Создание системы многопоточных фна для пропорционального дозирования как целостного нового класса машин

При дискретном управлении дозированием также возможны погрешности, связанные с тем, что не все пусковые импульсы или не все заданное число доз будут преобразованы в тарированные порции жидкости. Например, часть импульсов может «потратиться» на приведение насосной секции в напряженное состояние, т.е. на повышение давления в РК до давления в нагнетательной магистрали, см. насосную секцию для компонента Б на рис. 4.9.

При использовании вальных НД со счетчиком числа двойных ходов вытеснителя за счет инерционности приводного механизма НД положение вытеснителя после момента полного сброса счетчика и выключения двигателя НД (при отработке предыдущего задания) будет недостаточно определенным, что может привести к потере одной дозы в самом начале процесса отработки последующего задания и, следовательно, - к недопустимым погрешностям при малом числе заданных доз в интервале 0  t  Т_ц.

Итак, при разработке высокоточных СДА необходимо обеспечить:

а) формирование достаточно большого числа доз жидкости (шагов, двойных ходов) за цикл управления;

б) равенство заданного числа доз (импульсов управления) и действительно сформированного числа тарированных порций жидкости. Что особенно важно при малых величинах z_{j max},;

в) высокую точность при формировании объема дозы жидкости.

Последнее требование является общим для НД любого типа, как с непрерывным, так и дискретным управлением и поэтому возможности его выполнения будут подробно рассмотрены в главах 5 и 6 (приведенные здесь разработанные технические решения СДА уже базируются на результатах, полученных в этих главах).

В этой связи рационально (преимущественно для технологических СДА) механизмы формирования доз перенести в приводную часть насосной секции, обеспечив тем самым: более высокую частоту пропускаемых импульсов управления при снижении инерционных нагрузок в дозировочной установке (особенно в тех ее звеньях, которые непосредственно связны с дозируемым компонентом); повышение точности формирования доз из-за более благоприятных условий работы дозатора в гидроприводной жидкости (за счет относительного снижения утечек и вредного объема), а также - за счет стабилизации рабочих параметров, которые обычно трудно достижимы в дозаторе, работающем на химически агрессивном, маловязком, загрязненном и т.п. компоненте).

Этот способ повышения точности дискретного управления подачей реализован в СДА, представленных на рис. 4.9, 4.40, 4.61 … 4.63, описанных в заявке № 2000488/18-10, а.с. № 514114, 533761, заявке № 2066939/24-6, а.с. № 520456 и 549593 соответственно.

При этом дополнительно точность дозирования секции по рис. 4.61 повышена за счет сжатия жидкости в одной РК, например 19, после окончания такта всасывания, еще до окончания процесса вытеснения жидкости в другой камере 20. Предварительное сжатие обеспечивается до давления несколько меньшего, чем давление в патрубке 21 посредством подключения датчика перепада давления 17 на клапане 29’ к генератору импульсов, запускающих привод вытеснителя 3.

В результате - после окончания вытеснения жидкости из камеры 20 по сигналу концевого реле 25 генератор 14 пусковых управляющих импульсов переключается на привод вытеснителя 3, перемещение которого сразу (без потери импульсов на сжатие жидкости в камере 19) вызывает подачу в патрубок 21 доз жидкости из камеры 19. Далее камеры 19 и 20 работаю поочередно.

Использованный выше способ предварительного нагружения секции (заявка № 2066939/24-6) обеспечивает получение равномерной последовательности доз компонента подаваемых в нагнетательную магистраль независимо от величин давления нагнетания и вредного объема рабочих камер, тем самым исключая потерю информации, которая обычно имеет место при переключении рабочих камер.

При импульсном или цифровом управлении секцией по рис. 4.62 (а.с. № 5203456) предварительное нагружение секций и сжатие жидкости в камере 12, до поступления управляющих импульсов также осуществимо путем подключения приводных полостей 2 и 8 гидроцилиндров к аккумулятору 23, где всегда дифференциальным редуктором 14 поддерживается давление на некоторую относительно небольшую постоянную величину меньшее, чем в нагнетательной магистрали. В результате, при поступлении на распределитель 21 приводного дозатора 20 заданного числа импульсов (максимальное возможное число которых устанавливается задатчиком 22 и может быть сколь необходимо большим, например, z_max = 1000), число доз компонента поданных из камеры 12 через клапан 11 практически будет равно числу управляющих импульсов. Отметим, что в рассмотренной секции формирование тарированной дозы жидкости осуществляется в такте нагнетания и поэтому для дополнительного повышения точности дозирования камера 18 дозатора 20, формирующая указанную дозу, также разгружается от рабочего перепада давления.

Данная дозирующая секция позволяет реализовывать все с № 1 по № 9 способы цифрового управления СДА при высокой частоте пропускания пусковых импульсов и высокой точности дозирования, практически не зависящей от величины рабочего давления задаваемого технологическим процессом.

