Автоматизированное управление многоярусной конвейерной системой с композиционными полимерными лентами

Одной из важнейших задач развития производства является задача повышения уровня механизации и автоматизации подъемно-транспортных, погрузочно-разгрузочных и складских работ в целях значительного сокращения применения ручного, малоквалифицированного и тяжелого труда путем использования конвейерных систем непрерывного и периодического действия.

Среди многообразия конвейерных систем (КС) выделяются многоярусные конвейерные системы (МКС), создание которых вызвано потребностью в эффективном распределении транспортных потоков на меньших производственных площадях. Во многих отраслях современной промышленности, в частности, в биологическом, химическом, фармакологическом производствах, агропромышленном комплексе и др., при транспортировке материалов, содержащих агрессивные среды, возникла необходимость применения полимерных конвейерных лент.

Управление многоярусными конвейерными системами с композиционными полимерными лентами (КПЛ) затруднено рядом факторов: наличием значительных деформаций лент в условиях возмущений по нагрузке и температуре окружающей среды, различающихся в отдельных ярусах системыналичием в каждом ярусе конвейерной системы внутренней обратной связи по каналу «относительное удлинение ленты — ее натяжение» — необходимостью обеспечения условий, исключающих пробуксовку ленты на приводном барабане в широком диапазоне действующих возмущенийсложностью создания эффективных автоматических устройств натяжения лент, компенсирующих указанную деформацию. Несмотря на возрастающий интерес к таким конвейерным системам, в современной научной литературе практически отсутствуют публикации о методах и принципах управления, учитывающих перечисленные особенности. Существующие методы управления не обеспечивают экономичность работы и долговечность оборудования МКС с КПЛ. Недостаточный объем информации о текущем состоянии конвейерной системы приводит к тому, что при принятии решений по управлению операторы во многом ориентируются на субъективный опыт и интуицию. В результате этого в примерно одинаковых ситуациях принимаются разные, часто неоптимальные решения, что приводит к неоправданным материальным расходам, а также к сокращению сроков службы оборудования из-за нарушения режимов его эксплуатации.

Так, например, отсутствие прогноза величины текущего натяжения конвейерной ленты может привести к возникновению натяжений, значительно превышающих допустимые пределы, вследствие чего может произойти обрыв лентыотсутствие прогноза величины относительного удлинения приводит к возникновению остаточных деформаций, возможному пробуксовыванию ленты на приводном барабане, чрезмерному провису ленты между роликовыми опорами, вызывающему соприкосновение ленты с неподвижными частями конвейера. Все это приводит к преждевременному износу конвейерного оборудования и уменьшению срока службы конвейерной ленты, стоимость которой составляет значительную часть от стоимости конвейера.

В связи с вышеизложенным, возникает актуальная проблема разработки научно-методической базы для конструирования многоярусных систем с композиционными полимерными лентами в качестве тягово-несущего органа, и создания эффективных способов управления транспортировкой материалов указанными системами. Данная диссертационная работа посвящена решению этой проблемы.

Цель диссертационной работы — создание автоматизированной системы управления многоярусными конвейерными системами непрерывного и периодического действия с композиционными полимерными лентами на основе подстраиваемой математической модели, учитывающей характерные особенности объекта управления.

Для достижения сформулированной цели в рамках диссертационной работы решен комплекс задач, включая:

• проведение ряда экспериментов с целью выявления основных физико-механических свойств композиционной полимерной ленты при ее растяжении;

• разработку математической модели процесса деформации композиционной полимерной ленты, учитывающей характерные особенности ленты как объекта управления;

• выбор и обоснование эффективной схемы фрикционного привода многоярусных систем с полимерными лентами;

• разработку математической модели КС с КПЛ, учитывающей наличие в системе внутренней обратной связи по каналу «относительное удлинение — натяжение ленты» ;

• разработку методики тягового расчета для текущего оценивания величины деформации, внутренних напряжений и запаса прочности полимерных лент в многоярусных конвейерных системах;

• проверку адекватности математической модели деформации композиционной полимерной ленты на основе результатов экспериментов, проведенных на разрывной машине, и математической модели КС с КПЛ путем проведения активного эксперимента с конвейерной системой периодического действия;

• разработку схемы и алгоритмов автоматизированного управления производительностью многоярусных конвейерных систем непрерывного и периодического действия с композиционными полимерными лентами.

Диссертационная работа состоит из четырех глав и приложения.

