова [10]. Небольшое число работ в России, посвященных комбинационному методу дозирования, говорит о недостаточном исследовании предмета. В существующих работах не отражены методы построения весоизмерительной системы комбинационного дозатора. Развитие комбинационных дозаторов как высокоточного и производительного метода дозирования открывает новые области применения, требующие дополнительного исследования для использования комбинационного метода дозирования в таких областях, как большегрузное дозирование с НПД от 100 до 5 000кг.
Дозаторы дискретного действия разрабатывают и выпускают ряд известных фирм таких как: "Бестром", "Сигнал-пак", "Русская трапеза", АООТ "Упаковочные машины", ОАО "345 Механический завод", "ТЕХПАК", "Тензо-М", ЗАО "СКТБ ВИТ с ОП". Основными направлениями в развитии дозаторов
дискретного действия были и остаются повышение производительности и точности величины дозы [1,2,4]. Характерной особенностью современных дозирующих систем является автоматизация процесса дозирования, использование в дозаторах цифровых систем управления, которые значительно превосходят по параметрам точности и производительности механические дозаторы [12]. В прил. 1 приведены технические параметры выпускаемых крупными российскими и зарубежными фирмами автоматических дозаторов дискретного действия и их технические параметры, взятые из рекламных проспектов.
Анализируя весь спектр представленных дозаторов дискретного действия, можно сделать выводы: 1.Наибольшей точностью и универсальностью обладают
дозаторы весового типа. 2. Дозаторы весового типа используют тензометрические
датчики (ТД). 3.Наибольших показателей точности в сочетании с высокой
производительностью ( 0,1%, 120 доз/мин) достигают в области дозирования от 20 до 15 000 г, применяя относительно новый принцип весового дозирования - комбинационный [2,10]. Выпускаемые дозаторы дискретного действия (прил. 1) по НПД условно можно разбить на три класса:
10 -15 000 г;
15 -100 кг;
100 -5 000 кг.
Анализируя точность дозирования дозаторов дискретного действия согласно классу НПД и производительности, можно составить табл. 1.
Таблица 1
Точность дозирования,%
л в о о
о к и І
S ^
О В)
ft о
До 5
10 - 15 000 г
Весовой
Я S
Я S
id >s о к
Объемный
I о
и о к ф
в а и и
15 - 100 кг
Весовой
о к
0,5 -1
100 - 5 000 кг
Весовой
I о
ft і
Ш ft К Ф
KID S »
ТО I
0,5
До 20
0,5
1 1,5
До 80
1 1/5
0,05 -0,1
1,5 2
до 140
ОД -0,2
1 -1,5
Из таблицы видно, что самых высоких показателей точности (до 0,1%) и производительности добились в классе дозаторов от 10 до 15 000 г, наиболее точная и высокопроизводит ельная система в этом классе дозаторов - это комбинационный весовой дозатор. Самые низкие показатели точности (в среднем :1%) и производительности имеют дозаторы класса с величинами доз от 100 до 5 000 кг. Однако некоторые даже известные фирмы, выпускающие такие дозаторы, не показывают в своих рекламных проспектах точность своих систем или указывают точность весоизмерительной системы, а не отгружаемой дозы в целом. Все это говорит о проблемности в разработке дозаторов данного класса.
Проблема точности дозирования и производительности связаны между собой. Для дозатора высокой точности
дозирующая система должна обеспечивать малую величину потока подачи дозируемого продукта, что в 2-10 раз уменьшит производительность всей системы, такой подход в современном производстве не находит применения. Оптимальное решение задачи высокой точности дозирования без потери производительности в дозаторах класса НПД от 100 до 5 000 кг не найдено в сравнении с дозаторами НПД от 10 до 15 000 г, то есть данная проблема не достаточно исследована.
