Разработка системы автоматизированного управления дозатором технологических растворов (стр. 3 из 13)
- ρ = 600 кг/м3 (примерная плотность технологического раствора);
- V=2,5 л (объем дозатора);
- dвых. трубки=10мм=0,01м;
- qрасход=0,1 л/ч=2,7·10-8 м3/с;
- R=0,2м;
q=υ·ω (1.1)
где υ – это скорость, а ω – площадь живого сечения.
ω=πd2/4=3,14·0,012/4=78,5·10-6 м2, (1.2)
отсюда скорость
υ=2,7·10-8/78,5·10-6=0,34·10-3 м/с, (1.3)
Далее рассчитывается необходимое давление:
P=F/S, (1.4)
где F–сила;
S – площадь приложения силы;
S= πr2=0,1256м2 (1.5)
F=ma (1.6)
где a – ускорение;
а m – масса.
a= υ/t=0,34·10-3/3600=9,4·10-5 мс2 (1.7)
m=V·ρ => P= ρ·V·a/S=600·2,5·10-3·9,4·10-5/0,1256=1,12мПа (1.8)
По расчетам получается, что, для минимального расхода дозируемого раствора, необходимо поддерживать давление в районе 1 мПа, а таких регуляторов давления нет.
Схема дозатора представлена на рисунке 1.4 (Полная схема представлена в приложении Б)
Рисунок 1.4 – Дозатор «Архимеда»
Данный дозатор разработан в ОКБ КИПиА, по заказу ФГУП ГХК. В основе работы дозатора лежит закон Архимеда: погруженное в жидкость тело, вытеснит объем, равный объему тела. В зависимости от скорости опускания поршня, меняется расход. Поршень приводится в движение посредством шагового двигателя (далее – ШД), которым в свою очередь управляет контроллер. Меняя частоту вращения двигателя, изменяется скорость опускания поршня. Плюс данного дозатора в том, что не имеет значение плотность вещества и прост в конструкции. Минус – необходимо как минимум два дозатора, что бы включался в работу второй, когда технологический раствор в первом закончился.
Данный дозатор из всех рассмотренных, единственный подходящий, для решения поставленной задачи.
2 Информационная структура объекта управления
На рисунке 2.1 представлена информационная структура объекта управления (ОУ).
Рисунок 2.1 – Схема информационной структуры объекта управления
Информационная структура представляет собой объект управления с входными и выходными сигналами. На ОУ поступают три дискретных сигнала: DIH– сигнал ограничителя верхнего уровня хода штока; DIL– ограничитель нижнего уровня хода штока; DIU– уровень технологического раствора в дозирующем устройстве; и один аналоговый сигнал: AIT– температура технологического раствора в дозирующем устройстве.
На выходе сигнал расхода технологического раствора.
3 Функциональная схема автоматизации
На рисунке 3.1 представлена функциональная схема автоматизации.
Рисунок 3.1 – Функциональная схема автоматизации
3.1 Описание функциональной схемы
Из-за особенностей технологического раствора, который будет дозироваться, его необходимо поддерживать при температуре 80 °С, поэтому будет стоять датчик температуры раствора.
Ход поршня 80 мм, что бы не заходить за пределы, будут стоят два концевых выключателя, верхнего и нижнего положения, по сигналам от которых будет останавливаться шаговый двигатель.
По сигналу с пульта, будет открываться запорный клапан, через который в дозирующее устройство будет подаваться исходный раствор. Уровень заполнения дозатора контролируется датчиком уровня.
Слив остатков будет также производиться путем открытия, по сигналу с пульта, запорного клапана.
Генерировать необходимую частоту вращения шагового двигателя будет частотный генератор, которым будет управлять микроконтроллер.
На рисунке 4.1 представлена блок схема системы управления [5,6].
Рисунок 4.1 – Блок-схема системы управления
Система управления состоит из трех уровней:
– первый уровень – это персональный компьютер, он обрабатывает данные, полученные со второго уровня. С помощью PCоператор управляет процессом, вводит необходимые константы и переменные, задает требуемые границы. Так же он отвечает за архивирование данных, вывод соответствующих сигнальных сообщений, при возникновении аварийной ситуации;
– второй уровень – это шкаф контроля управления (ШКУ). Он производит сбор и первичную обработку сигналов с датчиков, и выдачу информации на PC. По сигналам от оператора ШКУ выдает сигналы на исполнительные механизмы;
– третий уровень – это непосредственно датчики и исполнительные механизмы.
На основе системы управления была разработана структурная схема дозатора технологических растворов.
4.1 Структурная схема дозирующего устройства
На рисунке 4.2 представлена структурная схема дозирующего устройства.
