СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ СМЕШИВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ И СПОСОБ СМЕШИВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ
CONTROL SYSTEM FOR MIXING MATERIALS AND METHOD OF MIXING MATERIALS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и системе управления для смешивания материалов.
Уровень техники
В технике известно много способов для смешивания жидких материалов. Как правило, материалы смешиваются выше по течению от смесительной емкости. Такие материалы затем совместно добавляются в смесительную емкость и перемешиваются до тех пор, пока не достигается однородная смесь. Далее технологические операции ниже по течению от области слияния могут включать в себя добавление большего количества материала(-ов), добавление или извлечение энергии, такой как тепловая энергия, и т.п.
Дополнительно или альтернативно, такие материалы могут смешиваться в динамической смесительной емкости с помощью механического перемешивания и (или) альтернативных форм перемешивания, таких как ультразвуковая вибрация. Смешанные материалы или смесь могут затем транспортироваться ниже по течению и становиться промежуточным продуктом для дальнейшей обработки. Альтернативно, эти материалы могут добавляться в контейнер для окончательной продажи или использования.
Предшествующие способы и системы имеют несколько недостатков. Если используется такая смесительная емкость, то может потребоваться значительная энергия, чтобы достигнуть желательного смешения. Если желательно изменить состав или даже неосновные материалы, то это изменение обычно влечет за собой чистку всей емкости и связанной с ней системы. Чистка всей системы может быть трудоемкой и занимать много времени. Затем добавляются новые материалы и процесс начинается снова. Могут происходить значительные потери времени и материалов.
Переходные процессы от отсутствия производства или низкой скорости производства до полных скоростей производства являются неизбежными, когда происходят изменения между различными продуктами и т.п. Обычно желательно, чтобы такой переходный процесс завершался и установившийся режим работы возобновлялся как можно быстрее. Причина состоит в том, что обычно требуется достижение установившегося режима скоростей производства, как только приемлемо на практике. Далее, продукт, производимый не по спецификации, за время переходных процессов может быть потерян. Если продукты были приняты при более медленном переходном процессе, то в таком случае, вероятно, может быть большая точность в продуктах, производимых в течение переходного процесса, и меньшее количество продукта может быть испорчено при более медленном переходном процессе. Таким образом, в технике имеет место компромисс.
Зачастую скорость, с которой система откликается на переходные процессы, ограничивается оборудованием. Например, расходомер, который предназначен для обеспечения действительной скорости потока в конкретный момент времени, не может следовать и (или) не указывать на изменение в скорости потока так быстро, как хотелось бы для скорости изменения переходного процесса. Например, клапаны, которые обеспечивают управление потоком и в конечном счете скорость добавления материала, могут не реагировать так быстро, как было бы желательно. Далее, различные размеры клапанов, различные средства управления, используемые вместе с клапанами, и даже клапаны от разных изготовителей могут реагировать с различными скоростями, как только принят командный сигнал. Сверх того, один и тот же клапан может реагировать с различными скоростями на различных участках цикла открыто/закрыто.
В связи с этим, имеется необходимость в устройстве и способе использования такого устройства, которое позволяет быстро изменять состав смеси, точно следовать за переходными процессами, минимизировать потерянные материалы и быстро обеспечивать однородность смеси. Если не указано иное, все времена, отраженные здесь, выражаются в секундах, пропорции и проценты здесь основаны на объеме. Необязательно, изобретение может использовать пропорции и проценты, основанные на массе.
Сущность изобретения
В одном из вариантов изобретения в устройстве для смешивания материалов материалы могут включать в себя по меньшей мере один основной материал и по меньшей мере один неосновной материал. Основной и неосновной материалы смешиваются в области слияния. Область слияния имеет впускное отверстие для подачи каждого основного материала и одно или несколько впускных отверстий для подачи каждого неосновного материала. Смешанные материалы отводятся из области слияния через общее выпускное отверстие без использования смесительной емкости, клапана управления потоком или контура обратной связи управления потоком между впускными отверстиями и общим выпускным отверстием.
В другом варианте осуществления изобретения способ для смешивания вместе двух или более материалов содержит этапы, на которых обеспечивают первый материал и по меньшей мере один дополнительный материал, затем смешивают эти материалы в заранее заданной пропорции. Материалы могут смешиваться с различающимися скоростями потока, в то же время сохраняя заранее заданную пропорцию внутри относительно жесткого допуска.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой условный вид примерной системы согласно настоящему изобретению, показанной частично в разрезе и обеспечивающей восемь неосновных материалов.
Фиг.2 представляет собой мгновенный вертикальный разрез примерной системы согласно настоящему изобретению, условные насосы для подачи неосновных материалов к области слияния и кольцевой зажим вокруг них.
Фиг.3 представляет собой график, показывающий кривую производительности иллюстративной системы согласно уровню техники для командного сигнала, имеющего ступенчатый вход.
Фиг.4 представляет собой график, показывающий кривую переходного отклика примерной системы согласно настоящему изобретению для ступенчатого входа по сравнению с идеализированным теоретическим откликом уровня техники для того же самого ступенчатого входа.
Фиг.5 представляет собой график кривых переходного отклика системы для 0,2-секундного линейно нарастающего входа, показывающий командный сигнал и некоторые переменные процесса для одного основного и двух неосновных материалов.
Фиг.6 представляет собой увеличенный график кривой переходного отклика одного из неосновных материалов по фиг.5.
Фиг.7 представляет собой график, показывающий мгновенную ошибку системы по фиг.4.
Фиг.8 представляет собой график, показывающий накопленную ошибку системы по фиг.4.
Фиг.9 представляет собой условную схему системы управления скоростью потока с обратной связью согласно уровню техники.
Фиг.10 представляет собой условную схему системы управления положением двигателя с обратной связью, применимой с настоящим изобретением, показывающую необязательные компоненты пунктиром.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 и 2 проиллюстрированы устройство 10 и процесс для смешивания, гомогенизации или смесеобразования двух или более материалов. Смешивание относится к добавлению материалов вместе с или практически без смешения до достижения однородности. Смесеобразование и гомогенизация взаимозаменяемо относятся к смешиванию и дальнейшему достижению относительно большей степени однородности после этого.
