Автоматизация процесса производства мороженого

Введение

Цель данного курсового проекта заключается в приобретении практических навыков в разработке систем автоматизации на базе современных технологических средств контроля и управления, а также курсовой проект предполагает углубленное изучение выбранного микропроцессорного контроллера с дальнейшим использованием полученных знаний и навыков при выполнении дипломного проекта.

В данном курсовом проекте разрабатывается система автоматизации и управления производства мороженого. Система автоматизации и управления производит сбор и обработку информации с технологического оборудования и выработку управляющих воздействий с целью оптимизации процесса.

Проектирование производится на основании задания на курсовой проект, описания технологического процесса, регламента, основных технических решений по автоматизации процесса на настоящее время.

1. Краткая характеристика технологического объекта управления

Мороженое - взбитый сладкий пищевой продукт, изготавливаемый и молока, молочных и сливочных продуктов, сливочного масла, сыворотки, пахты, продуктов со сложным сырьевым составом, масел, жиров и белков немолочного происхождения с добавлением других ингредиентов и веществ или из воды, cахаров и/или их заменителей с добавлением других ингредиентов и веществ путем замораживания.

В производственных условиях изготавливают закаленное мороженое, которое по консистенции напоминает крем.

Приготовление смеси мороженого производится на технологической линии, состоящей из емкости для приготовления смеси Е1, гомогенизатора Г1, пластинчатого теплообменника Т1 и емкости для созревания и хранения смеси Е2.

Ингредиенты (сахарный песок, сухое молоко, молоко из емкости для хранения) заливаются в емкость Е1, где смешиваются и нагреваются до температуры 75ºС. Нагревание осуществляется путем подачи в рубашку емкости Е1 горячей воды. При завершения процесса пастеризации 75ºС смесь центробежным насосом подается в гомогенизатор Г1. При производстве мороженого применяют давление гомогенизации равное 8,5 МПа. Смеси гомогенизируют при температуре, близкой к температуре пастеризации.

Из гомогенизатора смесь поступает в пластинчатый теплообменник Т1, где охлаждается ледяной водой до температуры 4ºС с целью создания неблагоприятных условий для жизнедеятельности и развития микроорганизмов, которые могут попасть с смесь после пастеризации.

После охлаждения смесь поступает в емкость для низкотемпературной обработки (емкость для созревания смеси Е2). Созревание происходит при температуре 2ºС не более 48 часов в зависимости от сорта мороженого при непрерывном перемешивании.

Следует так же отметить, что рассматриваемый процесс производства мороженого не пожароопасен и не распределенный.

Таблица 1 Информационная нагрузка на систему управления:

2. Общие сведения об АСУТП

АСУТП предназначена для выполнения комплекса информационных и управляющих функций, обеспечивающих поддержание заданного технологическим регламентом режима работы, выполнения плановых заданий по выпуску продукции и позволяющих стабилизировать расходные нормы пор сырью и энергетике. Целью создания АСУТП является повышение оперативности контроля и качества управления технологическим процессом за счет организации рациональных режимов работы отдельных технологических стадий и оперативной координации их нагрузок.

Проектируемая АСУТП состоит из следующих подсистем:

автоматизированной системы контроля и управления технологическим процессом (АСКУ);

подсистемы технологических блокировок (ПТБ);

АСКУ предназначается для выполнения информационных и управляющих функций, позволяющих стабилизировать режим работы аппаратов в соответствии с нормами технологического регламента и направленных на выполнение плановых заданий по выработке продукции.

Подсистема контроля и управления должна обеспечивать реализацию следующих функций:

-       постоянный контроль технологических параметров в аналоговой и цифровой форме; представление данных на станцию оператора

-       представление данных аналитического контроля;

-       сбор и накопление информации о ходе процесса и состоянии оборудования;

-       учет нарушений границ технологическими параметрами;

-       протоколирование хода технологического процесса, формирование печатных документов (режимные листы, операционные листы, бланки нарушений);

-       учет факта и времени срабатывания ПАЗ, контроль состояния деблокировочных ключей, формирование информационного бланка;

-       цифровое регулирование технологических параметров с возможностью ручного дистанционного управления исполнительными механизмами контуров;

-       передача управляющих сигналов на исполнительные механизмы;

-       программно-логическое управление технологическими операциями с оперативным контролем их выполнения;

-       ручное дистанционное управление двухпозиционными механизмами (клапаны, задвижки);

-       индикация состояния электрооборудования и дискретных исполнительных механизмов.

Подсистема технологических блокировок предназначается для отключения электроприводов насосов, мешалок и т.д. в случае нарушения норм эксплуатации.

На основании требуемых функций управления, описанных выше, с учетом расположения установки выбираем централизованную систему управления.

