С.П.КОЗЛОВ, А.В.ЧИЧАЕВ, инженеры (ООО НПФ ИнСАТ-СПб), Точное весовое дозирование сыпучих и жидких компонентов при производстве бетона
В условиях развивающихся в стране рыночных отношений руководство предприятий самых разных отраслей вынуждено всерьез задуматься о качестве выпускаемой продукции. Для многих - это вопрос выживания, ведь удержать потребителя продукции, а тем более завоевать нового, можно или снижением цены относительно цен конкурентов, или повышением качества продукции. Цена всегда имеет какой-то нижний предел, перейдя через который предприятие элементарно может разориться. Поэтому неизбежно встает вопрос повышения качества продукции с одновременным снижением ее себестоимости.
Реальный способ повышения качества и снижения себестоимости - автоматизация технологических процессов. Фирма ИнСАТ-СПб уже несколько лет успешно занимается автоматизацией технологии в различных отраслях, в том числе разработкой, внедрением и модернизацией различных автоматизированных систем дозирования сыпучих и жидких компонентов, выпускает современные микропроцессорные контроллеры для всех видов дозирования, под заказ делает дозаторы. В данной статье авторы хотят поделиться накопленным опытом в разработке и внедрении систем управления весовыми одно- и многокомпонентными дозаторами, которые широко используются в разных отраслях промышленности, в том числе на большинстве бетоносмесительных узлов (БСУ).
Принципы построения систем автоматизации БСУ, предлагаемые ИнСАТ-СПб, доступны подавляющему большинству действующих предприятий. Предлагается многоуровневая система автоматизации (принцип конструктора), внедрение которой происходит во время плановых остановок, без специальной остановки производства на реконструкцию. Самый нижний уровень - это автоматическое управление конкретным одно- и многокомпонентным дозатором. Можно устанавливать новые тензометрические весовые дозаторы или модернизировать имеющиеся механические дозаторы, установив их на тензодатчики. При этом каждый дозатор может работать как автономно, так и увязываться в единую систему, в том числе и комбинированную, состоящую как из тензометрических, так и из механических дозаторов.
Комбинированная система нужна на переходной период, пока не будут заменены все механические дозаторы на тензометрические. Последние позволяют достичь высокой точности дозирования, но ввод задания и считывание информации производится отдельно для каждого дозатора. После того как будут установлены все тензометрические дозаторы, можно переходить к следующему уровню - единая компьютерная система управления всеми дозаторами, работающая от одной программы по общему рецепту. При этом ввод задания, включение/выключение, контроль процесса, сохранение информации осуществляется программой компьютера. Следующий уровень - автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУТП) БСУ - служит для компьютерного управления всем оборудованием БСУ. АСУТП предназначена для: улучшения качества производимого бетона, повышения уровня живучести и надежности оборудования, улучшения условий труда операторов и обслуживающего персонала, автоматизации процесса дозирования и учета исходных компонентов и готовой продукции, исключения из технологической цепочки так называемого «человеческого фактора», возможности передавать и принимать утвержденные рецепты по сети из лаборатории, возможности контроля за процессом и за движением сырья и продукции по заводской сети с любого компьютера, которому разрешен доступ к информации и возможности при необходимости оперативно изменять программное обеспечение процесса.
Функции АСУТП: автоматическое и ручное управление двигателями дозаторов, насосов, задвижками и другими исполнительными механизмами, участвующими в работе системы с непрерывным контролем их работы; визуальный контроль за работой системы на табло контроллеров и дисплее компьютера; звуковое оповещение обслуживающего персонала в случае возникновения аварийной (нестандартной) ситуации; сохранение в архив полной информации о работе системы; распечатка рапортов и прочей необходимой информации из архива; связь по компьютерной сети с другими системами (компьютерами) для оперативного обмена информацией (получения рецепта, передачи данных в формате ОРС); интегрирование в АСУТП цеха или завода через общезаводскую сеть.
Во всех этих разработках было необходимо использование контроллеров для непрерывного и дискретного весового дозирования сыпучих и жидких компонентов. Неудобство использования универсального контроллера для этих задач обусловлено трудоемкостью реализации специфических алгоритмов оптимального дозирования, аппаратной избыточностью, необходимостью использования дополнительной операторской панели для обеспечения обязательной для таких систем функции контроля и управления процессом по месту. Немногочисленные, специализирующиеся на задачах весового дозирования контроллеры, присутствующие на российском рынке, не имеют встроенного алгоритма высокоточного дозирования, в них отсутствует возможность расширения программного обеспечения средствами пользователя и к тому же они не слишком дешевы. Проблема была решена разработкой и началом серийного выпуска собственных контроллеров серии Master, успешно решающих поставленные задачи. Узкая специализация описываемых контроллеров, отсутствие избыточности позволили разработчикам сосредоточиться на оптимизации основных функций прибора. В результате удалось добиться очень хорошего отношения цена/функциональность.
