Файл: 40+%.doc

Рисунок 3 – Схема контроля качества смеси и управление процессом

смешения

Факторами, используемыми для регулирования и оптимизации качества битумных смесей в процессе из изготовления, могут служить:

- изменение скорости вращения роторов;

- изменение температуры и интенсивности циркуляции нагревающего

масла;

- регулирование работы дозирующих систем.

Индикаторами качества смешения будут:

- плотность смеси;

- изменение потребляемой мощности.

Путем разработки и внедрения автоматизированной системы управления технологическим процессом смешения битумных материалов планируется обеспечить поддержание необходимых технологических режимов в заданных рамках. То есть система управления должна решать следующие задачи:

- дозирование компонентов смеси;

- контроль длительности смешения;

- контроль однородности смеси;

- контроль и коррекцию плотности смеси.

Разрабатываемая система базируется на использовании микропроцессорной техники, что позволяет оперативно производить необходимые вычисления с учетом изменения внешних факторов. Кроме того, предусматривается возможность программирования системы для реализации различных алгоритмов работы оборудования, а также выдачу информации о ходе технологического процесса в удобной графической форме обслуживающему персоналу.

В процессе эксплуатации на аппаратуру системы могут воздействовать различные негативные факторы, такие как: вибрация, температура, химические вещества. В связи с этим для обеспечения надежной и бесперебойной работы производственного оборудования компоненты системы должны иметь защиту от влияния внешней среды и обладать необходимыми эксплуатационными характеристиками.

---

3. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ

3.1 Описание конструкции

Необходимо разработать систему автоматического управления, поддерживающую заданную плотность при максимальной однородности смеси. Регулируемым параметром является масса битума, выходным – плотность смеси, возмущающими факторами будут:

- физические характеристики исходных компонентов;

- использование отходов.

При этом будем считать, что поддерживается необходимая температура и обеспечивается заданная однородность смеси. Плотность измеряется по достижении максимальной однородности - после завершения процесса смешения компонентов.

Составим функциональную схему системы управления процессом смешения битумных материалов.

1 – управляющее устройство (ЦВМ); 2 - система дозирования битума;

3 – система дозирования основного наполнителя; 4 – смесь; 5 – плотно- мер.

Рисунок 4 – Функциональная схема САУ процессом смешения битумных

материалов

В состав системы входят: управляющее устройство (ЦВМ), система дозирования битума, система дозирования основного наполнителя, смеситель с электроприводом, плотномер.

Управляющее устройство выполняет следующие функции:

- вычисляет разницу между заранее заданным (запрограммированным) значением плотности Uρ₀ и измеренным датчиком Uρи выдает сигнал рассогласования ∆Uρ;

- вычисляет дополнительные дозировки битума ∆U₁ и основного наполни- теля ∆U₂ и выдает соответствующие сигналы системам дозирования

ингредиентов;

- получает информацию от системы управления однородностью смеси о завершении процесса смешения.

Система дозирования битума является локальной системой автоматики и осуществляет дозирование битума в соответствии с управляющим сигналом ∆U₁.

Система дозирования основного наполнителя является локальной системой автоматики и осуществляет дозирование битума в соответствии с управляющим сигналом ∆U₂.

Плотномер измеряет плотность смеси по достижении необходимой однородности.

Необходимо отметить, что для обеспечения непрерывного питания производственной линии в состав системы входит буферный смеситель, то есть приготовление смеси производится в двух смесителях периодического действия, в которых корректируется плотность смеси, а затем смесь подается в буферный смеситель. Так как смесь поступает из смесителей периодического действия поочередно, то их можно рассматривать как один элемент. Период поступления партий смеси определяется условиями технологического процесса и зависит от скорости работы производственной линии и массы одной партии смеси. Рассмотрим алгоритм работы САУ процессом смешения битумных материалов в смесителе периодического действия.

Рисунок 5 – Алгоритм работы САУ процессом смешения битумных

материалов

Система работает следующим образом. Производится загрузка компонентов в смеситель периодического действия, происходит их перемешивание до достижения максимальной однородности, контроль которой осуществляет автоматическая система управления однородностью смеси, согласно активной мощности, потребляемой электродвигателем смесителя. После получения сигнала об окончании этапа смешения производится измерение плотности полученной смеси и вычисляется ее отклонение от заданной плотности, если отклонение меньше допускаемой ошибки, то смесь из смесителя периодического действия может выгружаться в буферный смеситель. Если отклонение плотности полученной смеси больше допускаемой ошибки, то управляющее устройство на основе данных о массе компонентов и плотности полученной смеси выбирает вид коррекции и массу корректирующей добавки. Если плотность смеси больше заданной, то требуется добавить битума, что разбавит смесь и уменьшит ее плотность, а если плотность смеси больше заданной, то требуется добавить основного наполнителя (известковой муки), что, соответственно, увеличит плотность смеси.