3. Обеспечение АСУТП

Контроллеры фирмы Siemens являются сегодня наиболее оптимальным решением задачи выбора контроллера с точки зрения “ цена/ качество”. Для Обработки заданной информационной нагрузки целесообразно использовать контроллер семейства SIMATIC S7-300.

.1 Техническое обеспечение

.1.1 Описание структуры комплекса технических средств

Комплекс технических средств включает в себя:

–       контрольно-измерительные приборы, измеряющие и регистрирующие технологические параметры процесса;

–       средства сигнализации, оповещающие персонал об отклонении параметров за допустимые пределы;

–       средства регулирования, поддерживающие текущие значения параметров на заданном уровне;

–       контроллер;

–       станцию оператора, находящуюся в отдельном помещении.

.1.2 Описание используемой низовой автоматики

Так как рассматриваемый процесс является пищевым производством, то при выборе низовой автоматики учитываем возможность ее применения в пищевых производствах.

Для реализации системы осуществляем выбор датчиков концерна “Метран” г.Челябинск, для сигнализации уровня выбираем сигнализатор уровня РОС 102 “Теплоконтроль” г.Казань. Так же осуществляем выбор регулирующих и отсечных клапанов производства ЗАО “”ЗМС” Все вещества, используемые в данном производстве являются пожаровзрывобезопасными, поэтому все датчики выбираем в обычном исполнении.

Для удобства подключения датчиков к контроллеру и снижения затрат на приобретение преобразователей все аналоговые датчики взяты с унифицированным выходным сигналом 4…20 mА.

Более подробная информация о средствах автоматизации изложена в приложении А.

.1.3 Технологическая станция

Функциями контролера являются управление и контроль обмена данными между подсистемой ввода/вывода и сетью управления. Контроллер можно сконфигурировать для выполнения следующих функций: сбор данных, вычисления, (последовательное) дискретное управление, непрерывное управление (регулирование).

Информационная нагрузка на систему управления составляет 32 каналов ввода/вывода. Для решения данной задачи выбираем контроллер фирмы SIEMENS SIMATIC S7-300.

Данный контроллер позволяет решать широкий спектр задач управления и находит применение там, где одним из основных требованием является низкая стоимость системы, а так же он обеспечивает возможность получения рентабельных решений для производства систем автоматического управления в различных областях промышленного производства.

Этот контроллер предназначен для построения систем автоматизации низкой и средней степени сложности.

Модульная конструкция, работа с естественным охлаждением, возможность применения структур локального и распределенного ввода-вывода, широкие коммуникативные возможности, множество функций, поддерживаемых на уровне операционной системы, удобство эксплуатации и обслуживания обеспечивают возможность получения рентабельных решений для построения систем автоматического управления в различных областях промышленного производства.

Эффективному применению контроллеров способствует возможность использования нескольких типов центральных процессоров различной производительности, наличие широкой гаммы модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, функциональных модулей и коммуникационных процессоров.

Таблица 2. Спецификация заказа на контроллер SIMATIC S7-300

Основные технические характеристики CPU - 312:

·        Микропроцессор: 200нс на выполнение логической операции с битами.

·        Рабочая память: RAM емкостью 16Кбайт (приблизительно 5К инструкций) для выполнения программы.

·        Гибкое расширение: система локального ввода-вывода, обслуживающая до 8 сигнальных, функциональных и коммуникационных модулей S7-300 (однорядная конфигурация).

·        MPI интерфейс: до 6 логических соединений с программируемыми контроллерами S7-300/ S7-400/C7/ программаторами/ компьютерами/ панелями оператора. Одно статическое соединение зарезервировано для связи с программатором и панелью оператора.

Модули ввода аналоговых сигналов предназначены для аналого-цифрового преобразования входных аналоговых сигналов контроллера и формирования цифровых величин, используемых центральным процессором в процессе выполнения программы. К входам модулей могут подключаться датчики с унифицированными выходными электрическими сигналами напряжения или силы тока, термопары, термометры сопротивления.

Характеристики модуля SM 331:

–       8 входов;

–       напряжение питания =24 В;

–       габариты: 40´125´117 мм;

–       вес: 0,23 кг.

Модули вывода аналоговых сигналов предназначены для цифро-аналогового преобразования внутренних цифровых величин контроллера и формирования его выходных аналоговых сигналов. К выходам модулей могут подключаться исполнительные устройства, управляемые унифицированными сигналами силы тока или напряжения.

Модули выпускаются в пластиковых корпусах. На их лицевых панелях расположены:

• красные светодиоды индикации отказов и ошибок;

• разъем для установки фронтального соединителя, закрытый защитной крышкой;

• паз на защитной крышке для установки этикетки с маркировкой внешних цепей.

Модули способны формировать запросы на прерывание для передачи диагностических сообщений. При необходимости от модуля может быть получена расширенная диагностическая информация.