Получаемые в результате комбинации материалы могут быть размещены в контейнере (не показано). Контейнер может вставляться в устройство 10 и удаляться из него. Устройство 10 содержит оборудование для добавления по меньшей мере одного основного или первого материала в контейнер и для добавления по меньшей мере одного неосновного или второго вплоть до N-го материалов в контейнер. Устройство 10 для добавления основного материала(ов) и неосновного материала(ов) обеспечивает для некоторых или всех этих материалов совместный приход в область 12 слияния. Область 12 слияния является областью или точкой, где основной материал(ы) и по меньшей мере один и, вероятно, каждый неосновной материал(ы) первоначально входят в контактную связь друг с другом и где может происходить смешивание. Смешивание основного материала(ов) и неосновного материала(ов) может происходить в области 12 слияния, ниже по течению от нее или и там, и там.
Область 12 слияния может содержать одно или несколько впускных отверстий 14А, которые могут быть названы как впускное отверстие 14А основного материала, для подачи одного или нескольких основных материалов и по меньшей мере одно впускное отверстие 141, каждое из которых может быть названо как впускное отверстие 141 неосновного материала, для подачи одного или нескольких неосновных материалов. Область 12 слияния может далее содержать по меньшей мере одно общее выпускное отверстие 16 для выпуска основного материала(ов) и неосновного материала(ов) из области 12 слияния и, необязательно, непосредственно в контейнер или, необязательно, в контейнер после дальнейшей обработки. Понятно, что после того, как материалы покидают область 12 слияния через общее выпускное отверстие 16, может заполняться единственный контейнер или может параллельно заполняться множество контейнеров, имеющих равные или неравные объемы и скорости потока в них.
Устройство 10 для подачи неосновного материала(-ов) может содержать одну впускную трубу 141 или несколько впускных труб 141, вставленных в устройство 10 для подачи неосновного материала(-ов) непосредственно в область 12 слияния. Каждый неосновной материал может иметь выделенную впускную трубу 141 или, альтернативно, множество неосновных материалов могут вводиться через единственную впускную трубу 141. Конечно, если желательно, один и тот же неосновной материал может добавляться через более чем одну впускную трубу 141 в различных комбинациях подобных или различных материалов, количеств, скоростей подачи, скоростей потока, концентраций, температур и т.д.
Впускное отверстие 141 для каждого из неосновных материалов заканчивается на впускном стоке 18. Впускной сток 18 может находиться в общей плоскости, как показано. Впускной сток 18 определяет начало областей 12 слияния, как отмечено выше. Впускной сток 18 является точкой, где неосновной материал покидает соответствующее впускное отверстие 141 и входит в область 12 слияния. Впускной сток 18 может помещаться рядом со встроенным смесителем, чтобы смешивание материалов происходило почти немедленно в области 12 слияния.
Хотя иллюстрируется устройство 10, имеющее восемь впускных труб 141, и каждая из них равномерно разнесена от другой, специалист поймет, что изобретение этим не ограничено. Больше или меньше впускных труб 141 может быть предусмотрено и разнесено равномерно или неравномерно по периферии, по радиусу и (или) в продольном направлении. Кроме того, впускные трубы 141 могут иметь равные или неравные площади поперечного сечения, формы, длины и скорости потока через них. Неосновные материалы могут подводиться к впускным трубам 141 из одного или нескольких общих источников или из различных источников.
Если желательно, объем впускных труб 141 для неосновных материалов может быть относительно небольшим по отношению к общему объему всего устройства 10. Эта относительная величина обеспечивает преимущество в том, что в системе может происходить меньший гистерезис благодаря небольшому объему впускных труб 141 между насосом 20 и областью 12 слияния.
Устройство 10 может содержать множество подводящих трубопроводов для неосновных материалов. Каждый подводящий трубопровод может проходить от источника по меньшей мере одного основного материала или по меньшей мере одного неосновного материала к соответствующему впускному стоку 18 внутри области 12 слияния.
Впускной сток 18 может находиться на дистальном конце впускной трубы 141. Каждый подводящий трубопровод вследствие этого задает объем от своего соответствующего источника материала до своего соответствующего стока внутри области 12 слияния. По меньшей мере один источник для добавления по меньшей мере одного основного материала подразумевает, что первый объем проходит от этого источника материала до общей плоскости, где находится впускной сток 18. Каждая подача для добавления каждого из упомянутых неосновных материалов подразумевает подобьем. Подобъемы объединяются, чтобы получить второй объем. Первый объем и второй объем суммируются, чтобы получить общий объем. Второй объем может содержать меньше чем 20%, меньше чем 10%, меньше чем 5% или меньше чем 3% от общего объема.
Первый материал может нагнетаться в область 12 слияния с первой скоростью. Второй - N-й материал может нагнетаться в область 12 слияния со второй скоростью, третьей скоростью, вплоть до N-й скорости для N неосновных материалов. Вторая - N-я скорость может быть подобрана практически такой же, как первая скорость, или они могут несколько отличаться друг от друга. Один или несколько неосновных материалов могут в общем соответствовать или быть подобранными по скорости потока во время входа в область 12 слияния со скоростью по меньшей мере одного основного материала(ов) при том тот же самом поперечном сечении области 12 слияния. В одном варианте осуществления изобретения любая или все из второй - N-й скоростей неосновных материалов могут быть в пределах ±50%, могут даже быть более точно подобраны в пределах ±25% и могут даже быть более точно согласованы с ±5% от первой скорости основного материала(-ов). Эта компоновка позволяет неосновным материалам входить в поток непрерывным потоком, без подтекания, и вследствие этого проводить лучшее смешивание. Скорость стока неосновного материала в течение потока определяется комбинацией выпускного сопла (если оно есть) и выпускным отверстием 20 насоса, подающего этот неосновной материал. В простейшем случае первая скорость может быть подобрана идентичной любой или всем из второй - N-й скоростей. Если желательно, устройство 10 и способ могут использовать множество областей 12 слияния. Множество областей 12 слияния может быть расположено последовательно, параллельно или их комбинацией. Множество областей 12 слияния может быть одинаковым или различным для любых или всех из основных материалов, неосновных материалов, пропорций, скоростей потока, командных сигналов и т.д. Некоторое множество областей 12 слияния может быть использовано, чтобы предварительно перемешать неосновные материалы, основные материалы или любую их комбинацию, подлежащие смешиванию в областях 12 слияния с другими материалами в последующем.