Рисунок 4.2 – Структурная схема дозирующего устройства
Оператор задаёт расход литров в час, затем контроллер преобразует этот расход в 32 битный код, который отправляется на генератор частоты. Необходимость преобразования расхода в код, вызвана тем, что частотный генератор, который управляет скоростью шагового двигателя, сделан в программном комплексе MPlab, на языке Assembler. Данный генератор, формирует частоту в зависимости от кода поданного на вход, данный код представляет собой целое число от 1 до 65535, наименьшее значение кода соответствует максимальной частоте, равной 35084 Гц. Контроллер переводит расход в код по формулам:
(4.1)
(4.2) 
(4.3) 
(4.4)где x– это полученный код.
На рисунке 4.3 представлена диаграмма зависимости кода от расхода.
Рисунок 4.3 – Зависимость кода от расхода тех. раствора
В зависимости от этого кода генерируется частота, подаваемая на вход драйвера ШД. Драйвер ШД делит входную частоту на 10, и полученная частота подается на ШД, который в свою очередь связан с редуктором двигающем поршень. От скорости ввода поршня зависти получаемый расход. Отсюда следует, что управлять расходом можно, изменяя частоту ШД [9,10].
Сложность управления состоит в том, что расход не всегда соответствует частоте, которая задается целым числом, а подать на генератор можно только целое число. Поэтому программа управления вычисляет два соседних кода, соответствующих большему и меньшему расходу и поддерживает определенное время один расход, затем другой, что бы в среднем получался заданный оператором расход.
В соответствии со структурной схемой и математическим описанием, была собрана модель в приложении Simulinkпакета MatLab6.5 [11-13]. Модель представлена в приложении В.
На рисунке 4.4 и 4.5 представлены результаты работы модели.
Рисунок 4.4 – Смешивание расходов
На рисунке 4.4 показано смешивание двух соседних расходов, определенное время держится один код, соответствующий большему расходу, затем переключается на второй код, соответствующий меньшему расходу.
На рисунке 4.5 показано усреднение расхода, так как это происходит в модели.
Рисунок 4.5 – Усреднение расхода
Данные о заданном и полученном расходе приведены в таблице 4.1
Таблица 4.1 – Результаты работы модели
| Заданный расход (л/ч) | Полученный расход (л/ч) | Код | Относительная погрешность (%) |
| 0,5 | 0,5002 | 128,554 | 0,04 |
| 0,6 | 0,6009 | 106,962 | 0,15 |
| 0,7 | 0,7003 | 91,539 | 0,04 |
| 0,8 | 0,8027 | 79,971 | 0,34 |
| 0,9 | 0,9022 | 70,974 | 0,24 |
| 1 | 1,004 | 63,777 | 0,40 |
| 1,1 | 1,105 | 57,888 | 0,45 |
| 1,2 | 1,204 | 52,981 | 0,33 |
| 1,3 | 1,309 | 48,828 | 0,69 |
| 1,4 | 1,393 | 45,269 | 0,50 |
| 1,5 | 1,491 | 42,184 | 0,60 |
| 1,6 | 1,599 | 39,485 | 0,06 |
| 1,7 | 1,687 | 37,104 | 0,77 |
| 1,8 | 1,809 | 34,987 | 0,50 |
| 1,9 | 1,889 | 33,093 | 0,58 |
| 2 | 1,993 | 31,388 | 0,35 |
| 2,1 | 2,114 | 29,846 | 0,66 |
| 2,2 | 2,196 | 28,444 | 0,18 |
| 2,3 | 2,294 | 27,164 | 0,26 |
| 2,4 | 2,413 | 25,991 | 0,54 |
| 2,5 | 2,521 | 24,91 | 0,83 |
По техническому заданию относительная погрешность не должна превышать 1 %. Из таблицы 4.1 видно, что полученная модель удовлетворяет требованиям технического задания.
На рисунке 4.6 представлена диаграмма зависимости расхода от относительной погрешности. Из этой диаграммы видно, что погрешность растет с увеличением расхода. Это связано с тем, что чем больше заданный расход, тем больше частота, которую необходимо подать на двигатель. А на больших частотах, у генератора большая дискретность шага, следовательно, и соседние расходы сильно отличаются, поэтому при смешивании, увеличивается погрешность.
Рисунок 4.6 – Диаграмма зависимости относительной погрешности от расхода
На основе математического описания и собранной модели был разработан алгоритм управления дозатором технологических растворов. Полное описание алгоритма приведено в приложении Г.
На основе алгоритма управления и функциональной схемы были выбраны управляющие элементы.