Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор и анализ известных методов и средств автоматизации процессов дозирования жидкостей. Классификация систем автоматизированного дозирования (САД) 14
1.1. Терминология 14
1.2. Основные задачи и методы дозирования жидкостей 16
1.3. Обзор САД
1.3.1. Обзор САД для автоматизации технологических процессов, содержащих контуры дозированной подачи жидкостей 19
1.3.2. Обзор дозировочного оборудования для упаковочной отрасли 28
1.3.3. Классификация САД 39
Основные результаты и выводы по главе 1 43
ГЛАВА 2. САД для автоматизации технологических процессов, содержащих контуры дозированной подачи жидкостей 45
2.1. Методы и процессы очистки сточных вод гальванопроизводств 45
2.2. Преобразователь расхода дозируемой среды в давление сжатого воздуха 52
2.3. Разработка дозирующих устройств (ДУ) с преобразователем расхода дозируемой среды в давление сжатого воздуха. Описание алгоритмов управления дозированием 64
2.4. Исследование метрологических характеристик порционных САД с ДУ монжусного типа 71
2.5. Методика проектирования и аппаратурная реализация САД с преобразователем расхода дозируемой среды в давление сжатого воздуха 82
ГЛАВА 3. Типовые САД для расфасовки жидких продуктов в тару 112
3.1. Принципы построения САД по косвенным параметрам 114
3.2. Методика проектирования типовых САД 124
3.3. Аппаратурная реализация устройств управления (УУ) типовых САД 135
3.4. Компьютеризация процесса проектирования САД 152
Основные результаты и выводы по главе 3 157
ГЛАВА 4. Принципы построения систем многокомпонентного дозирования 159
Основные результаты и выводы по главе 4 174
ГЛАВА 5. Особенности и примеры проектирования индивидуальных САД 176
5.1. Комбинированные системы 176
5.2. Системы на конвейерных линиях 178
5.3. Многоручьевые САД 188
5.4. Индивидуальная система весового дозирования 193
5.5. Пневмоэлектронные системы дозирования 202
Основные результаты и выводы по главе 5 205
Заключение 205
Список литературы 208
Приложения 220
Список сокращений
- Обзор САД для автоматизации технологических процессов, содержащих контуры дозированной подачи жидкостей
- Преобразователь расхода дозируемой среды в давление сжатого воздуха
- Аппаратурная реализация устройств управления (УУ) типовых САД
- Системы на конвейерных линиях
Введение к работе
Проблематика диссертации. В диссертации решается крупная научно-техническая проблема, имеющая важное народно-хозяйственное значение, - создание конкурентоспособного однотипного дозировочного оборудования для автоматизации производственных технологических процессов (ТП), содержащих контуры дозированной подачи жидкостей. В этой связи в работе предложена новая технология построения систем автоматизированного дозирования (САД) жидкостей, рассматриваемых в виде совокупности дозирующего устройства (ДУ) как объекта управления и устройства управления (УУ), обеспечивающего управление исполнительными органами ДУ по заданному алгоритму. Проектирование САД ведется на основе использования методов отмеривания дозы по косвенным параметрам, аппаратуры промышленной пневмоавтоматики УСЭППА и ЦИКЛ в узлах управления и датчиков параметров течения жидкостей барботажного типа.
Актуальность.
1. Значительная часть ТП химических, нефтехимических, пищевых, текстильных, парфюмерных, лакокрасочных, фасовочных (разлив жидких продуктов в тару) и других производств характеризуется наличием операций, для выполнения которых необходима реализация автоматической подачи в объект управления (ОУ) устанавливаемых технологическим регламентом доз или расходов жидких компонентов. При этом при проектировании оборудования необходимо учитывать разнообразие физико-химических свойств дозируемых составов, обеспечивать достаточно высокую точность и широкие диапазоны дозирования.
Задача автоматизации операций дозирования усложняется, если требуется реализовать систему автоматического регулирования (САР) параметров ТП, эффект регулирования в которой достигается посредством ввода в ОУ доз жидкости. В этом случае САД надо рассматривать и, соответственно, проектировать как исполнительное устройство (ИУ) в составе САР, в которой, помимо средств автоматического контроля и регулирования основных параметров, должны содержаться контуры управления собственно процессами дозирования.
И здесь проектировщик сталкивается с еще более сложной задачей, когда ОУ обладает инерционным запаздыванием и параметрической нестационарностью. Последняя выражается в непостоянстве во времени его динамических параметров.
Типичными примерами таких ОУ являются объекты очистки промышленных сточных вод гальванических производств.
Эти ОУ характеризуются следующими общими признаками:
возможностью описания динамики реакторов очистных установок передаточной функцией Wо(s) вида: Wo(s)= koexp(-os)/(Tos+1), где ko, o и Тo - соответственно, коэффициент усиления, постоянная времени и время запаздывания ОУ;
параметрической нестационарностью, выражающейся в непостоянстве во времени параметров ko, o и Тo или части из них, обусловленной их зависимостью от химического состава сточных вод.
Согласно рекомендациям, изложенным в научно-технической литературе, при выборе закона регулирования для такого рода объектов необходимо учитывать величину отношения o/To, служащую общей динамической характеристикой ОУ. В зависимости от величины o/To рекомендуется выбирать двухпозиционный закон регулирования при o/To < 0,2; пропорциональный - при 0,2 o/To 1,5; импульсный - при o/To > 1,5.