Контейнер может быть заключительным приемником для смеси основных и неосновных материалов после того, как они смешаны вместе и покинули область 12 слияния. Контейнер может быть в конечном счете загружен и продан потребителю или может использоваться для транспортировки и хранения смеси основных материалов и неосновных материалов в качестве промежуточного материала.
Контейнер может быть перемещен в и из устройства 10 своей собственной энергией, как происходит с контейнером грузового автомобиля-цистерны, может быть перемещен непосредственно самим устройством 10 или с помощью внешней движущей силы. В простейшем случае все неосновные материалы добавляются к одному основному материалу в одном и том же пункте, посредством чего определяется начало области 12 слияния. Конец области 12 слияния определяется как общее выпускное отверстие 16 из нее. В простейшем случае общее выпускное отверстие 16 может находиться в условиях атмосферного давления как заполненный воздухом контейнер; в условиях вакуума, как вакуумированный контейнер или даже в герметизированный контейнер. Смесь или другая комбинация материалов может выдерживаться выше атмосферного давления от области 12 слияния до точки стока в контейнер.
Контейнер может иметь любые подходящие размер, геометрию, конфигурацию, номер и т.д. Объем контейнера может быть в диапазоне от нескольких кубических сантиметров до по меньшей мере размера железнодорожного танкера. Контейнер может быть снабжен хрупким или перепломбируемым запорным элементом, как известно в технике, и сделан из любого материала, подходящего для содержания материалов, смешанных согласно настоящему изобретению.
Конец области 12 слияния может также быть определен как та точка, в которой получается практическая однородность и добавочное перемешивание материалов несущественно. Такой пункт может встречаться перед выпуском в контейнер. Длина области 12 слияния определяется как расстояние от начала области 12 слияния до вышеупомянутого общего впускного отверстия 16. Объем области 12 слияния равен длине, умноженной на площадь поперечного сечения в этой области 12 слияния. Длина области 12 слияния может быть относительно короткой по сравнению с впускными трубами 141 и другими размерами в системе.
Хотя показана область 12 слияния постоянного поперечного сечения, понятно, что изобретение не ограничено этим. Изобретение может иметь переменное поперечное сечение типа суживающегося, расходящегося, бочкообразного, в форме трубки Вентури и т.д.
Как используется здесь, основной материал представляет собой наибольший отдельный материал в конечной смеси и может относиться к любому материалу, который составляет больше чем 33% и в другом варианте осуществления изобретения, даже больше чем 50%, и может даже составлять больше чем 67% от общего состава. Здесь предполагаются равные объемы для множества основных и неосновных материалов. Напротив, неосновной материал представляет собой любой материал, который может содержать меньше чем или ровно 50%, в другом варианте осуществления изобретения 10%, в другом варианте осуществления изобретения меньше чем 5% и в еще в одном варианте осуществления изобретения меньше чем 1% от общего состава. Изобретение также предполагает множество материалов в равных и (или) относительно равных пропорциях и (или) скоростях потока.
Устройство 10 для подачи основного материала может содержать трубу, трубопровод, открытый канал или любое другое подходящее устройство 10, через которое могут течь материалы. Хотя иллюстрируется круглая труба, изобретение не ограничено этим. Может быть использовано любое желательное поперечное сечение, постоянное или переменное.
Устройство 10 и способ, описанные и заявленные здесь, не требуют динамической смесительной емкости. Как используется здесь, смесительная емкость относится к резервуарам, чанам, сосудам и реакторам и включает в себя системы перемешивания с одноразовой загрузкой и непрерывные, которые используют мешалку, сопло струйного перемешивания, рециркуляционный контур, просачивание газа или аналогичные средства взбалтывания, чтобы смешивать в них материалы. Может быть трудно быстро и точно следовать и достигать желательных промежуточных скоростей потока с помощью динамической смесительной емкости. Это потому, что могут происходить расслоение потока на застойную зону и транзитный поток и прерывание, когда материалы смешиваются в динамической смесительной емкости. Различные соотношения скоростей потока могут происходить и ограничивать желательный состав достигнутого продукта. Если желательный состав продукта не достигается, то продукт пропадает впустую. Кроме того, зачастую необходимо время пребывания, чтобы достигнуть смешивания, а осевая дисперсия материалов требует энергии и может быть труднодостижимой при множестве добавлений неосновных материалов.
Устройство 10, описанное и заявленное здесь, может использовать встроенный смеситель. Как используется здесь, встроенным смесителем называется смешивающее устройство, которое не вызывает макромасштабного расслоения потока на застойную зону и транзитный поток или не препятствует протеканию непрерывного потока через часть устройства 10, имеющую встроенный смеситель. Один неограничивающий тип встроенного смесителя представляет собой, например, смеситель ультразвукового или кавитационного типа. Одной такой системой является гомогенизирующая система Sonolator, доступная от Sonic Corporation из Стратфорда, Коннектикут. Другим неограничивающим типом встроенного смесителя является статический смеситель, известный в технике и раскрытый в патенте США №6186193, выдан 13 февраля 2001 на имя Phallen et al., и в переуступленных патентах США №№6550960, выдан 22 апреля 2003 на имя Catalfamo et al.; 6740281, выдан 25 мая 2004 на имя Pinyayev et al.; 6743006, выдан 1 июня 2004 на имя Jaffer et al. и 6793192, выдан 21 сентября 2004 на имя Verbrugge. Далее, если желательно, статические смесители или другие встроенные смесители могут быть расположены в или с одной или несколькими впускными трубами 14А или выше области 12 слияния. Дополнительно, напорные резервуары могут использоваться для обеспечения более постоянного потока для материалов, смешиваемых устройством 10 и способом, описанными и заявленными здесь. Дополнительно или альтернативно, может использоваться пластина Zanker.