В первой главе приведены общие сведения о существующих конвейерных системах. Обоснована необходимость использования композиционных полимерных лент. Дана классификация исследуемых в диссертационной работе конвейерных систем с композиционными полимерными лентами, в соответствии с которой КС с КПЛ можно классифицировать на конвейерные системы непрерывного, периодического действия и комбинированные. Все указанные конвейерные системы могут быть как одноярусными, так и многоярусными, состоящими из конвейеров, расположенных вертикально в несколько ярусов. Проведен обзор существующих систем управления и уровня автоматизации конвейерных систем, который свидетельствует о том, что в настоящее время не существует систем управления, учитывающих весь комплекс особенностей КС с КПЛ. В соответствии с целью работы — созданием системы управления производительностью КС с КПЛ — сформулирована задача исследования.

Во второй главе рассмотрены особенности КПЛ, а также существующие модели, описывающие процесс деформации конвейерных лент. Представлены результаты экспериментов, проведенных на разрывной машине с целью идентификации конвейерной ленты как объекта управления. Результатом проведенных экспериментов является получение статических и динамических характеристик четырех типов полимерных конвейерных лент, анализ которых позволил выбрать для дальнейших экспериментов конвейерную ленту, обладающую лучшими прочностными свойствами, а также показал, что испытанные образцы отечественных КПЛ не обладают свойством ползучести и не имеют остаточной деформации после снятия нагрузки при работе в начальном диапазоне статической характеристики, что позволяет использовать их в КС большей производительности в отличие от ряда известных лент, поставляемых зарубежными заводами изготовителями. С целью моделирования конвейерных систем разработана математическая модель деформации композиционной полимерной ленты при ее растяжении. В отличие от известных по литературным данным моделей конвейерных лент разработанная модель учитывает весь комплекс характерных особенностей конвейерных лент, изготовленных на основе полимерных материалов. Как объект идентификации композиционная полимерная лента представляет собой нелинейную динамическую систему с внутренними координатными и параметрическими связями. В основу предлагаемого подхода положено представление процесса деформации полимерного материала как процесса движения вязкоупругого тела (каркаса КПЛ) в оказывающей сопротивление этому движению упруго-вязкой среде (наполнителе). В рамках такого представления предложена замкнутая структура динамической системы, в которой в прямой цепи используется модель Фохта первого порядка, описывающая процесс движения вязко-упругого тела, и в цепи обратной связи параллельное соединение нескольких моделей Максвелла (рис. 3.22), описывающих сопротивление этому движению со стороны внутренней упруго-вязкой среды. В работе впервые предложены полученные на основе экспериментальных данных аналитические соотношения, описывающие характер зависимости модуля упругости, деформации и предела прочности ленты от ее температуры, зависимость внутреннего напряжения от относительного удлинения ленты вследствие поперечной деформации ленты. Разработанная модель деформации включает в себя блоки формирования внутреннего напряжения и продольной деформации, а также мультипликативную обратную связь, обусловленную влиянием поперечной деформации. Входными переменными модели являются усилие натяжения ленты в точке ее набегания на приводной барабан и температура окружающей среды, выходной переменнойотносительное удлинение. Проведена проверка адекватности разработанной математической модели деформации КПЛ реальному процессу деформации ленты при ее растяжении на разрывной машине.

В третьей главе рассматриваются вопросы создания математической модели МКС с КПЛ. Выявленные особенности конвейерных лент как объекта управления, а также существенно меньшее значение коэффициента трения полимерных материалов по стали предъявляют особые требования к схемам фрикционных приводов, используемых в рассматриваемых конвейерных системах. С целью исключения проскальзывания ленты на приводном барабане и обеспечения необходимого тягового усилия, в работе исследованы различные типы приводов. На основании выполненного исследования в качестве типового решения для КС с КПЛ предложена схема фрикционного привода, особенностями которой является использование активного прижимного ролика, обеспечивающего необходимое сцепление ленты с поверхностью приводного барабана при значительных вариациях натяжения холостой ветви, а также увеличенный угол охвата лентой поверхности приводного барабана и прижимного ролика за счет соответствующего пространственного расположения отклоняющих и направляющих роликов. Для указанного типа привода в работе выполнены исследования зависимости тягового усилия от конструктивных параметров системы и сформулированы рекомендации по выбору начального натяжения, прижимного усилия, углов охвата и других параметров, обеспечивающих необходимую производительность конвейерной системы и исключающих проскальзывание ленты на приводном барабане в реальном диапазоне действующих возмущений. Применительно к предложенной схеме фрикционного привода на основе модели деформации полимерной ленты, разработана модель конвейерной системы с композиционной полимерной лентой в качестве тягово-несущего органа. Входными переменными модели являются: управляющее воздействие либо в виде задания дозатору входного потока для непрерывной системы, либо в виде дискретности включения привода для системы периодического действия, расход входного потока, температура и влажность материала. Выходными являются относительное удлинение, стрела провисания ленты между роликовыми опорами в начале несущей ветви и стрела выгибания, возникающая между приводным барабаном и отклоняющим роликом. Модель состоит из модуля формирования погонной нагрузки (МПН) и тягово-несущего модуля (ТНМ). Принципиальная особенность разработанной математической модели заключается в наличии замкнутого контура по каналу «относительное удлинение — натяжение ленты».

