МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ НЕПРЕРЫВНЫХ И ДИСКРЕТНЫХ ДОЗАТОРОВ ОБЪЕМНОГО ТИПА
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Аргументируется необходимость определения рационального режима работы блока дозирующих устройств в составе смесеприготовительного агрегата. Рассмотрены вопросы моделирования работы дозаторов объемного типа на основе эмпирического подхода с использованием рядов Фурье. Предложен алгоритм синтеза сигналов материальных потоков, формируемых непрерывными и порционными дозирующими устройствами. Разработан программный комплекс для воспроизведения материалопотоковых сигналов в инструментальной среде LabView. Проведено сравнение синтезированных сигналов с реальными.

Ключевые слова:
Моделирование, ряд Фурье, среда LabView, барабанный дозатор, шнековый дозатор, непрерывное дозирование, порционное дозирование
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

Введение Смесеприготовление является неотъемлемой частью производственных процессов в таких отраслях промышленности, как пищевая, химическая, фармацевтическая, строительная, а также в отраслях аграрно-промышленного комплекса. Аппаратурное оформление подобных процессов, как правило, представлено блоком дозирующих устройств (БДУ), передаточно-формирующим узлом (ПФУ) и смесительной системой [1]. В современном производстве упомянутых отраслей широко используется оборудование, позволяющее наладить автоматизированное производство, в том числе в процессах смесеприготовления [2]. В настоящее время БДУ смесеприготовительного агрегата (СМПА) чаще всего укомплектовывается дозаторами объемного типа непрерывного и порционного действия. Достоинствами объемных дозаторов являются невысокая стоимость, надежность и простота конструкции. В качестве их основного недостатка может быть отмечена невысокая точность дозирования сухих дисперсных материалов, что обусловлено влиянием их физико-механических характеристик – в основном гранулометрического состава и влажности. Моделирование режимов дозирования, предшествующее этапу внедрения в производство процесса смесеприготовления, позволяет оценить влияние каждого из компонентов на качество готового продукта. Таким образом, использование современных методов и программных комплексов по моделированию процессов дозирования позволяет выявлять и оценивать рациональные режимы работы блока дозирующих устройств. Целью данной статьи являлась разработка комплекса программ для моделирования работы порционных дозаторов и дозаторов непрерывного действия. Объекты и методы исследований Объектом исследования является БДУ, включающий барабанные и шнековые дозирующие устройства. Барабанный дозатор (рис. 1) работает следующим образом: при включении двигателя 1 дозируемый материал, поступающий в барабан 3 из бункера 4, захватывается лопастями 2, которые с внутренними стенками корпуса 6 образуют камеры, и ссыпается через разгрузочное окно 5. Рис. 1. Функциональная схема барабанного дозатора Шнековый дозатор (рис. 2) работает следующим образом: при включении двигателя 1, дозируемый материал захватывается витками полого шнека 2, транспортируется вдоль неподвижного кожуха 3 и ссыпается через разгрузочное окно 4. Исходный материал засыпается в бункер 5, запирающийся крышкой 6. Привод шнекового дозатора состоит из двигателя постоянного тока 1 и червячного редуктора 7. Усилие от привода к рабочему органу передается при помощи ременной передачи 8. В процессе дозирования сжатый воздух из пневмолинии 9 подводится через сальниковый узел 10 в полый шнек и поступает во внутренний объем дозатора через сквозные отверстия 11, придавая сыпучему материалу свойство «псевдотекучести». Рис. 2. Структурно-функциональная схема шнекового дозатора В качестве основного математического подхода к описанию сигналов материалопотоков, формируемых дозаторами, выбрано их представление в виде гармонического Фурье-разложения. Основная теория метода изложена в публикации [3]. Для построения модели дозирующих сигналов с последующим исследованием режимов смесеприготовления в агрегате непрерывного действия применялся эмпирический подход. В случае порционного дозирования данный подход заключается в представлении сигнала в виде цепочки трапецеидальных импульсов, передний и задний фронты которых могут иметь различные значения крутизны, а