Введение в действие нового ГОСТ 10223-97 [13] добавило много сложностей для разработчиков дозаторов дискретного типа [12]. Так, для дискретных дозаторов класса точности
0,4 и — = 10 (НмПД - наименьший предел дозирования)
НмПД
удовлетворяет весоизмерительный канал с числом поверочных
делений (Ne) не менее 5 000, что само по себе является
сложной задачей, требующей новых и нестандартных решений с
применением высокоточных тензодачиков. Применение
высокоточных ТД обуславливает использование в
весоизмерительном канале дозаторов дискретного действия -
цифровых тензодатчиков (ЦТД) [24,94]. ЦТД обладают высокой
точностью от 3 000 до б 000 поверочных делений. Применение
современных ЦТД является актуальным направлением в развитии
весоизмерительной техники. Исследование проблем разработки
и проектирования ЦТД является необходимым условием
дальнейшего совершенствования дозаторов дискретного
действия.
Объект исследования. Объектом исследования являются:
поиск путей повышения точности и производительности в дозаторах дискретного действия с НПД от 100 до 5 000 кг;
развитие теоретических положений по расчету и проектированию комбинационных дозаторов с НПД от 100 до 5 000 кг;
разработка технических решений по интеллектуальному цифровому тензодатчику, а также методам их расчета.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы являются разработка и исследование методов проектирования информационных систем на основе дозаторов дискретного действия.
Диссертационная работа направлена на повышение точности и производительности в дозаторах дискретного действия с НПД от 100 до 5 000 кг за счет разработки и исследования метода комбинационного дозирования для дозаторов с НПД от 100 до 5 000 кг.
Исходя из изложенного выше, для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
разработка метода анализа погрешности дозирования для
дозатора дискретного действия с НПД от 100 до 5 000
кг;
разработка и исследование математической модели комбинационного дозатора с НПД от 100 до 5 000 кг;
разработка метода расчета высокоточного ЦТД;
разработка метода построения структуры комбинационного дозатора с НПД от 100 до 5 000 кг;
разработка имитационной модели комбинационного дозатора с НПД от 100 до 5 000 кг.
Методы исследования. Для решения поставленных задач используются методы математической статистики, вероятностные методы расчета случайного процесса дозирования комбинационным дозатором и метод сил. Кроме аналитических методов в исследовании используются
имитационное моделирование и эксперименты на конкретных объектах.
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие положения и результаты:
метод анализа погрешности дозатора дискретного действия с НПД от 100 до 5 000 кг;
метод расчета параметров комбинационного дозатора с НПД от 100 до 5 000 кг;
структурная схема комбинационного дозатора с НПД от 100 до 5000 кг;
имитационная модель комбинационного дозатора с НПД от 100 до 5 000 кг;
структурная схема ЦТД и метод расчета упругого элемента ЦТД;
математическая модель ЦТД.
Научная новизна. Научная новизна предлагаемой работы заключается в получении следующих научных результатов:
предложен метод анализа погрешности дозаторов дискретного действия;
разработан метод компенсации систематической погрешности дозирования;
предложен метод комбинационного дозирования для дозаторов с НПД от 100 до 5 000кг и разработана математическая модель комбинационного дозатора;
разработана структурная схема комбинационного дозатора с НПД от 100 до 5 000 кг;
предложен алгоритм выбора годной комбинации бункеров комбинационного дозатора;
осуществлено имитационное моделирование комбинационного дозатора с НПД от 100 до 5 000 кг;
предложен метод расчета параметров комбинационного дозатора с НПД от 100 до 5 000 кг;
предложен метод определения параметров ЦТД повышенной точности;
разработан алгоритм расчета упругого тела ЦТД с наибольшим пределом взвешивания (НПВ), равным 2 000 кг.
Практическая ценность работы:
Изготовлен ЦТД с НПВ 2 000 кг, при расчете упругого тела которого использован метод определения основных геометрических параметров упругого тела.
Разработана цифровая весоизмерительная система.
Создана имитационная модель комбинационного дозатора с НПД от 100 до 5 000 кг.
Акты внедрения прилагаются.
Использование результатов работы. Теоретические и практические результаты работы использованы в рамках выполнения договорных обязательств ЗАО "СКТБ ВИТ с ОП", ОАО "Весоизмеритель" при разработке и изготовлении АСУ вагонных весов, работающих в режиме дозирования с НПД 100 000 кг, ОАО "Армалит" в изготовлении товарных весов НПВ. 5 000 кг, при непосредственном участии автора, что позволило повысить эффективность выполнения договорных обязательств.