Разработанная модель КС с КПЛ положена в основу методики тягового расчета конвейерной системы для текущего оценивания деформации, внутренних напряжений и запаса прочности полимерных лент в многоярусных конвейерных системах. Указанная методика была использована при решении ряда практических задач в процессе создания птицеводческого оборудования и технологии приготовления органоминеральных удобрений, а также для решения задач синтеза систем автоматизированного управления технологическими процессами с многоярусными конвейерными системами.

В четвертой главе рассматриваются вопросы создания системы адаптивного управления на основе эталонной модели конвейерной системы. Выбраными критериями управления являются: максимум производительности при соблюдении ограничений по величинам относительного удлинения и стрелы провисания ленты для конвейерных систем непрерывного действияминимум эксплуатационных затрат при соблюдении ограничений по величинам относительного удлинения и стрелы выгибания ленты для конвейерных систем периодического действия. Обоснована необходимость адаптации математической модели конвейерной системы вследствие временного дрейфа параметров материала ленты, обусловленного процессами старения. Разработан алгоритм адаптации коэффициента пластичности (обратная величина от модуля упругости), определяющего статическую характеристику лентыпараметра, в большей степени подверженного влиянию процессов старения. Информативными переменными для алгоритма адаптации выбраны рассогласования между фактическим и прогнозируемым по модели значениями стрелы провисания и стрелы выгибания. Предложенный подход во всех рассматриваемых в диссертации задачах управления основан на использовании в контуре управления эталонной математической модели конвейерной системы. Вычисленные эталонной моделью текущие оценки величин относительного удлинения, стрелы провисания или стрелы выгибания поступают на вход блока управления, формирующего управляющее воздействие в виде изменения задания по расходу входному дозатору, либо в виде изменения скорости движения ленты для конвейерных систем непрерывного действия, либо в виде дискретности включения привода для конвейерных систем периодического действия. Разработана схема и штгоритм адаптивного управления производительностью КС с КПЛ. Проведен анализ качества работы разработанной системы управления путем сравнения производительностей, обеспечиваемых системами управления без использования эталонной модели, с использованием эталонной модели без учета временного дрейфа параметров ленты и с использованием автоматически подстраиваемой эталонной модели КС с КПЛ, позволяющий сделать вывод о том, что предложенная в диссертационной работе система управления обеспечивает наибольшую производительность по сравнению с существующими.

В приложении приведены варианты реализации предлагаемого способа управления, а также методики и примеры выполнения тягового расчета и алгоритмы управления многоярусными конвейерными системами пометоудаления и яйцесбора, входящими в состав клеточного оборудования для промышленного птицеводства и конвейерными системами технологического комплекса для сортировки бытового мусора в потоке.

Основными положениями, выносимыми на защиту, являются:

1. Методика идентификации полимерной ленты с использованием разрывной машины;

2. Математическая модель деформации композиционной полимерной ленты при ее растяжении;

3. Математическая модель конвейерной системы с композиционными полимерными лентами, учитывающая наличие в системе внутренней обратной связи по каналу «относительное удлинение — натяжение ленты» ;

4. Схема и алгоритмы автоматизированного управления производительностью многоярусных конвейерных систем непрерывного и периодического действия с композиционными полимерными лентами с использованием в контуре управления автоматически подстраиваемой эталонной модели КС с КПЛ.

По теме диссертации опубликовано пять работ.

Основные результаты работы докладывались на конференции ММТТ-12, проходившей в Великом Новгороде в 1999 г, а также на конференциях, посвященных памяти д.т.н., профессора М. М. Сычева и памяти д.х.н., профессора, заслуженного

— 11 деятеля Российской Федерации, академика РАЕН Ю. Н. Кукушкина, проходивших в Санкт-Петербурге, соответственно, в 1999 и 2000 гг.

Предлагаемая методика тягового расчета МКС на основе математической модели КС использована при конструировании изготавливаемого ОАО «ВИАСМ» (Санкт-Петербург) клеточного оборудования для промышленного птицеводства и автоматизированных технологических комплексов сортировки бытового мусора в потоке.