верхняя часть должна быть максимально уплощена, поскольку ею определяется номинальный режим расхода при формировании дозы (порции) материала. Сигнал порционного дозирования, сформированный с учетом такого подхода, представлен на рис. 3. Рис. 3. Параметризация сигнала порционного дозирования: 1 – реальный сигнал; 2 – аппроксимация реального сигнала трапецеидальным импульсом На рис. 3: Td – период дозирования; Qd – длительность формирования дозы; Qr – момент начала отсечки дозатора (длительность интервала дозирования с учетом инерционного входа в номинальный режим); Qf – длительность переднего фронта импульса дозирования; l, m, n – соответственно значения скважностей: порционного дозирования интервала формирования дозы до начала отсечки интервала достижения режима номинального дозирования Xmd – весовой расход материала через дозатор. Анализ форм-факторов представленного сигнала показал, что зависимости для расчета коэффициентов Фурье-разложения (А0, Ak, Bk), описывающие общий случай работы порционного дозатора, имеют вид: Данная система аналитической записи Фурье-коэффициентов является наиболее универсальной и способна восстанавливать порционные сигналы любой формы и сложности. С целью упрощения анализа влияния нескольких дозаторов на процесс приготовления многокомпонентной смеси целесообразно оперировать сигналами простой формы, формируемыми при идеальной работе дозирующих устройств. Особенностью данных сигналов является наличие «нулевых» переднего и заднего фронтов импульса дозы, что обусловливает мгновенный выход дозатора на режим с номинальным расходом. При этом коэффициенты Фурье, характеризующие амплитуды гармоник в соответствующих субспектрах, будут зависеть только от скважности дозирования, величины расхода в номинальном режиме и номера гармоники: Формирование модели других, часто встречающихся, сигналов пилообразной формы обусловлено тем, что они создаются при использовании порционных дозаторов малой производительности на высоких частотах дозирования. В этом случае коэффициенты Фурье-разложения модифицируются в выражения: Известно, что изменение весового расхода материала на выходе из шнекового дозатора носит волновой характер. Материалопоток имеет четко обозначенные экстремумы в весовом распределении сыпучего материала на ленте транспортера, на которую ссыпается поступающий из него компонент. Аналитическая обработка материалопотоковых сигналов на выходе шнековых дозирующих устройств, экспериментально зарегистрированных тензометрическими и пьезоэлектрическими датчиками, показала, что они могут быть интерпретированы как совокупность детерминированных постоянной и низкочастотной синусоидальной переменной составляющих с наложением стохастической компоненты в виде высокочастотных пульсаций. Они вызваны погрешностями дозирования и инструментальной регистрации, возникающими в информационно-измерительном канале вследствие воздействия на него помех электромагнитной природы. Рис. 4. Алгоритм формирования синтезированных сигналов: ПДУ – порционное дозирующее устройство; ШДУ – шнековое (непрерывное) дозирующее устройство Алгоритм формирования описанных сигналов (рис. 4) включает следующие этапы: задание типа сигнала, ввод параметров модели сигнала с учетом всех его форм-факторов, расчет коэффициентов Фурье при моделировании сигналов порционного дозирования, воспроизведение моделируемого сигнала в виде его аппроксиманты. Результаты и их обсуждение Алгоритм расчета работы дозирующих устройств порционного и непрерывного действия был реализован средствами инструментальной моделирующей системы LabView. Исполнительный код программы в данной среде реализует определенный набор последовательно соединенных функциональных блоков, каждый из которых преобразует входную информацию в выходную в соответствии с функциональным ядром. Помимо этого, среда разработки позволяет сконфигурировать интерфейс пользователя для проведения всестороннего анализа исследуемых процессов в интерактивном режиме. В соответствии с алгоритмом формирования синтезированных сигналов после задания их типа и ввода параметров модели далее следует операция расчета коэффициентов Фурье-разложения (для случая порционного дозирования), программная реализация которой приведена на рис. 5. Результатами работы данной подпрограммы являются