Апробация работы и публикации. Оригинальность предложенных принципов и методов подтверждается полезными моделями и патентом [14,15,16].
Результаты диссертационной отражены в публикациях [17,18,20,53].
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Всероссийская научно-практическая конференция
"Современное оборудование для механических испытаний
материалов, конструкций и сооружений" НИКЦИМ Точмашприбор. Армавир, 2000 г.
Межвузовская научно-практическая конференция КубГТУ. Армавир, 2001 г.
Межрегиональный семинар по современным проблемам математики и информатики. АГПУ. Армавир, 2003 г .
XLIX Научно-техническая конференция. ТРТУ. Таганрог, 2003 г.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложений.
Во введении обосновывается актуальность темы, сформулирована цель и задачи работы.
В первой главе диссертационной работы приведен обзор методов дискретного дозирования и отмечен комбинационный метод дозирования как отвечающий требованиям заданной точности и производительности. Проанализированы направления в развитии систем управления процессом дискретного дозирования и отмечена перспективность использования в дозаторах дискретного действия ЦТД. Проведен обзор источников погрешности дозирования и сделан вывод о необходимости разработки математического метода анализа погрешности дозаторов дискретного действия. Выполнен анализ существующих методов повышения точности и производительности в дозаторах дискретного действия с НПД от 100 до 5 000 кг. В заключение главы поставлены задачи исследования.
Во второй главе представлен анализ основных составляющих случайной погрешности дозаторов дискретного действия, предложена динамическая модель дозатора дискретного действия, аналитически выведена формула случайной погрешности дозатора. Для снижения
систематической погрешности дозирования предложен и описан алгоритм работы системы управления дозатором. Исследована математическая модель комбинационного дозатора. Разработан метод комбинационного дозирования для дозаторов с НПД от 100 до 5 000 кг.
В третьей главе разработана модель и структурная схема ЦТД. Выработаны технические требования к параметрам ЦТД. Предложена метод расчета упругого элемента ЦТД. Разработан алгоритм программного обеспечения фильтрации аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и масштабирования методом кусочно-линейной аппроксимации. Приведены результаты экспериментальных исследований.
В четвертой главе на основе предложенного метода комбинационного дозирования и математической модели представлен метод синтеза структурных элементов комбинационного дозатора. Предложена .структура комбинационного дозатора с НПД от 100 до 5000 кг. Представлен метод поверки комбинационного дозатора с НПД от 100 до 5 000 кг.
Пятая глава диссертационной работы посвящена разработке имитационной модели комбинационного дозатора с НПД от 100 до 5 000 кг. Предложен алгоритм подбора годной комбинации бункеров комбинационного дозатора. Проведены исследования на имитационной модели и сделаны выводы по синтезу оптимальных параметров структуры комбинационного дозатора с НПД от 100 до 5 000 кг.
Существующие направления развития систем управления дозаторов дискретного действия
Системы управления, основанные на использовании микропроцессоров (МП), персональных или промышленных компьютеров, разделяются на два класса [8,25]: с централизованным управлением; с децентрализованным управлением.
Современное поколение цифровых систем управления характеризуется применением децентрализованной обработки цифровых данных. В подавляющем большинстве СУПДД используют микропроцессорное (микроконтроллерное) управление дозированием. Особенностью микропроцессорного управления является его децентрализация, при которой функции контроля и управления отдельными дозаторами выполняют локальные микропроцессоры (контролеры управления дозатором), а центральная ЭВМ обеспечивает координацию работ участков и выполняет ряд общих функций.
Основные технические характеристики микроконтроллерных терминалов СУПДД, выпускаемых у нас в стране и за рубежом, можно представить следующим образом: 1-3 аналоговых входа для подключения ТД (длина кабеля от 30 до 100 м) ; 4-8 дискретных входов и выходов с гальванической развязкой (для управления исполнительными механизмами, контроля процесса дозирования, аварийной сигнализации); разрешающая способность до б 000 поверочных делений; шестиразрядный цифровой дисплей; 4-16 кнопок на передней панели (пульт управления и настройки); дистанционный контроль и управление по интерфейсу связи- RS-232 или RS485, 9 600 бод до 1 200 м; таймер реального времени.