На практике же, ввиду параметрической нестационарности данных ОУ и ограниченности времени процесса обезвреживания промстоков, применение какого-либо одного из указанных законов регулирования не обеспечивает нужные характеристики САР по точности и быстродействию. Для достижения должного качества очистки в реальных условиях, необходимо применение САР с перенастраиваемой структурой, для реализации которых требуется определенный класс практически отсутствующих в промышленности универсальных САД, конструктивно и функционально приспособленных к выполнению операций как порционного, так и непрерывного дозирования. Термин «функционально приспособленных» означает, что эти системы должны иметь датчики выходных параметров и соответствующие функциональные блоки, воспринимающие входные управляющие сигналы для реализации того или иного алгоритма управления дозированием.
2. Среди указанных выше производств, связанных с задачами автоматизации процессов дозирования жидкостей, фасовочные производства занимают особое место. Это связано с тем, что в последнее десятилетие в России получает развитие упаковочная отрасль. Образовался целый ряд предприятий малого и среднего бизнеса, занимающихся производством и расфасовкой жидких продуктов в тару. В связи с этим становится чрезвычайно актуальной проблема создания высокоточного, недорогого, надежного и компактного импортозамещающего фасовочного оборудования, учитывающего специфические условия малых производств.
В отличие от крупносерийных и массовых производств такое оборудование должно быть приспособлено к работе с большой номенклатурой дозируемых составов и иметь возможность оперативной переналадки на разные типы продукции.
3. В научно-технической литературе общепризнанной является классификация САД по основным принципам действия.
Здесь выделяются следующие группы устройств и систем дозирования: замкнутые САР параметров ТП с расходомерами на линиях подачи дозируемой жидкости в объект – приемник доз и насосы-дозаторы, реализующие функции непрерывных САД; системы автоматического отмеривания доз с расходомерами и интегрирующим устройством, ДУ сифонного и эрлифтного типов, а также ДУ с мерной емкостью, реализующие функции порционных САД.
Строящиеся по рассмотренным схемам замкнутые САР с расходомерами имеют низкую точность при малых величинах производительности, что связано с нестабильностью характеристик регулирующих клапанов, особенно при работе с малыми перепадами давлений. Другим их недостатком является наличие конструктивно сложных расходомеров, устанавливаемых в линиях подачи дозируемой среды, и вторичных приборов, понижающих надежность данных систем.
Системы автоматического отмеривания доз, реализующие функции порционных САД работают по одному из двух принципов:
путем суммирования мгновенных значений расхода, осуществляемого посредством связанного с расходомером интегрирующего устройства, и отключения исполнительного механизма (ИМ) при достижении заданной величины дозы. В качестве интегрирующего устройства используются различные системы задания, учета и регистрации протекших количеств жидкости, работающие в комплекте с крыльчаткой или подобного рода датчиком расхода, преобразующим объемный расход жидкости в скорость вращения чувствительного элемента (вертушки, ротационные, барабанного типа);
путем использования ДУ непрерывного действия с постоянным расходом на выходе (в качестве которых выступают насосы-дозаторы с усреднителем расхода) с отмериванием дозы по времени.
Данные принципы построения систем порционного дозирования неприемлемы для отмеривания и выдачи малых доз ввиду наличия больших статических и динамических ошибок, возникающих из-за нелинейности и инерционности датчиков расхода и регулирующих органов (в первом случае) и из-за наличия относительно больших по продолжительности и, как правило, нестабильных переходных процессов изменения расхода дозируемой среды при включении и выключении ДУ (во втором случае).
Насосы-дозаторы (электроприводные и пневматические), применяемые главным образом на жидкостях, не содержащих твердой фазы, являются конструктивно сложными, имеют узкий диапазон дозирования. Насосы-дозаторы целесообразно применять при значительном противодавлении в объекте – приемнике доз, а также для непрерывного напорного объемного дозирования при соблюдении бесперебойности подачи и постоянства концентрации дозируемого состава.
ДУ сифонного и эрлифтного типов являются высоконадежными безарматурными системами свободного и низконапорного истечения. Однако, их применение в качестве средств автоматизации ТП ограничено.
ДУ сифонного типа могут использоваться лишь для дозирования фиксированных объемов жидкости и не позволяют производить автоматическую дистанционную регулировку величины дозы. Кроме того, для обеспечения приемлемой точности дозирования требуются дополнительные средства стабилизации перепада давлений на линии подачи жидкости, а также дополнительные ИУ для автоматизации операций пуска и останова сифона.
ДУ эрлифтного типа могут применяться лишь на невязких жидкостях.
ДУ с мерной емкостью конструктивно сложны и применимы лишь для дозирования фиксированных или изменяемых в сравнительно узком диапазоне доз жидкости, что связано с ограниченностью объема ME.
Представляют особый интерес безарматурные устройства транспортировки жидких сред под действием избыточного давления сжатого воздуха, создаваемого в замкнутом расходном резервуаре-монжусе. Эти устройства не являются собственно ДУ, так как имеют существенную зависимость расхода на выходе от текущего положения уровня жидкости в резервуаре. Тем не менее, эти устройства не содержат гидрозапорную арматуру в линии подачи жидкости. Именно это обстоятельство явилось причиной принятия их за основу для дальнейшей доработки и реализации безарматурных универсальных САД.