Основной и (или) неосновной материал(ы) могут содержать текучую среду, как правило, жидкость, хотя предполагаются и газообразные основные и неосновные материалы. Жидкости охватывают суспензии, эмульсии, взвеси, водные и неводные материалы, чистые материалы, смеси материалов и т.д., все имеющие жидкое состояние.
Дополнительно, по меньшей мере один из основного материала(-ов) и один или несколько из неосновного материала(ов) могут содержать твердое вещество типа гранулированного вещества или вещества в форме частиц. Гранулированные материалы или материалы в форме частиц могут быть добавлены любым известным способом, в том числе, но не ограничиваясь этим, раскрытым в переуступленном патенте США №6712496, выдан 30 марта 2004 на имя Kressin et al.
Хотя изобретение описывается ниже в неограничивающих примерных терминах насосов 20 и серводвигателей, изобретение не ограничено этим и может использовать любую движущую силу или аналогичные средства для подачи основных и неосновных материалов. Используемой здесь движущей силой называется любая сила, используемая, чтобы обеспечивать энергию, которая, в свою очередь, используется, чтобы подавать материалы в область 12 слияния, и может включать в себя, без ограничения, электродвигатели, подачи самотеком, ручные подачи, гидравлические подачи, пневматические подачи и т.п.
По меньшей мере один основной материал(ы) и (или) по меньшей мере один неосновной материал(ы) могут подаваться из бункера, бака, резервуара, насоса 20, такого как поршневой насос 20, или другой подачи или источника к трубе или другому устройству подачи, известному в технике и обеспечивающему желательную точность для дозирования таких материалов. Основной материал(ы) и (или) неосновной материал(-ы) могут подаваться с помощью насоса 20, шнековой подачи или любыми другими подходящими средствами.
Устройство 10 для обеспечения основных и (или) неосновных материалов может содержать множество поршневых насосов 20. Каждый насос 20 может приводиться в действие присоединенным двигателем, таким как двигатель переменного тока или серводвигатель. Каждый серводвигатель может быть выделен для одного насоса 20 или дополнительно может приводить в действие множество насосов 20. Эта компоновка устраняет потребность в клапанах управления потоком, расходомерах и присоединенных контурах обратной связи для управления потоком, которые используются в известной технике.
Как используется здесь, клапаном управления потоком называется клапан количественного управления, чтобы позволить в результате этого проходить определенному количеству или скорости потока материала, и используется, чтобы модулировать фактическую скорость потока. Клапан управления потоком не включает в себя двухпозиционный клапан, что позволяет процессу, согласно настоящему изобретению более качественно начинать или останавливаться.
На фиг.9 иллюстрируется поясняющий контур обратной связи управления потоком согласно предшествующему уровню техники. Контур обратной связи управления потоком сравнивает уставку скорости потока или командный сигнал с измеряемой скоростью потока. Выполняется вычитание, чтобы определить ошибку. Ошибка, в свою очередь, используется, чтобы регулировать или корректировать скоростное управление приводом. Скоростное управление приводом связано с двигателем, функционально подключенным к насосу 20, в котором измеряется фактическая скорость потока. Эта система имеет недостаток в том, что реакция системы может диктоваться и сдерживаться точностью и временем срабатывания расходомера.
На фиг.10 показан неограничивающий примерный контур управления двигателем согласно настоящему изобретению. Такой контур управления двигателем может содержать, а может и не содержать по меньшей мере один контур прямой связи и (или) контур обратной связи, поскольку система управления не имеет нулевого усиления в управлении положением или управлении скоростью, если не используются соответствующие контуры прямой связи.
vff
aff
Если желательно, контур управления двигателем может содержать встроенные контуры управления. Самым внутренним из этих контуров может быть контур обратной связи управления крутящим моментом, который показан как единственный блок масштабирования как крутящего момента, так и тока. Команда крутящего момента подается на вход блока управления крутящим моментом. Блок управления крутящим моментом преобразует команду крутящего момента в эквивалентную токовую команду, которая подается на вход токового контроллера для двигателя. Токовый контроллер, в свою очередь, обеспечивает токовый сигнал обратной связи для управления током. Однако может использоваться управление крутящим моментом, распознающее математическую связь между крутящим моментом и током, которые могут быть определены с помощью масштабирующего устройства. Контур управления крутящим моментом может быть охвачен контуром обратной связи управления скоростью, который, в свою очередь, может быть охвачен контуром обратной связи управления положением. Контур обратной связи управления скоростью, контур обратной связи управления положением и (или) тракт прямой связи для скорости и (или) ускорения являются необязательными признаками для настоящего изобретения. Контур прямой связи скорости и ускорения могут использовать соответствующие коэффициенты усиления K и K, как показано.
Производная положения двигателя по времени может быть взята, чтобы получить скорость двигателя, или, наоборот, обратная связь по скорости может быть проинтегрирована по времени, чтобы получить положение двигателя. Контур управления положением двигателя может использовать командный сигнал положения двигателя и сравнивать эту уставку или командный сигнал с обратной связью положения двигателя, чтобы вычислить ошибку в определении положения. Уставка скорости может быть выведена из ошибки в определении положения с помощью контроллера положения.
Уставка скорости может сравниваться с фактической скоростью двигателя, чтобы также определить ошибку в скорости. Эта ошибка в скорости может использоваться, чтобы регулировать фактическую скорость двигателя с помощью известных методов. Скорость двигателя затем может быть скоррелирована с выходом насоса 20, как известно в технике.