Предлагаемые СУПДД обеспечивают процесс дозирования как в структуре общей децентрализованной системы управления, так и независимо, автономно выполняя команды с пульта управления.
Как уже говорилось раннее, одной из главных проблем в дискретном дозировании является точная отсечка заданной дозы. Задача математического расчета упреждающего прекращения (отсечки) подачи продукта возлагается на СУПДД. Кроме того, разработчиками СУПДД применяются методы адаптации системы к изменениям производительности потока продукта [26,27,49]. Возможности адаптации предложены во многих выпускаемых устройствах СУПДД, однако подробного математического анализа применяемых методов в доступной литературе нет.
В настоящее время получают распространение цифровые системы управления, в которых каждый элемент системы является активным устройством. При этом каждый измерительный или управляющий канал может быть снабжен своим собственным микропроцессором, разгружающим главный процессор системы. Системы с такой архитектурой получили название распределенные системы управления (РСУ)[25]. РСУ в общем виде являются координированно-децентрализованными системами управления реального времени [28] . Структура современных РСУ — иерархическая система, в которой один центральный контроллер или компьютер организует связь с несколькими компактными периферийными микроконтроллерами, обеспечивающими ввод-вывод аналоговых или дискретных сигналов, имеющих общий последовательный интерфейс. Такие устройства в настоящее время выпускаются многими зарубежными фирмами (например, Advantech, PHILIPS,НВМ).
В распределенных системах управления взвешиванием и дозированием находят применение (интеллектуальные) ЦТД или законченные компактные СУПДД (фирма НВМ AED9201, AED9301), характеризующиеся предварительной обработкой сигнала датчиков в месте его возникновения, что значительно повышает помехоустойчивость системы [2] . Данные устройства не могут обеспечивать процесс дозирования автономно и являются частью РСУ. Такой подход способствует большей децентрализации управления, разгружая задачи управления (терминал отдельно) по нескольким устройствам, что повышает производительность СУПДД. Соединение в сеть устройств РСУ организуется с помощью стандартных шин (IEEE-488, RS-232, RS-422, RS-485, Profibus DP VI).
Одна из ведущих фирм по производству весоизмерительных устройств, фирма НВМ, предлагает устройства типа AED 9001А, AED 9101А, представляющие собой микроконтроллеры для сбора аналогового сигнала ТД и передачи в цифровом виде по последовательному интерфейсу RS-235,RS-485. Последней разработкой фирмы НВМ являются AED9201, AED9301 устройства управления процессом дозирования. Известная фирма по производству промышленного оборудования Advantech выпускает модули для распределенных систем сбора данных и управления, имеющие внешний интерфейс RS-485. Наличие встроенных микропроцессоров позволяет им осуществлять нормализацию сигналов, операции аналогового и дискретного ввода/вывода, отображение данных и передачу (или прием) по интерфейсу RS-485. Модули серии ADAM-4000 типа ADAM-4016 и ADAM-4050 представляют собой компактные и интеллектуальные устройства аналогового ввода (сигнала тензомоста) и цифрового ввода-вывода (работа с электронным реле включения и выключения питателей).
Анализ современных СУПДД говорит о том, что основным перспективным направлением в развитии СУПДД является разработка цифровых СУПДД [2,51,52,63], являющихся составной частью распределенной системы управления.
Существует необходимость в исследовании и математическом анализе методов адаптации СУПДД к систематическим изменениям входного потока продукта.
Выбор методов снижения случайной погрешности дозирования
Анализируя формулу (2.8), выделим основные составляющие случайной погрешности дозирования и сделаем следующие выводы:
1. Составляющими случайной погрешности дозирования в дозаторах с НПД от ЮОдо 5 000 кг являются: дВЕС- погрешность весоизмерительной системы; отклонение расхода продукта питателем SGn, характеризующее неравномерность подачи потока продукта питателем.