Контроллеры серии Master двух типоразмеров выполнены в евростандартных корпусах фирмы BOPLA для щитового монтажа размерами 96x96x65 мм и 96x96x165 мм, имеют переднюю панель, на которой размещены светодиодные или жидкокристаллические индикаторы и четырёхкнопочная клавиатура. Подключение внешних сигналов производится через клеммную колодку на задней панели. Питание приборов от сети 220±10%, 50 Гц. Максимальная потребляемая мощность-4 (8) Вт. Исполнение обычное. Любые тензорезисторные датчики веса (от лучших западных образцов, например, фирмы SCAIME, до наиболее массовых отечественных) с характеристикой 1-ЗмВ/В подключаются непосредственно к дифференциальному входу АЦП, имеющего разрядность 16 бит. Также есть возможность подключения на вход стандартизированных сигналов: 0-10В, 0-5мА, 0-20мА, 4-20мА. Приборы имеют канал цифровой связи RS- 485, по которому может быть произведен опрос контроллера, ввод задания или осуществлено дистанционное управление выходами. В настоящее время имеется 7 моделей контроллеров, с помощью которых можно решить все существующие задачи дозирования.
Коротко опишем модели, которые уже нашли применение на БСУ:
Master-110.1 - микропроцессорный весоизмерительный контроллер. Предназначен для измерения и обработки сигналов веса и передачи данных по каналу цифровой связи RS-232 или RS-485 в ЭВМ верхнего уровня («весовая головка»),
Master-110.2 - предназначен для автоматического управления процессами точного весового порционного дозирования сыпучих и жидких компонентов, в том числе фасовкой. Контроллер обрабатывает сигналы веса и дискретные входы типа «сухой контакт» для ввода команд на разрешение дозирования и пуск. Основное отличие от аналогичных контроллеров других производителей - три режима управления исполнительным механизмом: «грубо», «точно» и «досыпка». Режимы переключаются автоматически в соответствии со скоростью изменения веса и его приближения к заданию. Алгоритм управляющей программы составлен таким образом, что при дозировании постоянно вычисляется величина приращения массы в единицу времени цикла программы, и соответственно вычисляется величина упреждения на отключение исполнительного механизма. После остановки последнего программа проверяет вес, и (если доза не превысила задание) включается режим «досыпка», при котором толчками необходимой длительности продукт досыпается до задания. Таким образом, без какой- либо дополнительной настройки прибора автоматически достигается минимальное время набора дозы при максимальной точности дозирования, причем независимо от заданной дозы, плотности дозируемого материала и высоты его столба в бункере. Предельная точность дозирования определяется только конструкцией дозирующего механизма т.е. массой зоны возможного обрушения дозируемого материала после остановки привода. Точность дозирования достигает одной единицы младшего разряда измеренного значения веса (лучше, чем 0,1 %). Имеет интерфейс RS-485.
Master-110.4 предназначен для автоматического управления процессами точного весового порционного дозирования сыпучих и жидких компонентов, а также для фасовки. Контроллер обрабатывает сигналы веса и дискретные входы типа «сухой контакт» для ввода команд на разрешение дозирования и пуск. Отличается от Master-110.2 более простым алгоритмом управляющей программы и не имеет функций трехскоростного управления исполнительным механизмом и досыпки. При дозировании постоянно вычисляется величина приращения массы в единицу времени цикла программы, и соответственно вычисляется величина упреждения на отключение исполнительного механизма. Точность дозирования не хуже 0,5% (зависит от класса точности применяемых тензодатчиков и исполнительного механизма - можно получить точность не хуже 0,1 %). Имеет интерфейс RS-485.
Master-210.3 - специализированный интеллектуальный микропроцессорный контроллер. Предназначен для автоматического и ручного дистанционного управления многокомпонентными весовыми дозаторами бункерного типа. Позволяет осуществлять дозирование до пяти жидких и сыпучих компонентов в один бункер весов с точностью не хуже 0,3% от наибольшего предела взвешивания. Автоматическое управление может осуществляться в двух режимах. Первый представляет собой последовательное дозирование, при котором каждый компонент дозируется и выгружается из бункера весов последовательно. Второй режим - компоненты дозируются в бункер весов один за другим и выгружаются все вместе. Выгрузка весов в любом случае происходит по разрешающему сигналу. Указанная точность дозирования достигается при простом управлении питателями дозатора типа «включить/выключить» за счет непрерывного вычисления скорости подачи и величины летящего слоя продукта. При необходимости более точного дозирования может быть применен способ управления питателями с изменением скорости подачи, например управление двигателем питателя с помощью частотного преобразователя. Для осуществления такого способа дозирования используется аналоговый выход прибора (0-10В, 4-20мА), который изменяет свое значение в зависимости от скорости подачи и степени приближения веса в бункере к заданию. Каждый из пяти питателей дозатора имеет свое задание, предварительно записанное в память контроллера. В нее можно занести до восьми наборов заданий веса (рецептов), которые выбираются либо с клавиатуры контроллера, либо внешним переключателем, образующим код из трех дискретных сигналов. Предварительная запись задания возможна как с клавиатуры контроллера, так и с удаленного рабочего места по интерфейсу RS-485.