Необязательно, уставка положения может иметь свою производную по времени, чтобы получить скорость прямой связи. Скорость прямой связи может быть подведена к сумматору уставки скорости и использована в сочетании с выходом контура управления положением, чтобы генерировать командный сигнал контура скорости. Скорость прямой связи также может использоваться без принятия во внимание командного сигнала контура положения, чтобы генерировать командный сигнал контура скорости. Необязательно, скорость прямой связи может иметь свою производную, взятую, чтобы получить ускорение прямой связи. Аналогично, ускорение прямой связи может использоваться в сочетании с или без выхода контроллера контура скорости, чтобы определить профиль ускорения двигателя, которое пропорционально командному сигналу крутящего момента, выданному на двигатель.
Уставки основных и неосновных материалов могут генерироваться как доля или процент от главных объемных уставки или командного сигнала. Главная объемная уставка может быть определена через объем суммарного потока, скорости потока и (или) быстрота изменения скоростей потока.
Хотя предшествующее обсуждение направлено на контур управления двигателем на основе положения двигателя, специалист поймет, что изобретение не ограничено этим. Контур управления двигателем может быть основан на положении двигателя, скорости двигателя, ускорении двигателя, токе в двигателе, напряжении на двигателе, крутящем моменте и т.д. Такая система и способ управления могут использоваться, чтобы определить главную уставку через крутящий момент/ток, положение, скорость и (или) ускорение, при условии, что имеется прямая связь между потоком и крутящим моментом/током/положением/скоростью/ускорением, как имеет место в настоящем изобретении. Уставки основного и неосновного материалов могут вводиться для индивидуальных движущих силовых систем, как команда положения и (или) скорость и (или) уставка крутящего момента.
Уставка или командный сигнал положения двигателя может быть послан к одному или нескольким серводвигателям. Согласно настоящему изобретению все основные материалы и неосновные материалы могут вводиться синхронно посредством таких серводвигателей, каждый из которых может быть присоединен к одному или нескольким насосам 20. Вместо или в дополнение к комбинации насос 20/серводвигатель специалист может использовать частотно-регулируемый привод, чтобы изменять напряжение, подающееся на приводимый в действие двигателем переменного тока насос 20. Альтернативно или дополнительно, выход насоса 20 может быть изменен с помощью различных других известных в технике средств. Например, чтобы изменить выход насоса 20 для данного двигателя, можно использовать механическое изменение скорости/привод с регулируемой скоростью, многоскоростную трансмиссию/коробку передач и (или) гидравлический привод с регулируемой скоростью.
Эта компоновка обеспечивает преимущество в том, что скорости потока некоторых или всех основных материалов и неосновных материалов могут линейно нарастать или уменьшаться синхронно без требования общего привода или клапана управления потоком, обеспечивая большую правильность воспроизведения желательного состава окончательной смеси всех материалов. Таким образом, если желательно иметь ступенчатое изменение, линейное изменение либо вверх, либо вниз, или даже пуск/остановку в одной или нескольких скоростях потока, этот переходный процесс может приводиться в соответствие более быстро, чем согласно существующей технике, известной изобретателям. Таким образом, соотношение основных и неосновных материалов остается в пределах относительно жесткого допуска желательного состава без ненадлежащего прерывания или ненадлежащего уменьшения скорости потока, приемлемых для объемов производства.
Как отмечено выше, эта компоновка обеспечивает преимущество в том, что нет необходимости иметь контур управления, непосредственно контролирующий скорости потока. Вместо этого, скорости потока для основных и неосновных материалов могут быть определены из знания характеристик насоса 20 для данной вязкости жидкости типа насоса 20 и перепада давления на входе/выходе. Основываясь на желательной скорости потока, может использоваться алгоритм корректировки насоса 20, чтобы достичь точной выпускной скорости потока, без требования прямого измерения потока. Прямое измерение потока может вводить задержки и погрешности во время быстрого переходного отклика, обусловленные ограничениями, свойственными аппаратуре, гистерезису системы и т.п.
Насос 20 может быть приведен в действие до своей желательной скорости вращения в зависимости от производительности насоса 20, в том числе любого коэффициента проскальзывания двигателя или насоса 20, чтобы учесть причину работы насоса 20 с менее чем 100% эффективностью. Если желательно, устройство 10 и способ согласно настоящему изобретению могут контролировать крутящий момент, положение, скорость и (или) ускорение вала электродвигателя.
Таким образом, устройство 10 и способ согласно настоящему изобретению могут не иметь контура обратной связи потока, чтобы компенсировать изменения в скорости потока или даже расходомера, чтобы контролировать добавление и (или) скорость добавления отдельных основных или неосновных материалов, например, когда они добавляются в область 12 слияния. Такая система управления обеспечивает относительно высокую степень воспроизведения желательного, т.е. управляемого отклика.
Устройство 10 и способ, заявленные здесь, могут управляться командным сигналом, как известно в технике. Командный сигнал может рассматриваться, как динамическая уставка и является запланированной скоростью добавления материалов для каждого материала в заданный момент времени. Командный сигнал может быть послан из компьютера типа программируемого логического контроллера (ПЛК) (PLC). Сигнал из ПЛК может быть послан к системе привода двигателя. ПЛК и система привода могут быть внутренними или внешними для рассматриваемой системы.
Если желательно, каждый двигатель может иметь выделенный контроллер привода. Командный сигнал(ы) посылается(ются) от компьютера к контроллеру привода и затем к двигателю, который может быть серводвигателем. Конечно, специалист поймет, что могут использоваться другое устройство 10 и средство для добавления материалов, и командный сигнал посылаться с контроллера на такое устройство 10 или средство добавления материалов. После получения командного сигнала серводвигатель ускоряется или замедляется к указанной скорости вращения для своего присоединенного насоса 20 или другого устройства 10 или средства добавления материалов. Скорость добавления материалов за счет этого управляется командным сигналом.
Два типа ошибки сопровождения могут рассматриваться с настоящим изобретением. Ошибка сопровождения является разностью между значением командного сигнала и обрабатываемым параметром. Первая является мгновенной ошибкой сопровождения заданной как объем материала, переносимого в единицу времени. Мгновенная ошибка измеряет разность между любой переменной процесса и командным сигналом в определенный момент времени.