Среди систем расфасовки жидких продуктов в тару на сегодняшний день наибольшее распространение получили дозаторы объемно-поршне-вого типа с мерными камерами (МК) переменного объема и с клапанно-поршневыми ИМ и весовые, в которых реализован прямой метод отмеривания дозы: по объему МК (в первом случае) или по показаниям автоматизированных электронных весов (во втором случае).
Другими распространенным типами ДУ являются ДУ гравитационного типа с отмериванием дозы по уровню жидкости в таре и перистальтические – с отмериванием дозы по числу оборотов приводного вала.
Таким образом, обосновывая актуальность темы диссертации, необходимо отметить следующее.
Известные ДУ имеют ряд принципиальных недостатков, ограничивающих их эффективное использование как для построения универсальных САД для автоматизации ТП, так и в качестве фасовочного оборудования в условиях малых производств.
К этим недостаткам относятся: сложность конструкций узлов дозирования и управления; сравнительная узость обеспечиваемых диапазонов дозирования; неприспособленность оборудования к дозированию сред с различными физико-химическими свойствами; узкие функциональные возможности по оперативной перенастройке выходных параметров ДУ.
Целью работы является исследование и разработка принципов построения, методики проектирования и аппаратурной реализации гаммы САД жидкостей широкого назначения, в том числе следующих систем.
1. Универсальных САД для построения САР ТП с перенастраиваемой структурой для ОУ, обладающих инерционным запаздыванием и параметрической нестационарностью (на примере ОУ процессами очистки промышленных сточных вод гальванопроизводств).
2. Универсальных автономных САД для автоматизации процессов порционного и непрерывного дозирования жидкостей в устанавливаемых технологическим регламентом количествах.
3. Высокоточных, недорогих и компактных импортозамещающих САД для расфасовки жидких продуктов в тару для малых производств, в том числе типовых с ручной установкой тары на позицию налива, и строящихся на основе типовых – индивидуальных систем, встраиваемых в конвейерные линии, с широкими функциональными возможностями по оперативной перенастройке как величины дозы, так и диапазона дозирования.
4. Систем многокомпонентного дозирования.
Задачи диссертационной работы. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
провести обзор и анализ существующих методов дозирования жидкостей, а также принципов построения и конструктивных особенностей промышленных автоматизированных ДУ и САД;
выработать классификационные признаки, на основании которых может быть произведен выбор рациональных принципов организации и построения указанных в цели работы систем;
разработать методы преобразования расхода жидкости (как основного регламентируемого параметра процессов дозирования) в выходные параметры, приемлемые и удобные для построения пневматических САД, в том числе универсальных (в вышеуказанном смысле);
на основе изучения ТП расфасовки жидкостей в тару и используемого в этих процессах промышленного дозировочного оборудования, выявить специфику малых производств и разработать принципы построения и методику проектирования типовых и индивидуальных САД, удовлетворяющих требованиям данных производств;
выработать критерии и разработать принципы построения систем многокомпонентного непрерывного и порционного дозирования.
Методы исследования. Проведенные исследования базируются на основах гидродинамики неустановившегося движения жидкости, математической теории обработки данных экспериментов, теории линейных систем автоматического регулирования, на применении формализованного описания последовательности технологических операций автоматизируемого процесса в виде графа операций, а также на использовании известных методов и прикладных программ на персональных компьютерах, позволяющих сократить трудозатраты на разработку и проектирование САД.
Научная новизна. Научная новизна работы заключается в разработке, обосновании, аналитическом и экспериментальном исследовании новых оригинальных технологий и схемных решений на основе методов отмеривания дозы по косвенным параметрам для создания комплекса САД жидкостей. Данная обобщенная формулировка научной новизны работы раскрывается следующими новациями.
1. Разработана новая классификация САД по признакам наличия или отсутствия в системе датчиков контроля ее выходных параметров и по методам контроля этих параметров, на базе которой выработаны рациональные принципы организации и построения САД, указанных в цели работы.
2. На основе предложенного нового способа порционного дозирования жидкостей разработан новый класс замкнутых универсальных САД с единым выходным параметром - текущей величиной расхода жидкости на выходе ДУ, преобразуемой в давление сжатого воздуха.
3. Предложена методология анализа систематических погрешностей процессов порционного дозирования жидкостей, приемлемая и для анализа метрологических характеристик аналогичных процессов.
4. Разработаны принципы построения, методика проектирования и номенклатура типовых САД по косвенным параметрам для малых производств на основе использования датчиков параметров течения жидкостей барботажного типа и аппаратуры промышленной пневмоавтоматики систем УСЭППА и ЦИКЛ.
Достоверность научных положений и выводов, полученных в диссертации, подтверждена результатами практического использования разработанных систем дозирования на ряде промышленных объектов.
Практическая ценность работы заключается в создании новых принципов построения, методики проектирования и аппаратурной реализации САД по косвенным параметрам с едиными принципами их организации и реализации на элементной базе промышленной пневмоавтоматики.
В диссертации получены следующие практические результаты.
1. Разработаны оригинальные схемы построения и аппаратурная реализация пневматических функциональных блоков УУ в составе САД:
2. Разработаны критерии и принципы построения универсальных многокомпонентных САД, предложен ряд конструктивных и схемных решений, упрощающих реализацию систем многокомпонентного дозирования.