Модели, которые могут быть в будущем применены на БСУ (все имеют интерфейс RS-485):
Master-110.3 предназначен для автоматического управления процессами точного объемного порционного дозирования и фасовки сыпучих и жидких компонентов. Рассчитан на работу с различными расходомерами.
Master-210.1 - специализированный интеллектуальный микропроцессорный контроллер. Предназначен для автоматического и ручного дистанционного управления весовыми ленточными дозаторами непрерывного действия. Может быть также применен для реализации функции «весы в потоке» на базе ленточного транспортера.
Master-210.2 - специализированный интеллектуальный микропроцессорный контроллер. Предназначен для автоматического и ручного дистанционного управления весовыми дозаторами непрерывного действия бункерного типа. Позволяет осуществлять непрерывное дозирование жидких и сыпучих компонентов по весу с точностью не хуже 0,5% в диапазоне дозирования от 1 до 100% производительности без перенастройки регулятора.
Ниже описаны варианты систем дозирования, применяемых на БСУ, сделанных с применением контроллеров «Мастер»:
БСУ-1 (см. рисунок с изображением мнемосхемы). На нижнем уровне десять однокомпонентных тензометрических дозаторов, работающих под управлением контроллеров «Мастер 110.4». Дозаторы устанавливаются и подключаются по очереди, во время переделки некоторое время одновременно работают тензометрические дозаторы и старые механические (пока не будут все заменены). Контроллеры установлены в операторской, в шкафу управления, рядом с пультом управления прочими механизмами БСУ. Задание выставляет оператор с клавиатуры контроллеров. Пуск с общей кнопки, разгрузка в смеситель после набора дозы всеми дозаторами. Режим работы БСУ - «ручной», но с автоматическим набором точной дозы.
Следующий уровень. Устанавливается компьютер с прикладной программой управления узлом дозирования и смешивания БСУ, в шкаф управления устанавливается управляющий контроллер с платами ввода/вывода, откуда будет осуществляться управление механизмами, задействованными непосредственно в процессе дозирования и смешивания. Контроллеры «Мастер 110.4» через интерфейс RS-485 также подключаются к управляющему контроллеру. Узел дозирования и смешивания работает под управлением специальной программы в автоматическом режиме. Вся информация сохраняется и может быть передана в системы более высокого уровня. Режим работы БСУ - «полуавтоматический», так как остается ручное управление механизмами, непосредственно не задействованными в процессе дозирования.
Следующий уровень. В управляющий контроллер устанавливаются дополнительные платы автоматики, вносятся дополнения в прикладную программу, подключается оборудование БСУ, которое не было подключено на предыдущем этапе. Получаем полную АСУТП БСУ. Режим работы - «автоматический».
БСУ-2. На нижнем уровне три однокомпонентных тензометрических дозатора, работающих под управлением контроллеров «Мастер 110.4» и один многокомпонентный дозатор (на три компонента), работающий под управлением контроллера «Мастер 210.3». Дозаторы устанавливаются и подключаются по очереди. Контроллеры установлены в операторской, в шкафу управления, рядом с пультом управления прочими механизмами БСУ. Задание выставляет оператор с клавиатуры контроллеров. Пуск с общей кнопки, разгрузка после набора доз всеми дозаторами. Режим работы БСУ - «ручной», но с автоматическим набором точных доз.
Следующий уровень. Устанавливается компьютер с прикладной программой управления БСУ, в шкаф управления устанавливается управляющий контроллер с платами ввода/вывода, откуда будет осуществляться управление всеми механизмами БСУ. Контроллеры «Мастер» через интерфейс RS-485 также подключаются к управляющему контроллеру. Получаем полную АСУТП БСУ Режим работы - «автоматический».
БСУ на одном предприятии может быть несколько. На каждом из них может быть установлена собственная АСУТП, как автономная, так и подключенная в единую сеть. Если необходимо, можно сделать одну общую АСУТП предприятия, с управлением от одного главного компьютера.
Бетон и железобетон, 2005 №2