массивы, содержащие ряд значений коэффициентов Ak, Bk и коэффициента А0, характеризующего постоянную составляющую расхода. Результаты расчетов коэффициентов далее передаются в следующую программную процедуру (рис. 6), которая формирует массив, содержащий субспектры (sin и cos) в составе спектра нефазированных гармоник, с учетом амплитудных коэффициентов разложения. Финальный этап восстановления синтезированного сигнала осуществляется подпрограммой (рис. 7) в соответствии с последней расчетной формулой алгоритма. Рис. 5. Подпрограмма определения коэффициентов Фурье для П-сигнала (идеальный дозатор): 1 – пользовательские элементы для ввода параметров модели; 2, 3, 4 – программные элементы «Formula Node», формирующие значения коэффициентов Фурье; A0, Ak, Bk – результаты расчета Рис. 6. Подпрограмма получения спектра нефазированных гармоник: 1, 2, 3 – пользовательские элементы для ввода параметров модели; 4 – результаты расчета коэффициентов Фурье; 5, 6 – программные элементы «Formula Waveform» (формируют соответствующие субспектры) Рис. 7. Подпрограмма расчета синтезированного сигнала: 1 – процедура получения постоянной составляющей сигнала; 2 – программный элемент «Array size» – задает размер массива; 3 – программный элемент «Get Waveform Components» – задает параметры сигнала: начальное время, шаг дискретизации, значение амплитуды в каждой точке аналогового сигнала; 4 – элемент «Build Waveform» восстанавливает аналоговый сигнал; 5 – процедура восстанавливает переменную составляющую сигнала с учетом субспектров; 6 – процедура вводит в состав сигнала постоянную составляющую С целью определения адекватности полученных моделей был проведен ряд технологических экспериментов с использованием шнековых, порционных дозаторов стаканчатого и барабанного типов, рассчитаны коэффициенты модели и синтезированы сигналы различных форм: трапецеидальный, пилообразный и синусоидальный (рис. 8, 9). Из приведенных осциллограмм видно, что модели с высокой степенью точности соответствуют оригиналам (реальным сигналам); отклонения возникают там, где на процесс измерения существенное влияние оказывали внешние помехи. Рис. 8. Зарегистрированные расходовые и синтезированные сигналы порционных дозаторов: 1 – реальный сигнал дозатора; 2 – синтезированный сигнал дозатора Аналогично проводилось моделирование порционного дозирующего устройства, работающего в идеальном режиме, и шнекового дозатора (рис. 9). Рис. 9. Синтезированные материалопотоковые сигналы: ПДУ (верхний)-параметры: скважность дозирования λ = 1,1; максимум расхода Xmd = 15 г/с; частота дозирования fd = 1,5 с–1 (период дозирования Td = 0,67 с); количество гармоник в субспектрах N = 7; ШДУ (нижний)-параметры: частота переменной составляющей дозирования fd = 4; постоянный расход 3,5 г/с; амплитуда переменной составляющей Xmax = 3,5 г/с На основании предложенного математического описания материалопотоковых сигналов, формируемых непрерывными и порционными дозаторами, входящими в состав смесеприготовительного агрегата, разработан программный комплекс в инструментальной среде LabView. Программное обеспечение позволяет синтезировать осциллограммы расходовых сигналов различной формы с полным набором параметров, в том числе с учетом частот и мгновенных расходов дозируемых компонентов. Это позволяет проводить процесс моделирования в режимах, максимально приближенных к реальным, а также формировать системы для исследования влияния режимно-технологических параметров процессов дозирования на функционирование смесеприготовительных агрегатов различной структуры и назначения.
Список литературы

1. Основные направления при разработке непрерывно действующих смесеприготовительных агрегатов / А.Б. Шушпанников, Б.А. Федосенков, В.П. Дороганов, О.П. Рынза // Техника и технология пищевых производств. - 2010. - № 3. - С. 135-141.

2. Карнадуд, Е.Н. Система регистрации расхода в задачах управления смесеприготовительным агрегатом на основе вейвлет-преобразований / Е.Н. Карнадуд, Д.Б. Федосенков, Б.А. Федосенков // Техника и технология пищевых производств. - 2012. - № 2 (12). - С. 99-105.

3. Шушпанников, А.Б. Моделирование процесса порционного дозирования / А.Б. Шушпанников, Б.А. Федосенков // Техника и технология пищевых производств. - 2010. - № 2. - С. 105-109.


Войти или Создать
* Забыли пароль?