2. Основной определяющий источник ошибки отсечки дозы — величина отклонения расхода продукта питателем SGn — характеризуется производительностью питателя и свойствами самого продукта, поэтому является практически неустранимым источником погрешности, по крайней мере, до такой степени, чтобы погрешность SGn стала пренебрежимо мала.
3. Уменьшение расхода Gn питателя (и, как следствие, уменьшение погрешности SGn ) снижает погрешность дозирования до точности весоизмерительного устройства, но при этом значительно уменьшается производительность.
4. Малая скорость преобразования /АЦП АЦП СУПДД при большем расходе питателя Gn может стать источником значительной погрешности отсечки дозы 5ОТСЕЧ . Обобщая сказанное выше, можно выделить основные направления снижения случайной погрешности дозирования без потери в производительности дозатора: увеличение /АЩ1 АЦП СУПДД (т. е. увеличение скорости оцифровки аналогового сигнала тензодатчика); повышение точности весоизмерительной системы дозатора.
Для решения данных задач становится очевидным применение цифровых тензодатчиков веса как наиболее точных и имеющих в своей структуре микроконтроллерную обработку весовых данных. Однако данное направление разработки и применения ЦТД в контуре управления дозаторов дискретного действия недостаточно исследовано и является проблемным. Таким образом, существует необходимость в исследовании проблем разработки и расчета ЦТД для применения в дозаторах с НПД от 100 до 5 000 кг.
В дозировании присутствует систематическая составляющая погрешности (отклонение среднего значения массы дозы от номинального значения [13]), которая может оказывать значительное влияние на точность дозирования. Природа данной ошибки заключается в нестабильности масс запаздывания продукта из-за неравномерности поступления потока продукта в питатели.
В системах управления дискретным дозированием применяют различные алгоритмы учета и устранения систематической погрешности дозирования, однако подробного математического анализа применяемых методов нет. Чаще всего в рекламных проспектах на дозатор производители пишут об адаптации дозатора к изменяющимся параметрам входного потока продукта в питатель. Суть многих статей в этой области сводится к необходимости систематически приближать среднюю величину отклонения к номинальной массе [4, 22] . В противном случае, если средний показатель постоянно оказывается выше номинального, хотя и в допустимых пределах, имеет место передозировка и перерасход. Если среднее отклонение оказывается ниже номинального, наблюдается уменьшение массы упакованного продукта. Для решения этой проблемы в статье А. Батенко [27] предлагается использовать достаточно разработанную теорию терминального управления, которая позволяет перевести любую динамическую систему в течение заданного времени в определенное конечное состояние. Применительно к шнековому питателю задача формулируется так: задать большую начальную производительность шнека, набрать 90 - 95% заданной массы компонента, а затем пройти последний участок дозирования со снижением числа оборотов шнека по определенному закону с обеспечением его заданной конечной производительностью, гарантирующей минимальные ошибки дозирования. Однако как быть в случае с шиберными питателями (затворами), в которых нет возможности плавно регулировать производительность потока?
Предлагается метод снижения систематической погрешности в дозаторе дискретного действия, за счет учета изменяющегося значения расхода продукта (производительности) питателем.
Ранее проводился анализ погрешности дозирования, где был сделан вывод, что изменение масс запаздывания продукта Мпр и Л/Ст (формулы (2.3) и (2.4)) за время срабатывания питателя на закрытие происходит главным образом в связи с изменением величины расхода питателя Gn . Чаще всего основной причиной изменения величины расхода питателя Gn можно назвать колебания с течением длительного времени входного потока продукта, поступающего в питатель дозатора.
Разработка метода расчета упругого элемента цифрового тензодатчика
При выработке требований к основным параметрам ЦТД, ключевым элементом, определяющим метрологические параметры ТД, является тип упругого элемента. Требования, которые предъявляются к упругому элементу, обуславливаются действующими дестабилизирующими факторами (окружающая среда, изменение температуры), кроме этого конструктивные параметры ТД должны обеспечивать герметичность тензорезисторов и монтаж микросхем, используемых для преобразования аналогового сигнала в цифровой с последующей обработкой данных.