Вторая ошибка сопровождения может рассматриваться как накопленная ошибка. Накопленная ошибка является суммой каждой мгновенной ошибки для каждого материала, рассматриваемого в течение определенного периода времени, и измеряется в объеме. Период рассматриваемого времени будет зависеть от длительности переходного процесса.
На фиг.3 и 4 показанная ошибка сопровождения является разностью между командным сигналом и обратной связью переменной процесса. На фиг.3 частная обратная связь переменной процесса является фактической скоростью потока, измеренной расходомером для целей эталонного тестирования. Однако согласно настоящему изобретению расходомер не является необходимым для получения комбинаций, совокупностей или смесей материалов.
Фиг.3 в частности показывает быстродействие одной системы согласно предшествующему уровню техники. Эта система имела трубу с номинальным диаметром 5,1 см. Поток управлялся шаровым клапаном управления потоком, доступным от Fisher Controls, отделения Emerson, Сент-Луис, Миссури. Клапан управлялся контроллером Allen-Bradley ControLogix 1756-5550. Этот контроллер передавал сигналы к управляющему клапану на основе измеряемой скорости потока. Скорость потока измерялась массовым расходомером Micro Motion CMF100 ELITE с передатчиком RFT 9739, также доступным от Emerson. Система использовала воду при давлении приблизительно 10 бар в ответ на ступенчатый входной сигнал. Рассмотрение фиг.3 показывает, что системе требовалось приблизительно 40 секунд, чтобы достигнуть условий установившегося состояния.
-t/τ
Фиг.4 показывает идеальный теоретический отклик на ступенчатый входной сигнал при использовании управляющего клапана. Командный сигнал показывает ступенчатый входной сигнал. Отклик рассчитывается согласно формуле: g(t)=1-е, используя односекундную постоянную времени (τ). Даже в таких благоприятных теоретических условиях фиг.4 показывает, что может потребоваться приблизительно четыре постоянных времени и, следовательно, четыре секунды в этом примере, чтобы достигнуть условий установившегося состояния.
Фиг.4 также показывает, что для ступенчатого входного сигнала условия установившегося состояния согласно настоящему изобретению могут быть достигнуты меньше чем за 0,1 секунды. Система согласно настоящему изобретению на фиг.4 использовала командный сигнал от процессора Allen Bradley ControlLogix 1756-L61, поддерживающего связь через карту связи Sercos 1756-М16SE с приводом системы от Allen Bradley Kinetix 6000 для неосновного материала. Неосновной материал, раствор красителя, подавался насосом Zenith C-9000, доступным от Colfax Pump Group из Монроу, Северная Каролина, и приводимым в движение серводвигателем Allen Bradley MPF-B330P. Серводвигатель имел выделенный привод Sercos Rack K6000. Серводвигатель и насос 20 были соединены через привод Alpha Gear SP+, доступный от Alpha Gear of Alpha Gear Drives, Inc. Из Элк Грув Вилидж, Иллинойс.
Как показано на фиг.3-4, в предшествующем уровне техники низкую ошибку сопровождения и относительно постоянные пропорции материалов было трудно достигать при скачкообразном изменении или с резким линейным изменением. Причина в том, что не все клапаны, исполнительные механизмы и т.п. могут реагировать одновременно, с синхронизацией по времени и в той же самой пропорции во время этих быстрых изменениях условий. Однако в настоящем изобретении и в отсутствие клапанов, особенно клапанов управления потоком, динамических резервуаров соединения, соответствующего гистерезиса и т.д. может быть достигнута большая точность отклика на командный сигнал.
Один переходный процесс, который может быть рассмотрен, идет от начала потока или начала изменения в команде скорости потока до точки, при которой достигается установившийся режим работы. Такой переходный процесс показан на фиг.5 и 6, которые были выданы системой согласно настоящему изобретению. Эта система имела горизонтально расположенную область 12 слияния диаметром 5,1 см с постоянным поперечным сечением. Область 12 слияния имела восемь впускных отверстий 14I, каждое с внутренним диаметром 3 мм, расположенных на диаметре 1,5 см, как показано на фиг.1-2, хотя в этом примере использовались только два входных отверстия 14I.
Основной материал содержал композицию жидкого мыла. Первый и второй неосновные материалы содержали два различных раствора красителя. Основной материал, первый неосновной материал и второй неосновной материал были установлены в желательных пропорциях 98,75, 0,75 и 0,5% соответственно. Реальный командный сигнал, выданный для управления серводвигателем, может регулироваться в соответствии с известным алгоритмом корректировки насоса 20, с учетом неэффективности и несовершенства общего насоса 20.
Основной материал подавался насосом Waukesha UII-060, доступным от SPX Corp.из Делавана, Висконсин, и приводимым в действие с помощью серводвигателя Allen Bradley MPF-B540K. Каждый неосновной материал подавался насосом Zenith С-9000, доступным от Colfax Pump Group из Монроу, Северная Каролина, и приводимым в действие с помощью серводвигателя Allen Bradley MPF-B330P. Каждый серводвигатель имел выделенный привод Sercos Rack K6000 и был соединен с приводом Alpha Gear SP+, доступным от Alpha Gear of Alpha Gear Drives, Inc. из Элк Грув Вилидж, Иллинойс. Система управлялась процессором Allen Bradley ControlLogix 1756-L61, поддерживающим связь через карту связи Sercos 1756-M16SE с приводом системы Allen Bradley Ultra 3000 или Allen Bradley Kinetix 6000 для основных и неосновных материалов соответственно.
Статический смеситель SMX на четырнадцать элементов, доступный от Sulzer, был расположен приблизительно в одном мм от начала области 12 слияния. Статический смеситель SMX на двенадцать элементов был расположен приблизительно в 46 см ниже по потоку от первого статического смесителя. Материалы считались в достаточной мере смешанными после второго статического смесителя.