3. Показаны особенности проектирования индивидуальных САД и их использования как нестандартного дозировочного оборудования для решения задач дозирования жидких продуктов в условиях малых производств.
Результаты работы нашли практическое применение на ряде производств на предприятиях малого и среднего бизнеса в виде автоматизированных систем дозирования, прошедших этап опытной, а после их доводки - промышленной эксплуатации. Получены акты внедрения разработанных и переданных заказчикам систем, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.
Диссертационная работа выполнена в рамках плановой тематики Института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на IX (Варшава, 1982) и X (Москва, 1986) Международных конференциях по пневмоавтоматике и струйной технике; на третьем Научно-техническом семинаре "Пневматические системы управления биологическими процессами", Москва, 1987; на Научно-практической конференции "Автоматизация в экологии и медицине", Самара, 1991; на Национальном форуме "Экология и экономика России", Москва, 1995; на Всероссийском совещании "Пневмоавтоматика", Москва, 1996; на третьей Международной конференции "Проблемы управления качеством окружающей среды", Москва, 1997; на Всероссийской конференции с международным участием "Пневмогидроавтоматика - 99", Москва, 1999; на Международной конференции по проблемам управления, Москва, 1999; на Третьей (Москва, 2006) и Четвертой (Москва, 2009) международных конференциях по проблемам управления; на Российской конференции с международным участием “Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения” (УКИ'08), Москва, 2008; на семинарах ассоциации «Росупак».
Публикации. Основные результаты исследований и разработок по теме диссертации содержатся в 52 публикациях, в их числе 23 публикации в ведущих научных журналах и изданиях перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 232 стр. машинописного текста, 53 рисунка, 8 таблиц и список литературы из 121 наименования.
Обзор САД для автоматизации технологических процессов, содержащих контуры дозированной подачи жидкостей
В немногочисленных научно-технических печатных изданиях [18 - 28J, касающихся вопросов автоматизации процессов дозирования, а также в современных обзорных и аналитических материалах, публикуемых в сети «Интернет», фактически отсутствует единое общепризнанное толкование основных понятий в области дозирования жидкостей. Поэтому, с учетом целевой направленности диссертации, эти понятия нуждаются в уточнении.
Под дозированием будем понимать процесс выдачи продукта с количественно регламентируемыми параметрами по расходу - для процессов непрерывного дозирования, или по объему (или весу) дозы для процессов порционного дозирования. Для процессов непрерывного дозирования обычно дополнительно регламентируется время непрерывной работы, а при порционном - время выдачи дозы и периодичность выдачи доз.
Процесс непрерывного дозирования содержит последовательно выполняемые операции включения подачи дозируемой среды к потребителю, собственно непрерывного дозирования (обычно с требуемой постоянной величиной расхода) в течение заданного, изменяемого в широких пределах, промежутка времени и прекращения дозирования. Процесс порционного дозирования содержит три операции - транспортировку дозируемой среды от источника в узел отмеривания дозы, отмеривание заданной величины дозы и выдачу дозы потребителю.
Под дозирующим устройством (ДУ) будем понимать технологическое оборудование с обвязкой (расходные баки с дозируемыми продуктами, гид-розапорная и регулирующая арматура, датчики контроля параметров процесса дозирования, исполнительные органы дозирования), предназначенное для осуществления процесса дозирования. В соответствии с функциональным назначением ДУ можно подразделить на ДУ непрерывного действия, порционные и универсальные (приспособленные к выполнению операций как порционного, так и непрерывного дозирования).
Под системой автоматизированного дозирования (САД) будем понимать совокупность ДУ (как объекта управления) и УУ дозированием, обеспечивающего управление исполнительными органами ДУ по заданному алгоритму. Соответственно будем различать системы непрерывного и порционного дозирования (непрерывные и порционные САД), а также универсальные САД, конструктивно и функционально приспособленные к выполнению операций как порционного, так и непрерывного дозирования.
Замечание. Уточняя понятие универсальных САД отметим, что термин «функционально приспособленные» означает, что эти системы должны иметь датчики выходных параметров и соответствующие функциональные блоки, воспринимающие входные сигналы от управляющего устройства для реализации того или иного алгоритма управления дозированием. Так что в этих системах реализация операций процесса непрерывного или порционного дозирования достигается исключительно за счет изменения алгоритма управления," без введения дополнительных узлов в конструкцию ДУ и дополнительных функциональных блоков
Несмотря на большое разнообразие процессов, включающих операции дозирования жидкостей, можно выделить следующие наиболее часто встречающиеся на практике задачи дозирования: поддержание заданного значения объемного (или массового) расхода; поддержание заданного соотношения расходов дозируемой жидкости и основного потока жидкости или газа; поддержание заданного соотношения расходов нескольких жидких компонентов; отмеривание заданного объема (или массы) жидкости.
Системы с применением дозаторов массы являются наиболее точными, однако они сложны, дороги, имеют недостаточное быстродействие и невысокую надежность. Все преимущества этих дозаторов сказываются только при работе с сыпучими материалами. Их применение для дозирования жидких компонентов оправдано при наличии значительных колебаний их плотности и при невозможности введения средств автоматической компенсации погрешностей дозирования, связанных с изменением плотности.