Как показал анализ, основывающийся на результатах главы 6, повышение точности секций СДА цифрового управления может быть достигнуто формированием тарированных доз жидкости не в такте нагнетания (см. рис. 4.61 и 4.62), а в такте всасывания, при условии, если вредный объем продуктовых РК выполняется минимальным, желательно – нулевым.

Эта идея реализована в дозирующих секциях, представленных на рис. 4.63,а,б (а.с. 549593) и в ранее показанном СДА на рис. 4.40 (а.с. 514114).

В дозирующей секции диафрагменного типа, см. рис. 4.63,а, рабочая камера 3 всегда имеет минимальный вредный объем. Задание объема камеры 3 осуществляется приводным дозатором 8, нагруженным постоянным небольшим перепадом давления приводной жидкости, посредством шагового электродвигателя 9, при переключении распределителя 5 на верхнюю позицию. В варианте выполнения по рис. 4.63,б использован прямоприводной дозатор 8’. Несмотря на то, что дозатор 8’ специально не стабилизирован по величине перепада давления объем дозы на импульс управления (q_j) отбираемый из приводной полости 4, практически будет постоянным при малых колебаниях давления во всасывающем патрубке секции, что и дает возможность высокоточного формирования доз на такте всасывания. Изменение же величины давления нагнетания при относительно малом вредном объеме РК 3 практически не влияет на величину объема компонента, подаваемого секцией в такте нагнетания, который поэтому практически точно равен _тj = q_jz_j.

Секция СДА по рис. 4.40, 4.62, 4,63 приспособлены для реализации цифрового управления процессом дозирования. Однако, при применении импульсного управления, см. например, СДА на рис. 4.9, данные секции допускают спаривание и синхронизацию между собой, например, аналогично примеру выполнения по рис. 4.61, что расширяет область их возможного применения.

4.6.2.3. В известных технологических СДА с вальным НД и цифровом управлении используются периодические остановки и пуски приводного двигателя, что существенно ограничивает возможности практического применения этого прогрессивного способа управления.

В этой связи была поставлена задача - использовать инерцию вращения вала (которая может быть увеличена за счет маховика) для преодоления инерционных сопротивлений со стороны дозируемой жидкости и возвратно-поступательно перемещающегося вытеснителя, и тем самым - повысить среднюю частоту пропускания импульсов управления, не снижая К.П.Д. СДА.

Кроме того, было необходимым исключить имевшуюся ранее потерю импульсов при пуске и остановке дозатора, что существенно ограничивало возможность применения СДА в приводных ФДГМ (за счет резкого снижения точности процесса дискретизации при малых скоростях движения).

Поставленная задача решена в дозирующей секции по рис. 6.64 (а.с. № 562672) за счет синхронизации системы управления с рабочим циклом НД. Датчик конца такта нагнетания 9, 10 (рис. 6.64,а) и логическая схема 14-22, осуществляет включение механизма формирования доз посредством распределителя 5 всегда к началу движения вытеснителя на нагнетание независимо от состояния приводного механизма в момент поступления задания (числа) на счетчик 13.

Сброс со счетчика «1» совершается только после подачи в магистраль полностью сформированной (заданной механизмом 2) дозы жидкости. Поэтому, данная секция позволяет осуществлять высокоточное дозирование даже при задании на счетчик малого числа, например 1, 2, 3 и т.д. доз перекачиваемого компонента. Максимальная средняя частота пропускания импульсов управления при выполнении секции с одной рабочей камерой равна частоте вращения вала 3. На рис. 4.64,б показана конструктивно простая реализация рассмотренного способа цифрового дозирования на базе насоса по а.с. 352575.

При импульсном управлении для повышения точности процесса дозирования необходимо осуществлять синхронизацию рабочего цикла НД с генератором синхронизирующих (пусковых) импульсов, что весьма затруднительно из-за вариации числа оборотов двигателя НД под действием возмущающих воздействий.

Пример возможного достаточно простого решения этой задачи показан на рис. 4.65 (заявка 2321264/06), где предлагается запуск генератора 16 синхронизирующих импульсов систем управления ФДГМ осуществлять по сигналу датчика положения 14 приводного механизма 2 дозатора. При этом средняя скорость движения гидроцилиндра 6 задается посредством объемной модуляции доз жидкости, которая осуществляется перестановкой втулки 7. Дополнительный датчик положения 13 посредством электромагнита 12 фиксирует втулку 7 к моменту поступления синхронизирующего импульса, что обеспечивает определенность величины объема дозы на импульс.

4.6.2.4. Разработанные и описанные выше принципиально новые технические решения дозирующих секций и СДА с повышенной точностью объемного дозирования при дискретном управлении открывают широкие возможности применения этого прогрессивного типа управления в сложных многопоточных технологических и приводных гидросистемах.