Как показано на фиг.5-6, настоящее изобретение может использоваться с переходными процессами, имеющими различные увеличивающиеся скорости потока, различные уменьшающиеся скорости потока или с установившимся режимом работы при различных постоянных скоростях. Кривая, иллюстрируемая на фиг.5, может быть разделена на три в общем различных сегмента. Первый сегмент этой кривой является линейно нарастающим, где скорости потока каждого из материалов увеличиваются от нуля до заранее заданного значения для каждого материала. Вторая часть этой кривой является установившимся режимом потока, при котором скорости потока сохраняются относительно постоянными и могут быть применимы для объемов производства. Третья часть кривой показывает линейное уменьшение от скорости потока установившегося режима до меньшей скорости потока. Меньшая скорость потока может быть в простейшем случае нулевой или это может быть скорость потока, которая просто меньше чем показанная на других частях кривой. Во всех трех частях этих кривых пропорция каждого материала к общему количеству смеси всех материалов в подаче сохраняется практически постоянной.
В одном варианте осуществления изобретения командный сигнал для переходного процесса может идти от отсутствия потока или нулевого сигнала потока до сигнала в 100% от полномасштабного потока в отдельном переходном процессе, хотя могут использоваться и скорости потока установившегося режима работы меньше, чем 100%. Переходной процесс может управляться так, чтобы происходить не более чем за 2 секунды, не более чем за одну секунду, не более чем за половину секунды или меньше. В течение такого переходного процесса согласно настоящему изобретению каждый основной или неосновной материал, то есть первый, второй, третий,…, N-й материал может оставаться в пределах ±10%, 5%, 3% или 1% от измеряемого полномасштабного потока на всем протяжении переходного процесса. Процентное содержание может быть основано на мгновенной ошибке, описанной ниже.
Разумеется, специалист понимает, что изобретение не ограничивается переходными процессами только с тремя различными скоростями потока. Переход из первого установившегося режима потока может быть к большей или меньшей скорости потока установившегося режима. Многократные переходы либо нарастающие, либо уменьшающиеся в любой комбинации, структуре, с равными или неравными интервалами времени, линейно изменяющиеся и т.д., могут быть использованы при желании.
Согласно настоящему изобретению по меньшей мере один первый материал и по меньшей мере один второй материал участвуют в общем в постоянной пропорции, т.е. относительно постоянный поток устанавливается в области 12 слияния на всем протяжении установившегося состояния рабочего периода. Аналогично, практически постоянная пропорция также сохраняется на всем протяжении переходных периодов скорости потока. Практически постоянная пропорция сохраняется, и когда скорости потока увеличиваются, и когда уменьшаются, до тех пор, пока скорость потока больше чем вблизи нулевого, нетривиального значения.
Хотя на фиг.5 и 6 иллюстрируется линейная, первого порядка скорость изменения на всем протяжении переходных областей, изобретение не ограничено этим. Скорость изменения второго порядка, третьего порядка и т.д. также может использоваться, пока сохраняется практически постоянная пропорция. Необходимо только, чтобы насосы 20 или другие движущие силы управлялись таким способом, чтобы сохранялась в общем постоянная пропорциональность. Хотя постоянная пропорция может легче предусматриваться и проще выполняться и программироваться с использованием линейной скорости изменения, специалист поймет, что доступны и другие варианты, чтобы поддерживать постоянную пропорцию на всем протяжении переходных процессов.
Возвращаясь к системам на фиг.3-4 и как показано в Таблице 1, которая представляет данные, иллюстрируемые на фиг.4, мгновенная ошибка согласно предшествующему уровню техники уменьшается на всем протяжении периода переходного процесса. Однако эта ошибка никогда не достигает относительно низкого значения в настоящем изобретении в пределах 5-секундного интервала времени, иллюстрируемого в Таблице 1. Таблица 1 также иллюстрирует накопленную ошибку как для предшествующего уровня техники, так и систем по настоящему изобретению.
Таблица 1
Ошибка сопровождения
Время, в с от начала ступенчатого командн. сигнала. Командный сигнал выдавался при Т=1 с
Мгновенная ошибка (об./с.)
0,1 с
0,25 с
0,50 с
1 с
5 с
Предшествующий уровень техники
0,905
0,779
0,607
0,369
0,009
Настоящее изобретение
0,002
0,002
0,002
0,002
0,002
Накопленная ошибка (объем)
0,1 с
0,25 с
0,50 с
1 с
5 с
Предшествующий уровень техники
0,089
0,215
0,386
0,624
0,990
Настоящее изобретение
0,006
0,006
0,006
0,007
0,015
Фиг.7 иллюстрирует, что мгновенная ошибка может быть аппроксимирована экспоненциальным уравнением первого порядка:
IE=A·M·exp(-t/τ),
где IE является мгновенной ошибкой в объеме за единицу времени, и
А является величиной изменения уставки, нормированной к единице для настоящего изобретения,
М является коэффициентом амплитуды, который приводит значение амплитуды от нормированной единичной величины уставки к любому значению от 0 до 1, или от 0,1 до 1, или от 0,2 до 1, или от 0,3 до 1, или от 0,4 до 1 или от 0,5 до 1, как требуется,
t является мгновенным временем, в с,
τ является постоянной времени, в с.
Эта аппроксимация является особенно подходящей для переходных процессов предшествующего уровня техники, продолжающихся до 1 с, до 2 с, до 3 с, до 4 с и даже до 5 с. Рассматриваемые иллюстративные, неограничивающие комбинации коэффициента, постоянной времени и интервала времени представлены в таблице 2.
ТАБЛИЦА 2
М
τ
t (c)
0,5
1,0
0-0,5·τ
0,5
0,75
0-1,33·τ
0-1·τ
0-0,5·τ
0,5
0,5
0-3·τ
0-2·τ
0-1·τ
0,5
0,25
0-8·τ
0-4·τ
0-2·τ
0,25
1,0
0-1,5·τ
0-1·τ
0,25
0,75
0-2·τ
0-1·τ
0,25
0,5
0-3·τ
0-1,5·τ
0,25
0,25
0-4·τ
0-2·τ
Фиг.7 далее показывает, что настоящее изобретение может достигать мгновенной ошибки, заданной следующими примерными неравенствами, хотя может использоваться любая из комбинаций, представленных в таблице 2, или иная.