---

После введения в смесь корректирующей добавки вновь происходит перемешивание ингредиентов до их равномерного распределения в объеме смесителя. Затем измеряется плотность полученной смеси и при необходимости осуществляется последующая коррекция. Следует отметить, что количество циклов проведения коррекции ограничено периодом поступления партий смеси в буферный смеситель.

Таким образом, предполагается путем добавления битума или наполнителя корректировать плотность смеси, что позволит устранить влияние, как отходов, так и изменение свойств компонентов смеси. При необходимости система может несколько раз производить добавки битума или наполнителя, до достижения необходимой плотности. Графики, иллюстрирующие работу систем, представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 – Графики изменения плотности смеси на этапах коррекции

Так как плотность измеряется по достижении максимальной однородности - после завершения процесса смешения компонентов, то система автоматического управления процесса приготовления битумной смеси в смесителе периодического действия будет являться статической, и все элементы системы будут характеризоваться статическими коэффициентами передачи. Это связано с тем, что период между моментами получения системой информации о плотности смеси значительно больше длительности переходных процессов в дозирующих элементах и смесителе. При этом партии смеси будут периодически поступать в буферную емкость и перемешиваться между собой, в связи с этим плотность выходной смеси будет меняться постепенно и буферную емкость можно рассматривать как инерционное звено, а изменение плотности поступающей смеси будет представлять единичное ступенчатое воздействие. В свою очередь переходные процессы в смесителе периодического действия, длительность которых будет меньше периодов поступления партий смеси, не будут восприниматься буферным смесителем. То есть САУ процессом смешения в предварительном смесителе, по отношению к буферной емкости будет представлено пропорциональным звеном.

Рисунок 7 – Структурная схема САУ процессом смешения битумных

материалов

Обозначим:

W_у – передаточная функция управляющего устройства;

W_б – передаточная функция дозатора битума;

W_н – передаточная функция дозатора основного наполнителя;

W_пс – передаточная функция периодического смесителя;

W_п – передаточная функция плотномера;

W_бс – передаточная функция буферного смесителя.

3.2 Системы дозирования компонентов

3.2.1 С и с т е м а д о з и р о в а н и я б и т у м а .Согласно технологическому регламенту на производство прокладок битумных вибропоглощающих и прокладок битумных для шумоизоляции салона система дозирования битума содержит насос эксцентриковый винтовой и пневмоцилиндры для регулирования процессов поступления битума и обеспечивает автоматическое дозирование битума в зависимости от управляющего сигнала. Для связи с управляющим устройством используется последовательная связь по протоколу RS-232.

---

Основные характеристики насоса:

- расход 6 м³/ч;

- мощность 3 кВт;

- частота вращения 1500 об/мин.

3.2.1 С и с т е м а д о з и р о в а н и я н а п о л н и т е л я .Согласно технологическому регламенту на производство прокладок битумных вибропоглощающих и прокладок битумных для шумоизоляции салона система дозирования наполнителя обеспечивает автоматическую дозированную подачу наполнителя с помощью сжатого воздуха в зависимости от управляющего сигнала. Она поддерживает массовый расход 400 кг/ч. Для связи с управляющим устройством используется последовательная связь по протоколу RS-232. Передаточные функции элементов систем дозирования определяются экспериментально, исходя из их характеристик.

3.3 Смеситель периодического действия

Лопастной смеситель предназначен для перемешивания поступающих компонентов, оснащен двойным баком с камерой циркуляции диатермического масла при температуре 200 ⁰С, а также разгрузочным шнеком с подогревом диаметром 200 мм с варьируемой скоростью. Емкость смесителя обладает параметрами:

- длина 4.2 м;

- ширина 5.2 м;

- высота 6.5 м;

- вместимость 900 л.

- скорость лопаток от 5 до 85 Об/мин.

Электродвигатель для привода лопаток смесителя имеет характеристики:

- напряжение питания 380 В;

- мощность 23-31-38 кВт;

- частота вращения 750-1000-1500 Об/мин;

По отношению к входным параметрам – массе и объему ингредиентов смеситель периодического действия будет представлять собой сумматор, а по отношению к суммарной массе загрузки, согласно формуле ( ) - пропорциональное звено с коэффициентом пропорциональности, равным V_∑ .