Первые три задачи представляют собой задачи непрерывного дозирования, которые возникают при автоматизации непрерывных и непрерывно-дискретных ТП.
В отсутствие внешних возмущающих воздействий на ОУ регулирование и контроль величины расхода могут осуществляться на основе применения автоматических дозаторов непрерывного действия, строящихся по разомкнутой схеме, без автоматической коррекции отклонений установленной величины расхода от заданного значения. При наличии возмущающих воздействий необходимо создание замкнутых САР расхода, оснащенных расходомер-ными и корректирующими устройствами.
Задачи регулирования средней величины расхода решаются на основе применения ДУ непрерывного действия и, в ряде случаев - порционных с усреднением расхода на выходе ДУ. Отмеривание заданного объема (или массы) жидкости представляет собой задачу порционного дозирования. Она возникает при автоматизации дискретных и непрерывно-дискретных ТП в следующих случаях: - при использовании операции отмеривания объема дозы для реализации импульсного регулирования в САР параметров ТП, например, параметра рН при автоматизации процессов очистки сточных вод; - при необходимости выдачи заданных количеств готового продукта (например, в пищевых производствах); - при-автоматизации приготовления растворов заданного состава (например, в пищевых и парфюмерных производствах); - при расфасовке жидких продуктов в тару в упаковочной отрасли.
Автоматическое отмеривание заданных объемов жидких компонентов средствами порционного дозирования оправдано, как правило, только при дозировании относительно малых доз, т.к. создание порционного дозатора на большие дозы приводит к чрезмерному увеличению габаритов дозировочного оборудования и затрудняет тарировку ДУ, а использование порционных дозаторов малых доз жидкости для отмеривания больших доз значительно снижает производительность ДУ.
Ввиду указанных причин, дозирование больших доз производится двумя наиболее распространенными на практике способами: - путем суммирования мгновенных значений расхода жидкости посредством связанного с расходомером интегрирующего устройства, и отключения ИМ при достижении заданной величины объема дозы; - путем создания ДУ непрерывного действия, обеспечивающего постоянство расхода на выходе, с отмериванием дозы по времени.
Преобразователь расхода дозируемой среды в давление сжатого воздуха
Дальнейшую оценку динамических характеристик преобразователя проведем по его линейной модели. Такая оценка оправдана принципом действия САД, основанным, как было показано выше, на автоматической стабилизации давления р на заданном постоянном уровне (при непрерывном дозировании) или его программном регулировании по заданному, плавно изменяемому по времени t закону (при порционном дозировании), что предполагает малые динамические отклонения давления р (и, соответственно, расхода Q2) от их заданных значений. Для получения линейной модели преобразователя линеаризуем функцию F] в малой окрестности (d(AQ2)/dt, AQ2, Ар) установившихся значений (0, Qo, ро) ее аргументов (dQ2/dt), Q2, р. Линеаризацию проведем пользуясь методом разложения функции (в данном случае трех переменных) в ряд Тейлора, в котором ограничимся двумя первыми членами. После преобразований получим линейное уравнение стандартного вида:
Анализ данной структуры показывает, что улучшение динамических характеристик преобразователя, направленное на уменьшение числа его звеньев и их инерционности, может быть проведено путем варьирования величин конструктивных параметров ДЕ. При достаточной малости постоянной времени Т2 и выполнении неравенства Tj/T2 « 1 звено 1 можно рассматривать как апериодическое звено с коэффициентом усиления ki = l/k2 и постоянной времени Ті, а звено 2 - как усилитель с коэффициентом усиления к2 (рис.2.2д). Определим, при каких соотношениях параметров эти условия выполняются. Для этого дадим оценки максимальным величинам постоянной времени Т2 и отношения Т2/Ті, полагая при этом равным 1 коэффициент расхода ф.
Принимая удельный вес жидкости у = pg =1 г/см и выбирая величины конструктивных параметров из равенств / = 3 см, f/Ve = 210" см" , получим: Т2 0,04 с, T2/Ti 0,1. Эти оценки удовлетворяют сформулированным условиям улучшения динамических характеристик преобразователя. При выборе диаметра d из интервала 0,1 - 0,6 см (в зависимости от заданного значения верхней границы диапазона дозирования), объем ДЕ (Ve) будет изменяться в пределах от 40 до 1400 см3, а постоянная времени Ті не будет превышать ее максимальное значение Ti,max = 0,46 (УД) (у / gPa)I/2 2,3 с, которое получается из (2.27.) при р0 I Ра (1/3)Ря, у = 1 г/см3 и выбранной величине отношения f/Vc 2 10"4смЛ Таким образом, предложенный преобразователь расхода с передаточной функцией вида W(s) = ki/Ti s + 1 и полученной оценкой постоянной времени Т! является малоинерционным и вполне приемлем для реализации на его основе простых по конструкции ДУ и универсальных САД.
Рассмотренный в разделе 2.2. преобразователь расхода - дозировочная емкость (ДЕ) является основным технологическим элементом ДУ, приспособленным к выполнению операций как порционного, так и непрерывного дозирования. Эти ДУ в качестве ОУ входят в состав универсальных пневматических САД. В зависимости от вида и схемы размещения дозировочного оборудования, а также с учетом свойств дозируемой жидкости, ДУ с ДЕ могут строиться по трем основным схемам.