IE<А·М·ехр(-t/τ) для значений М=0,5, τ=1, определенная за время от t=0 до 0,5·τ или конкретнее;
IE<А·М·ехр(-t/τ) для значений М=0,5, τ=0,5, определенная за время t от 0 до 3,0·τ или конкретнее;
IE<А·М·ехр (-t/τ) для значений М=0,25, τ=1,0, определенная для t от 0 до 1,5·τ.
Мгновенная ошибка может быть проинтегрирована по желательному интервалу времени, чтобы получить накопленную ошибку в течение этого периода согласно формуле
где СЕ - накопленная ошибка,
1
t является начальным временем и устанавливается равным 0 для вырожденного случая, и
2
t является окончанием рассматриваемого интервала времени.
Фиг.8 иллюстрирует, что накопленная ошибка согласно предшествующему уровню техники может быть аппроксимирована уравнением
K
k-1
k
k-1
СЕ=0.5·(IE+IE)·ΔТ)+CE,
где СЕ является накопленной ошибкой в объеме,
k является индексом для определенного дискретного интервала времени,
ΔТ является дискретным временем дискретизации и периодом в секундах, и
IE остается, как определено ранее.
Однако специалист поймет, что мгновенная ошибка приближается к нулю по мере того, как время подходит к установившемуся состоянию потока. Так как накопленная ошибка зависит от мгновенной ошибки, то накопленная ошибка не будет значительно увеличиваться по мере того, как мгновенная ошибка приближается к нулю. Специалист поймет, что любая комбинация значений, представленных в Таблице 2, может использоваться с настоящим изобретением, так что изобретение не ограничено вышеупомянутыми неравенствами для мгновенной ошибки или связанной накопленной ошибки.
Если желательно, с настоящим изобретением можно использовать плунжерный насос. Плунжерный насос может обеспечивать большую универсальность с некоторыми жидкостями, которые могут использоваться совместно с настоящим изобретением, и, кроме того, имеет пульсирующий выход продукции, который обеспечивает повторяющиеся флуктуации в скорости потока. Если желательно, можно запрограммировать серводвигатель, чтобы он имел отрицательное наложение с реальным выходом насоса, так что флуктуации ослабляются за счет использования системы кулачков для двигателя, как известно в технике. Это обеспечивает преимущество в том, что в системе ниже плунжерного насоса не нужен никакой глушитель. Глушитель может добавлять гистерезис или другие нежелательные эффекты, которых предотвращаются согласно настоящему изобретению.
Представлен и альтернативный вариант осуществления изобретения. В этом варианте осуществления изобретения небольшая часть, которая может быть неосновной частью, производственного потока продукции, отводится в сторону. Отведенная часть продукта может иметь все материалы конечного продукта, если желательно. Альтернативно, отведенная неосновная часть может быть пропуском одного или нескольких материалов.
Отведенная неосновная часть производственного потока продукции может иметь по меньшей мере один добавленный материал за счет использования устройства 10 и способа, раскрытых здесь. Неосновной материал может быть добавлен к отведенному потоку сразу же выше по течению ультразвуковым рупором, статическим смесителем и т.д. Эта часть потока затем пригодна для использования как промежуточный или конечный продукт. Эта неосновная часть, таким образом, становится завершенной, затем выгружается в контейнер для окончательного использования.
Большая часть потока продукции может продолжаться на всем протяжении процесса без дальнейшего добавления неосновного материала и без отвода. Альтернативно, добавочные неосновные материалы могут быть добавлены к основной части производственного потока. Основная часть производственного потока затем отсылается к контейнеру для окончательного использования, как раскрыто выше.
Данная компоновка обеспечивает преимущество в том, что может быть одновременно выполнено параллельное производство основного продукта и неосновного продукта. Например, основная часть продукта может содержать первый краситель, ароматизирующее вещество, присадку и т.д. Менее доступная или редко используемая неосновная часть производственного потока может отводиться и иметь второй краситель, ароматизирующее вещество или другую присадку, включаемые в конечный продукт. Альтернативно, эта компоновка обеспечивает преимущество в том, что основная часть продукта может быть произведена без конкретного красителя, ароматизирующего вещества, присадки и т.п., в то время как желательный краситель, ароматизирующее вещество или другая присадка включаются в отведенный поток неосновного продукта, или наоборот. Эта компоновка обеспечивает преимущество в том, что оба продукта могут быть произведены в любой желательной пропорции без дорогостоящего отключения, чистки и т.п.
Разумеется, специалист поймет, что может быть отведено больше чем один неосновной производственный поток. Могут быть отведены множество неосновных потоков, причем каждый производит относительно небольшое количество конечного продукта с определенными и другими добавками или без них. Эта компоновка обеспечивает гибкость в производственном процессе для создания большого или основного первого количества смеси материалов и одного или нескольких относительно небольших, даже очень маленьких, неосновных количеств материалов, все без отключения и повторного очищения устройства 10 и связанных с нею систем.
Все документы, цитируемые в подробном описании изобретения, в релевантной части, включаются сюда посредством ссылки; цитирование любого документа не должно быть истолковано как признание того, что он является предшествующим уровнем техники в отношении настоящего изобретения. В том случае, когда любое значение или определение термина в данном письменном документе конфликтует с каким-либо значением или определением термина в документе, включенном посредством ссылки, определяющим должно быть значение или определение, отнесенное к термину в данном письменном документе.
Хотя проиллюстрированы и описаны частные варианты осуществления настоящего изобретения, для специалистов будет очевидно, что различные другие изменения и модификации могут быть сделаны без отхода от сущности и объема изобретения. Поэтому оно предназначено для охвата в прилагаемой формуле изобретения всех таких изменений и модификаций, которые находятся в объеме данного изобретения.