Высокоточные СДА реально позволяют обеспечить ведение быстропротекающих технологических процессов и получение сложных траекторий движения приводных ФДГМ с использованием наиболее простых разомкнутых систем дискретного управления, и только лишь в крайних случаях – применять более сложные замкнутые системы управления. Это свойство особенно ценно в технологических гидросистемах, где качество продукта зависит от относительных погрешностей между подачами одновременно дозируемых компонентов, а также – когда невозможно быстро получить точную информацию о регулируемых параметрах системы.

В этой связи, разработка методов повышения точности формирования доз жидкости является особенно важной проблемой для технологических объемных насосов-дозаторов, работающих на агрессивных, токсичных, коагулирующих, загрязненных и т.п. компонентах в широком диапазоне давлений, расходов, температуры, вязкости жидкости, а также - для ФДГМ, работающих в сложных окружающих условиях (повышенная влажность, запыленность, температура, радиоактивность).Вопросам повышения точности объемного насосного дозирования посвящены следующие главы 5 и 6 данной работы.
4.6. Краткие итоги и выводы по главе 4

1. Известный к началу данной работы тип СДА, в котором суммарная подача изменялась синхронным регулированием частоты рабочих циклов всех НД (секций СДА), а соотношение подач – регулированием длинны хода поршней НД, не мог обеспечить полного диапазона регулирования, требуемого быстродействия и точности процесса перезадания соотношения дозируемых компонентов технологического процесса посредством существующих отечественных систем дистанционного и автоматического управления, поскольку они могли реализовываться только специальными технически сложными и энергоемкими пневмогидравлическими приводами с обратными связями по положению ВРЭ (разработка фирмы Lewa – Германия).

В результате, несмотря на большие потенциальные возможности реализуемого посредством СДА пропорционального управления многопоточными гидросистемами, их применение в сложных автоматизированных технологических процессах было существенно ограничено, а применение СДА в гидроприводе было практически невозможно и, по всей видимости, поэтому - неизвестно.

2. Исходя из выявленных общих закономерностей пропорционального управления потоками жидкости посредством объемных приводных НД, определены принципиально осуществимые способы построения СДА, приведение которых в систему позволило: создать полную картину возможных типов их технических реализаций; провести их сопоставительный анализ; выявить новые структуры СДА, обладающие ранее неизвестными положительными эксплуатационными свойствами.

В результате СДА сформирован как целостный новый класс машин пропорционального управления Р-поточными гидросистемами, в том числе и системами объемного силового гидропривода.

3. Выявлены структуры и технические решения СДА, базирующиеся на вальных (механоприводных) гидромашинах, не требующие вариаторов или регулируемых двигателей для управления суммарной подачей СДА, позволяющие изменять эту подачу от наибольшего до нулевого значения при использовании простых и маломощных исполнительных механизмов, что впервые открыло практическую возможность широкого применения СДА в автоматизированных гидросистемах , в том числе и в гидроприводе.

4. Разработаны новые структуры и технические решения впервые позволяющие:

- разносить дозирующие секции СДА по технологической, производственной линии или приводимой машине без потери точности пропорционального управления движением гидросистемы, не требующие при этом применения замкнутых систем дистанционного управления соотношением компонентов и суммарной подачи СДА

- изменять соотношения дозируемых компонентов, сохраняя величину ранее заданной суммарной подачи (применение таких типов СДА может быть особенно рациональным при порциальном дозировании в периодических технологических процессах или для обеспечения постоянства суммарного (обобщенного) перемещения гидравлического приводного механизма, поскольку при этом отпадает необходимость в применении сложного микропроцессорного управления, осуществляющего пересчет и перезадание дозирующих секций для сохранения суммарной, например, цикловой подачи СДА);

- компоновать в СДА гидромашины классов ,, не обладающие возможностью регулирования величины объемной постоянной, например роторные шестеренчатые, винтовые, коловратные и т.п., а также – одновременно использовать в составе СДА гидромашины классов , и ,, что существенно расширяет возможности применения СДА и в технологических процессах с любыми реально существующими соотношениями подач дозируемых компонентов.

5. Для дискретно управляемых СДА разработана полная система алгоритмов дискретного пропорционального управления , в том числе алгоритмов, обеспечивающих существенное повышение точности пропорционального дозирования при переменных нагрузках на дозирующие секции СДА.

6. Полностью определено и сформировано множество СДА с гидравлической синхронизацией насосных секций, выявлены пути обеспечения требуемых адаптационных свойств СДА, как по результирующей нагрузке по всем Р-потокам, так и по нагрузке отдельных дозирующих секций, что позволяет необходимым образом самопроизвольно без внешнего управления осуществлять процесс дозирования при обеспечении требуемых (задаваемых посредством СДА) функциональных свойств технологического производственного процесса или приводимой посредством ФДГМ машины.