ДУ монжусного типа (рис.2.3а) не содержит гидрозапорную и регулирующую арматуру в линии подачи жидкости из расходного резервуара-монжуса (РР), располагаемого ниже требуемого уровня Н ее истечения из ДЕ к потребителю (в объект - приемник доз). РР предназначен для работы под давлением и оборудуется нормально закрытым (н.з.) и нормально открытым (н.о.) двухпозиционными пневмоклапанами: К1 (н.з.) - для подачи сжатого воздуха и К2 (н.о.) - для стравливания воздуха. ДУ монжусного типа применяется главным образом для дозирования сред, содержащих нераство-ренную твердую фазу (например, известковых суспензий, являющихся основным химреагентом в процессах очистки сточных вод). С целью исключения отложений взвесей на стенках трубопровода (от РР к ДЕ) и сливного насадка, а также для реализации операции отсекания дозы, ДУ оборудуется н.о. (или н.з.) двухпозиционным пневмоклапаном продувки КЗ.
ДУ монжусного типа с автоматическим пополнением РР (рис.2.3б) применяется на жидких средах с небольшим содержанием взвесей и оборудуется н.з. двухпозиционным пневмоклапаном К4 для пополнения РР, например, из открытого РБ, расположенного выше уровня слива жидкости в РР (РБ на рис.236 не показан). При этом РР может иметь небольшую емкость, выбираемую в зависимости от верхней границы диапазона дозирования.
Ввиду малого объема РР, основным режимом работы ДУ является ре жим периодического порционного дозирования. Автоматическое пополнение РР до заданного постоянного уровня H0=const реализуется по окончании очередного цикла дозирования. Контроль окончания данной операции ведет ся по сигналу давления /v,=pgH (где Н - текущее положение уровня жидкости в РР) от установленного в РР датчика уровня барботажного типа. ДУ дроссельного типа {рис.2.3в) может применяться как для дозирования незагрязненных жидкостей, так и жидких сред, содержащих небольшой процент нерастворенной твердой фазы. Помимо клапана продувки КЗ, пред назначенного здесь для стабилизации гидравлического сопротивления сливного насадка ДЕ перед очередным циклом дозирования и для реализации операции отсекания дозы, ДУ содержит дроссельный регулирующий орган -н.э. регулирующий пневмоклапан К5, устанавливаемый в линии подачи жидкости из открытого (не предназначенного для работы под давлением) РБ. Последний устанавливается выше уровня Н истечения жидкости из ДЕ.
В качестве ИМ ДУ - пневмоклапанов К1 - К4 (j)iic.2.3.), в зависимости от физико-химических свойств дозируемой жидкости, диапазона дозирования и типоразмеров оборудования, могут применяться разработанные под руководством и при участии автора диссертации коллективом сектора 2.5 лаборатории №2 ИЛУ РАН малогабаритные и конструктивно простые пере-жимные нормально открытые пневмоклапаны с силиконовой трубкой, а также стандартные, недорогие, доступные потребителям и серийно выпускаемые шаровые запорные вентили с пневмоприводом, совместимым по входным параметрам с элементной базой систем УСЭППА и ЦИКЛ.
В качестве пневмоклапана К5 (рис.2.3в) может использоваться разработанный в «ГИПРОНИИавиапром» малогабаритный регулирующий клапан с мембранным пневмоприводом и возвратной пружиной.
Принцип действия САД основан на управлении подачей жидкости в ДЕ и через ее сливной насадок - к потребителю. Подача жидкости осуществляется под действием избыточного давления pi сжатого воздуха в РР (рис.2.3а,б) или гидростатического напора pgH (j)uc.2.3v) при ее одновременном напорном истечении из ДЕ. Управление процессом дозирования и его контроль осуществляются по величине давления р в газовом пространстве ДЕ, а также по величине давления р} в РР (j)iic.2.3a,6), изменяемых по заданному алгоритму. Обработка сигналов давлений pt и р и формирование управляющих сигналов на ИМ ДУ осуществляются пневматическим УУ.
Аппаратурная реализация устройств управления (УУ) типовых САД
Требуемая точность дозирования. Предложенные принципы построения САД позволяют обеспечить достаточно высокую точность дозирования. Но все же, заказчик должен указать требуемую величину этого параметра.
Источник дозируемого продукта. Если при реализации операций разлива на основе ДУ объемно-поршневого типа этот вопрос не имеет никакого значения (так как дозируемый продукт может быть помещен в любую расходную емкость открытого типа), то для предлагаемых систем расфасовки с отмериванием дозы по косвенным параметрам, строящихся с учетом полного технологического цикла по выпуску готовой продукции на предприятии заказчика, тип тары с дозируемым продуктом является важным параметром, во многом определяющим общую технологическую схему и состав оборудования участка расфасовки. Ответ на этот вопрос может быть выбран из таблицы 3.2., где приведена характеристика наиболее часто встречающихся на практике типов расходных емкостей, из которых ведется расфасовка.
Приведенные в таблице 3.2. типы расходных емкостей делятся на транспортировочную тару (ТТ) типа А1-А4 с готовым продуктом, поставляемым на участок расфасовки, и стационарные РБ типа А5 - А7, в которых приготавливается продукт, а затем из него же и расфасовывается. ТТ может быть как открытого типа (А1 и А2), так и герметичной (A3 и А4), работоспособной под давлением.