Высокие требования к метрологии датчиков дозирующих систем делают актуальным проблему создания упругого элемента для ЦТД, что, в свою очередь, ставит необходимость разработки математической модели расчета упругого элемента для ЦТД.
Рассмотрение различных методов расчетов упругого элемента [5,6,85,86,88,90] позволяет сделать вывод, что представление параллелограммного датчика в виде прямоугольной рамы позволит значительно упростить расчет напряжений в местах установки тензорезисторов. На рис. 3.4 представлен упрощенный вид ТД. Принимаем в качестве основной модели расчета упругого элемента модель прямоугольной рамы для датчика параллелограммного типа. Модель прямоугольной рамы (рис. 3.5) имеет участки для наклейки тензорезисторов 1,2,3 и 4. V В \ D Рис. 3.5 Расчетная схема упругого элемента имеет следующие допущения: участки АС и BD являются абсолютно жесткими элементами, поэтому исследование напряжений упругого элемента на этих участках не производится; АС 1 соотношение размеров упругого элемента: АВ 10 [36,89] . Становится очевидно, что конструктивно участки АС и BD должны быть выполнены в соответствии с данными допущениями.
Исследованию при разработке модели необходимо подвергнуть участки АВ=1 и CD=1 в местах наклейки тензорезисторов. Упругий элемент данной модели представляет собой систему замкнутого контура, который трижды статически неопределим (рис 3.6).
Для определения значения единичной силы вычислим значение коэффициентов: S33 и D3p.
Удельные перемещения определяются интегралом Мора [36,84,87]. Рассматривая принятую расчетную схему и анализируя полученные эпюры напряжения, видим, что значения коэффициентов S33 и D3p будут соответственно равны: Мъ „ = Г ds г EI 33 J FJ (3.3) EI гМзМв Dip=\—r ds. s (3.4) Алгоритм вычисления коэффициентов, определяющихся на основе вычисления численного значения определенного интеграла, производится в соответствии с правилом Верещагина, т.е. 33=/ Mi , F,M3 ds = —— EI EI (3.5) 105 lp і EI EI где Ез - площадь эпюры момента от единичной нагрузки; М3 тл Мр - ордината эпюры момента от внешней (единичной) нагрузки в сечении, соответствующем центру тяжести площади эпюры от единичной нагрузки; Е - модуль упругости упругого элемента; I - момент инерции.
Рассчитав значение коэффициентов S33 и D3p, определим на основе уравнения (3.2) значение единичной силы Х3.
Суммарный изгибающий момент определяется в соответствии с выражением MZ=M 3X,+MP . (3.7) На основании полученных результатов производится расчет напряжения от суммарного изгибающего момента: о = -, (3.8) W где М - значение суммарного изгибающего момента в месте наклейки тензорезисторов; W--J-J - осевой момент сопротивления [36]; /2 h - толщина сечения упругого элемента в месте наклейки тензорезистора. В соответствии с полученными значениями напряжения производится расчет выходного напряжения моста ТД (закон Гука): где R - номинальное сопротивление тензорезисторов; К - коэффициент тензочуствительности тензорезистора; а - напряжение.
Конструкция упругого элемента (поверхность для наклейки тензорезисторов) должна обеспечивать возникновение на планарных рабочих поверхностях равные по величине и противоположные по знаку деформации. Это условие достигается при использовании четырех активных тензорезисторов, при этом выходное напряжение тензометрического моста определяется в соответствии с [37] Weblx= Unum, (3.10) где ІГпит - напряжение питания тензометрического моста. 3.4. Разработка математической модели цифрового тензодатчика
Модель ЦТД позволяет получить выходные характеристики в зависимости от входных данных. Входными данными для ЦТД являются: геометрические величины конструкции датчика; значение веса нагружаемого датчика; напряжение питания ТД.