— 188-ВЫВОДЫ

1. Анализ современного уровня автоматизированного управления КС показал, что в его основу положена работа фрикционного привода, исходя из условия отсутствия проскальзывания ленты на приводном барабане, без учета деформаций конвейерной ленты, управление натяжением при этом сводилось к выбору типа натяжного устройства. Поэтому актуальной является разработка системы управления, учитывающей характерные особенности МКС и используемых в качестве тягово-несущего органа КПЛ.

2. Для получения статических и динамических характеристик ленты разработана и опробована специальная методика проведения эксперимента на разрывной машине, основанная на двусторонних скачкообразных возмущениях и дублировании опытов. Экспериментальные исследования позволили выявить и рекомендовать для использования конвейерную ленту, обладающую наилучшими прочностными характеристиками.

3. Разработана математическая модель деформации КПЛ при растяжении, в основу которой положено представление процесса деформации полимерного материала ленты как процесса движения вязко-упругого тела (каркаса КПЛ) в оказывающей сопротивление этому движению упруго-вязкой среде (наполнителе). В рамках такого представления разработана замкнутая структура динамической модели, в прямой цепи которой используется модель Фохта, описывающая процесс движения вязко-упругого тела, в цепи обратной связи — параллельное соединение нескольких моделей Максвелла, описывающих сопротивление этому движению со стороны внутренней упруго-вязкой среды, что позволяет описывать деформационные свойства при исследовании ленты на ползучесть и релаксацию.

4. Осуществлена параметрическая идентификация модели деформации КПЛ с использованием полученных экспериментально статических и динамических характеристик ленты в условиях, когда длительность скачкообразных возмущений по относительному удлинению существенно меньше длительности релаксационных процессов. Расчет параметров модели осуществлялся градиентным методом поиска экстремума заданного критерия — минимума среднеквадратического отклонения между усредненным экспериментальным значением и рассчитанным с помощью математической модели.

5. На основании выполненного исследования различных типов привода в качестве типового решения для КС с КПЛ предложена схема фрикционного привода с активным прижимным роликом, обеспечивающая за счет силы прижима и увеличенного угла охвата лентой поверхности приводного барабана и прижимного ролика необходимое сцепление ленты с поверхностью приводного барабана при значительных вариациях натяжения ленты холостой ветви.

6. Разработана и программно реализована модель КС с КПЛ, в качестве тягово-несущего органа включающая модель деформации КПЛ и являющаяся эффективным инструментальным средством при конструировании и выборе режимов управления КС с КПЛ. Принципиальной особенностью модели является наличие замкнутого контура, определяющего зависимость статического натяжения от относительного удлинения ленты и обуславливающего дополнительные требования к выбору величины начального натяжения с целью исключения проскальзывания ленты. Проверка адекватности модели показала, что во всех случаях расчетные значения критерия Фишера оказались меньше допустимых табличных значений, что свидетельствует об адекватности модели.

7. Разработана модифицированная методика тягового расчета конвейерной системы для текущего оценивания деформации, внутренних напряжений и запаса прочности полимерных лент в многоярусных конвейерных системах.

8. Предложен подход к управлению производительностью КС, основанный на организации автоматического управления натяжением ленты по принципу управления по возмущению с использованием в контуре управления эталонной математической модели КС, включающей в себя модель деформации КПЛ при растяжении по каналам передачи управляющего и возмущающего воздействия к выходу объекта.

9. Разработаны схема и алгоритм управления производительностью КС, в структуру которых введен специальный контур адаптации, предназначенный для корректировки параметров модели объекта в условиях дрейфа во времени параметров КПЛ. В качестве критериев управления для КС непрерывного действия принят максимум производительности системы, для КС периодического действия

— 190суммарное время активного состояния конвейеров, при ограничениях на допустимые относительное удлинение, стрелу провисания и стрелу выгибания конвейерной ленты. Результаты оценки качества работы свидетельствуют о том, что производительность, обеспечиваемая системой управления с автоматически подстраиваемой эталонной моделью, на 10−43% (КС периодического действия) и 1750% (КС непрерывного действия) выше, чем системой управления без контура адаптации, а также на 13−170% (КС периодического действия) и 210−470% (КС непрерывного действия) выше, чем системой управления без эталонной модели.

10. Эффективность основных результатов диссертационной работы подтверждается их внедрением в действующую в ОАО «ВИАСМ» (Санкт-Петербург) технологию автоматизированного конструирования конвейерных систем.

— 191