При проектировании состава и схемы размещения технологического оборудования САД важное значение имеет расположение источника дозируемого продукта (напольного размещения или с установкой на определенной высоте от пола), что и отражено в графе «Характеристика». (Установка РБ на. высоте от пола используется обычно с целью экономии производственных площадей).
Характеристика дозируемой жидкости требуется для выбора конструктивных параметров PP. При работе на жидкостях повышенной вязкости резервуар должен быть рассчитан на работу под соответствующим избыточ 127 ным давлением. Выбор его типа должен также проводиться с учетом назначения дозируемой жидкости (пищевая или техническая).
При определенных сочетаниях параметров ИД расфасовку жидкости можно вести непосредственно из ТТ. При этом дополнительный РР не требуется и общая технологическая схема САД упрощается.
Источник дозируемого продукта Обозначение Характеристика Сменная транспортировочная тара (ТТ) с дозируемым продуктом ПАЇ Открытого типа (без возможности работы под давлением) емкостью до 20 л, например, полиэтиленовая канистра А2 Открытого типа напольного размещения емкостью более 20 л, например, полиэтиленовая канистра или полиэтиленовый бак ПАЗ Герметичная (с возможностью работы под давлением до 0,6 кгс/см ), напр., металлические бочки объемом от 50 до 220 л напольного размещения ПА4 Специальный резервуар большой емкости из нержавеющей стали напольного размещения со съемной герметичной крышкой, с возможностью работы под давлением до 1,0 кгс/см" Стационарный герметичный РБ большой емкости ПА5 С установкой на высоте 2 - 3 м от пола, например, стандартный полиэтиленовый кубитейнер емкостью 1 м3 с возможностью работы под давлением до 0,4 кгс/см
ПА6 Напольного размещения, например, стандартный кубитейнер с возможностью работы под давлением до 0,4 кгс/см2
Стационарный РБ ПА7 Открытого типа большой емкости с установкой на высоте 1 м и более от пола С учетом агрессивности дозируемой среды производится выбор того или иного типа пневмоклапана на ЛН. Для дозирования сред, агрессивных по отношению к материалу силикона, используемого в конструкции клапана пе-режимного типа, необходимо устанавливать пневмоклапан на основе шарового стального вентиля с двухсторонним пневмоприводом.
Процесс дозирования пенообразующих жидкостей должен производиться при условии погружения СН ниже уровня жидкости в таре. В начале дозирования он должен быть введен в полость тары на максимальную глубину.
Это осуществляется с помощью двухстороннего пневмоцилиндра и элементов управления, обеспечивающих вертикальное перемещение СН и его позиционирование вблизи донышка тары в начале операции дозирования и плавный вывод наконечника из полости тары по мере ее наполнения или по окончании операции дозирования.
При работе с не пенообразующими жидкостями СН может устанавливаться над заливной горловиной тары на расстоянии порядка 2- 5 мм (в зависимости от внутреннего диаметра заливной горловины). Привод СН в этом случае не требуется.
Для ряда медицинских препаратов с повышенными требования по стерильности фасовочного оборудования может быть недопустим контакт дозируемого состава со сжатым воздухом со стандартными нормами очистки. В этом случае не могут использоваться барботажные датчики контроля параметров процесса дозирования и требуется разработка индивидуальных САД, отличающихся по составу технологического оборудования и апааратуры УУ от рассматриваемых в данной главе типовых систем расфасовки.
Характеристика тары (ее типоразмеры и конфигурация) необходима для конструирования узла залива. Объем и вид тары зависят от величины дозы и свойств продукта и определяют габариты и схему конструкции узла залива, а также тип держателя СН. Внутренний диаметр СН зависит от внутреннего диаметра заливной горловины тары и для обеспечения отсутствия межоперационного каплеобразования должен выбираться с учетом поверхностного натяжения жидкости.
Дополнительные требования к САД необходимо иметь в виду и учитывать при проектировании системы. Примерами могут служить требования по оснащению САД дополнительными датчиками наличия тары на позиции налива, датчиками верхнего и (или) нижнего уровней жидкости в РР и реализуемых в УУ соответствующих блокировок подачи жидкости в РР (при его пополнении) или подачи жидкости в тару в процессе ее наполнения и т.п. требования.
Системы на конвейерных линиях
При достаточных величинах перепада давлений \р САД с РПД может применяться для расфасовки жидких продуктов повышенной вязкости.
Среди многообразия фасовочных производств можно выделить производства, специализирующиеся на выпуске продукции в мелкой и часто нестандартной таре (например, в полиэтиленовых «конусах» с их последующей укупоркой на сварочных аппаратах, или в легких и неустойчивых пластиковых флакончиках и т.п. таре). К этим производствам можно отнести производства продуктов фармацевтики, парфюмерии, косметики, ветеринарии и многие другие.
Для увеличения производительности системы расфасовки жидкости в мелкую тару последнюю целесообразно размещать в специальных прямоугольных палетах с гнездами для тары, устанавливаемой рядами по несколько штук в ряду.
При заливке такой палеты для минимизации аппаратурных затрат на реализацию САД целесообразно использовать принцип многоручьевого дозирования через раздаточную гребенку с несколькими СН (по числу гнезд палеты в одном ряду). Ввиду малости дозы, в рассматриваемом случае целесообразно также использовать принцип отмеривания дозы по времени.