Алгоритм модели ЦТД представлен в виде блоков, последовательно выделенных в процедуры. На рис. 3.11 рассмотрен более подробно алгоритм расчета упругого элемента и алгоритм работы ЦТД. Функционально алгоритм разбит на несколько частей:
Метод поверки комбинационного дозатора
Для построения имитационной модели будем использовать конструкцию дозатора согласно предложенному в главе 2 методу комбинационного дозирования. Определим основные задачи разрабатываемой имитационной модели: установление факторов, влияющих на точность работы комбинационного дозатора; проверка результатов аналитических исследований, проведенных в главе 2; синтез оптимальной структуры комбинационного дозатора с НПД от 100 кг до 5 000 кг и параметров весоизмерительной системы бункеров дозатора.
Согласно поставленным перед имитационной моделью задачам необходимо учесть все параметры, влияющие на процесс дозирования. Учитывать конструкторские особенности исполнительных элементов дозатора не будем, считая работу дозатора идеальной. Основные факторы, влияющие на работу рассматриваемого комбинационного дозатора: математическое ожидание и дисперсия распределения массы в дополнительных бункерах {х, ах доп2) и основном бункере {dOCH, crx_OCH2) . Необходимо исследовать влияние данных параметров на работу дозатора, при нормальном законе распределения продукта.
Имитационная модель должна помочь ответить на следующие вопросы: как влияют относительные размеры основного бункера (математическое ожидание распределения массы продукта Лосн осн) и среднеквадратичное отклонение набора массы продукта в основном бункере ах осн на работу дозатора; 132 как влияет среднеквадратичное отклонение набора массы продукта в дополнительном бункере на точность дозирования; какова должна быть минимальная точность весоизмерительной системы бункеров комбинационного дозатора для достижения заданной точности дозирования при заданных значениях НмПД и НПД дозатора.
Для оценки точности дозирования в модели будут использоваться данные экспериментального распределения массы дозы и рассчитываться из среднего значения массы дозы и дисперсии дозы.
Для оценки производительности будем использовать параметр - количество непроизводительных циклов (число ситуаций "нет годной комбинации"), так как возникновение данной ситуации требует приостановки цикла дозирования. Обратным значением данного параметра можно назвать вероятность нахождения годной комбинации. Выход из этой ситуации в имитационной модели будет происходить автоматически, упрощенно с выгрузкой всех дополнительных бункеров.
Одним из важных факторов, влияющих на работу дозатора, является алгоритм подбора дополнительных бункеров для выгрузки. Задачи данного алгоритма: перебор комбинаций из дополнительных бункеров; выбор годной комбинации. Как уже говорилось в главе 2 (рис. 2.5), для максимальной вероятности нахождения годной комбинации следует применять алгоритм подбора годных комбинаций с использованием метода с нефиксированным количеством дополнительных бункеров, участвующих в наборе дозы (т.е. перебор всех возможных комбинаций). Критерием выбора годной комбинации будет выбор комбинации с максимально близким значением дозы к номинальному. Данный метод требует перебора всех комбинаций на каждом цикле, но дает максимальную вероятность нахождения годной комбинации [10].
Для проверки результатов аналитических исследований и их применяемости в имитационной модели будет производиться расчет математического ожидания и дисперсии числа годных комбинаций. Математическое ожидание числа годных комбинаций и дисперсия вычисляется как среднее значение числа годных комбинаций экспериментальных циклов дозирования.
Задачами синтеза структуры комбинационного дозатора является получение следующих оптимальных параметров: количество дополнительных бункеров дозатора; относительные размеры основного бункера; точность весоизмерительной системы бункеров, НПВ основного и дополнительного бункеров.
Критерием для выбора структуры дозатора назовем получение заданной точности дозирования: при минимальном количестве дополнительных бункеров; максимальном значении вероятности нахождения годной комбинации; минимальной точности набранной дозы; наиболее допустимой точности весоизмерительной системы бункеров (не более 3 000 - б 000 поверочных делений) с учетом заданных значений НмПД и НПД дозатора.
Для получения оптимальных значений выходных параметров необходимо варьировать исходными параметрами имитационной модели, получая графики выходных данных модели.