3.4 Буферный смеситель

Буферный смеситель предназначен накопления битумной смеси имеет звукоизоляцию из слоя минеральной ваты и облицован алюминиевым листовым материалом, кроме того, как и смеситель периодического действий он оснащен комплектом клапанов для автоматического регулирования температуры нагревательного диатермического масла. Выгрузка смеси осуществляется шнеком диаметром 300 мм с регулируемой для загрузки предкаландра. Параметры буферной емкости:

- вместимость 4 м³ ;

- диаметр 1.2 м;

- длина 3.5 м;

- скорость перемешивания 10-15 Об/мин.

Передаточная функция буферного смесителя представляет апериодическое звено, постоянная времени которого определена экспериментально и составляет 1800 с, а так как буферная емкость не изменяет плотность поступающей смеси, то статический коэффициент передачи будет равен 1.

3.5 Выбор плотномера

В данной системе необходимо обеспечить бесконтактное измерение плотности смеси в пределах от 1 до 2 г/см³ , данным требованиям удовлетворяют ультразвуковые преобразователи плотности.

Ультразвуковой преобразователь плотности представлен на рисунке 8. Действие ультразвуковых преобразователей основано на том, что удельное акустическое сопротивление пропорционально плотности среды. Применяя пьезоэлектрический преобразователь акустически контактирующий с измеряемой средой и возбуждаемый на резонансной частоте, получают выходной сигнал напряжения, являющийся функцией акустического сопротивления, следовательно, и мерой плотности. Диапазон измерений от 0,5 до 2 г/см³ с погрешностью 1%.

---

1 - генератор; 2 - передающий пьезоизлучатель; 3 - приемный пьезоизлучатель; 4 - усилитель-детектор; 5 - управляемый ограничитель; 6 - интегратор; 7 - пиковый детектор; 8 – выход датчика; 9 - схема, формирующая колебания прямоугольной формы; 10 - усилитель с обратной связью; 11 - приемный пьезоизлучатель; 12 - передающий пьезоизлучатель.

Рисунок 8 - Ультразвуковой плотномер

Наиболее удобными являются датчики, подключаемые непосредственно к ЦВМ, а так как предполагается использовать IBM PC совместимое устройство, то потребуется, чтобы датчик мог осуществлять последовательную связь по протоколу RS-232. В результате был выбран плотномер ультразвуковой плотномер

83 W-A. Основные характеристики:

- напряжение питания переменное 220 +/- 20 В 50 Гц;

- измеряемый диапазон плотности 0.5 – 2 г/см³ ;

- погрешность 0.5 %;

- режим связи с персональным компьютером - последовательный

интерфейс RS-232;

- скорость обмена 1200 - 9600 бод.

Так как информация с датчика плотности поступает непосредственно в ЦВМ, то измеренной значение плотности будет лишь преобразовано в цифровую форму, и соответственно, передаточная функция плотномера будет равна 1.

3.6 Выбор ЦВМ

В разрабатываемой системе предполагается использовать промышленный IBM PC - совместимый компьютер, ввиду наличия большого количества программного обеспечения, в том числе в области систем реального времени, что упрощает разработку сложных управляющих программ. Такие компьютеры имеют повышенную надежность, предназначены для круглосуточной работы в условиях запыленности, больших перепадов температуры, вибрации и других неблагоприятных факторов (в том числе несоответствующего уровня подготовки обслуживающего персонала).

Компьютеры имеют упрочненные металлические корпуса, как правило, предназначенные для монтажа в стандартные стойки шириной 19 дюймов. Во многих системах применяются специальные средства для обеспечения повышенной виброустойчивости. Часто доступ к НГМД закрыт специальной дверцей с замком для предохранения от загрязнения и несанкционированного доступа. Получили распространение так называемые индустриальные рабочие станции (Industrial Workstation), которые характеризуются тем, что системный блок и дисплей размещены в одном защищенном корпусе, а клавиатура, выполненная по мембранной технологии, встроена непосредственно в переднюю панель.

Обычно промышленные компьютеры снабжены источником питания большой мощности и имеют развитую систему воздушного охлаждения со сменными пылеулавливающими фильтрами и положительным внутренним давлением очищенного воздуха. Некоторые фирмы для особо ответственных приложений выпускают отказоустойчивые компьютеры с дублированием важнейших узлов и предусматривают возможность их "горячей" замены. Наряду с ужесточением требований по вибростойкости, ударопрочности, рабочему диапазону температур добавляются такие, как малые габариты и пониженный уровень потребляемой мощности. Кроме того, могут предъявляться требования по взрывобезопасности, радиационной стойкости, стойкости к химически агрессивным средам или сильным электромагнитным полям.

---