Для его реализации организуется напорное истечение жидкости из РР с постоянным перепадом давлений на ЛН, обеспечиваемым регулятором давления в составе УУ. При этом величина дозы определяется временем дозирования (промежутком времени, на который открывается пневмоклапан на ЛН) и проходными сечениями СН (сопл) раздаточной гребенки.
Обеспечение равенства доз по каждому каналу дозирования достигается механической подгонкой проходных сечений (внутренних диаметров) сливных сопл. Хотя эта операция достаточно трудоемка (особенно при большом количестве сопл), построение САД по указанному принципу является оправданным ввиду того, что здесь требуется всего лишь один пневмоклапан на линии налива и один пневматический таймер для задания и отсчета времени дозирования. Принципиальная схема построенной по вышеуказанным принципам многоручьевой САД приведена парис.5.8. ОУ содержит следующее оборудование: - РР с дозируемой жидкостью; - ЛН жидкости в тару, содержащую установленную в крышке РР питающую трубку (ПТ), двухпозиционный н.о. пережимной пневмоклапан К с силиконовой трубкой, раздаточную гребенку (РГ) с четырьмя СН, шаровой запорный вентиль В и вспомогательную емкость (BE), используемую при заполнении ЛН дозируемой жидкостью; - сенсорную пусковую пневмокнопку Кн Тара устанавливается в гнезда, например, десятирядной палеты (Пл), имеющей по 4 гнезда в ряду. Палета с тарой перемещается вручную вдоль направляющих и раз за разом фиксируется с помощью шарикового фиксатора (Ф) на позиции налива так, что заливные горловины не наполненной тары оказываются сориентированными под сливными наконечниками.
Вентиль В и вспомогательная емкость BE используются для удаления воздуха из гидрокоммуникаций ЛН при подготовке ДУ к работе.
Погруженная в РР БТ выполняет функцию датчика полного давления П = Pi + уН на входе в ПТ. САД работает в полуавтоматическом режиме и обеспечивает выполнение следующих функций: - включение системы и ее подготовку к работе (заполнение ЛН и удаление пузырьков воздуха из гидрокоммуникаций); - автоматическое поддержание заданной постоянной величины давления П на входе в ПТ в процессе разлива жидкости; 189 і@Щ - плавную подстройку и контроль по МО заданного значения объема дозы (давления задания дозы р3), а также заданного (П3) и фактического (П) значений давления на выходе БТ; - одновременный налив заданной дозы жидкости через клапан К в расположенные в одном ряду четыре тары по команде оператора от пусковой пнев-мокнопки Кн; - фиксацию перемещаемой вдоль направляющих палеты с тарой на позиции налива с помощью подпружиненного шарикового фиксатора; - опорожнение ЛН и промывку гидрокоммуникаций. УУ содержит пульт управления (ПУ), командный узел (КУ), временной узел (ВрУ), узел контроля (УК) и регулятор давления (РД).
Пульт управления (ПУ) имеет три пневмотумблера (осі - сс3) и пнев-мокноику Р следующего назначения: oti "Контроль П3" - для подключения к МО задатчика ЗдЗ давления П3 (при включенном положении тумблера); аг "Контроль П" - для подключения к МО выходного сигнала БТ (при включенном положении тумблера); при выключенном положении тумблеров cti и сс2 по МО контролируется давление задания дозы р3, настраиваемое за-датчиком дозы Зд2); а3 "Давление в РР" - для формирования команды на подачу давления pt в РР и включение в работу регулятора РД давления П, а также на подачу питания на пусковую пневмокнопку Кн и на усилители У1 и УЗ; Р "Заполнение ЛН"- для формирования команды на включение клапана К при заполнении гидрокоммуникаций ЛН.
Командный узел (КУ) вырабатывает командный сигнал Z = 0 на включение клапана К на время дозирования жидкости в тару. КУ содержит триггер Тр с раздельными входами с предвключенными элементами на взводящем входе триггера - усилителем У1 и постоянным дросселем д1 в цепи пи 191 тания кнопки Кн, а также логические элементы "ИЛИ" (1) и "Запрет" (инверсный усилитель У2) на выходе триггера. Временной узел ВрУ служит для задания и отсчета времени дозирования и вырабатывает сигнал Zce=l сброса на "О" триггера Тр по окончании дозирования. ВрУ содержит: - два задатчика давления: Зд1 ("1,0") - опорного давления, равного 1,0 кгс/см , и Зд2 ("Доза") - давление задания дозы/л,; - регулируемый дроссель дрі для грубой настройки верхней границы диапазона изменения времени дозирования (т.е. верхней границы диапазона дозирования); - трехмембранный элемент сравнения ЭС1 с пороговым усилителем УЗ для формирования сигнала ZcG = 1 по окончании времени дозирования; - реле Р1 для подключения выходного канала дросселя дрі к заглушке на операции "Дозирование" и стравливания воздуха за дросселем дрі в атмосферу по окончании дозирования.
Узел УК служит для контроля по МО давления задания дозы р3 (при выключенном положении тумблеров осі и а2), давления Пэ на выходе задатчика ЗдЗ (при включенном положении тумблера а, и выключенном а2) и давления П на выходе БТ (при включенном положении тумблера а2). УК реализован на двух реле - Р2 и РЗ.