Характеристики модуля SM 332:

–       4 выхода;

–       напряжение питания нагрузки =24В;

–       время преобразования на канал не более 0,8мс;

–       габариты: 40´125´177 мм;

–       вес: 0,22 кг.

Для питания контроллера используется блок питания PS-307,

U_вых = 24В, I_вых = 10A.

Модули ввода дискретных сигналов предназначены для преобразования входных дискретных сигналов контроллера в его внутренние логические сигналы

Модули выпускаются в пластиковых корпусах. На их лицевых панелях расположены:

ü зеленые светодиоды, индицирующие состояние входных цепей;

ü  красный светодиод индикации отказов и ошибок;

ü  разъем для установки фронтального соединителя, закрытый защитной крышкой;

ü  паз на защитной крышке для установки этикетки с маркировкой внешних цепей.

Основные технические характеристики:

ü Количество входов/выходов: 16

ü  Фронтальный соединитель 20-полюсный

ü  Габариты 40х125х117 мм

ü  Масса 0.2 кг

Модули вывода дискретных сигналов предназначены для преобразования внутренних логических сигналов контроллера в его выходные дискретные сигналы. К выходам модулей могут подключаться исполнительные устройства или их коммутационные аппараты.

Модули так же выпускаются в пластиковых корпусах. На их лицевых панелях расположены аналогичные элементы. Основные технические характеристики такие же, как и у модулей ввода дискретных сигналов.

.1.4 Станция оператора

В проектируемой АСУТП станция оператора должна выполнять следующие функции:

предоставление оператору информации о текущей стадии процесса и о текущих значениях технологических параметров;

регистрация хода технологического процесса в форме периодически выдаваемых операционных листов;

архивирование технологической информации;

сообщение об аварийных и предаварийных ситуациях;

регистрация действий обслуживающего персонала.

Выбор станции оператора осуществляем в соответствии с аппаратными требованиями. Необходимо учесть, что станция оператора будет так же являться программатором контроллера.

Конфигурация станции оператора:

1.       Процессор Intel Socket 775 Core 2 Duo E4500 2.2Ghz/800 2Mb oem;

2.       Материнская плата Asus Socket 775 P5B-VM SE, Intel G965, 4DDR2 800 Dual, PCI-Ex16, Video, GLAN, Audio, 4SATA2, mATX, RTL;

4.       Жесткий диск Seagate 250Gb 7200rpm Serial ATAII-300 ST3250410AS 16Mb (Barracuda 7200.10);

.        DVDRW-привод Asus DRW-2014L1 DVD RAM:14х, DVD±R:20x, DVD+R(DL):8х, DVD±RW:8x, CD-RW:32x, OEM+NERO;

6.       Корпус Inwin C588T ATX 450Вт AirDuct USB + Audio;

7.       Мышь Logitech M-SBF90 Optical Mouse, PS/2;

8.       Клавиатура Logitech Classic Keyboard 200 USB Retail (968019)

9.       Монитор Benq TFT 19'' G900 1280x1024@75Гц 800:1 300cd/m2 5ms 160/160 D-sub/DVI TCO'03;

10.     Колонки Microlab B-18 2.0 1.5Вт;

.        Флоппи дисковод NEC 3,5" 1,44Mb;

3.1.5 Сеть управления

Коммуникационный процессор CP 5611 способен работать под управлением различных пакетов программ и обеспечивает поддержку функций программирования и коммуникационного обмена данными через интерфейсы PROFIBUS или MPI.

Коммуникационный процессор может использоваться в программаторах и компьютерах. Во время работы он способен поддерживать только один коммуникационный протокол: PROFIBUS DP, S7-функции связи или FDL.

Работу с коммуникационными процессорами CP 5611 поддерживают следующие программные пакеты:

·        SOFTNET-DP - для функций DP-Master и S5-совместимых коммуникаций (SEND/RECEIVE на базе FDL-интерфейса)

·        SOFTNET-DP Slave для функций DP-Slave

·        SOFTNET-S7 - для S7-функций и S5-совместимых коммуникаций (SEND/RECEIVE на базе FDL-интерфейса)

А также стандартные пакеты:

·        STEP 7, STEP 7-Micro/Win - функции программирования

·        WinCC - S7-функции

·        COM PROFIBUS - функции диагностики и запуска

Основные технические характеристики:

- Скорость передачи 9.6 - 12 Мбит/с;

-        Интерфейс для подключения к PROFIBUS: 9-полюсное гнездо соединителя D-типа;

         Напряжение питания 5В ± 5%;

         Потребляемый ток 0.5 А;

         Формат: Короткая PCI-карта (102х130 мм);

         Масса 100 г;

3.2 Информационное обеспечение

.2.1 Описание системы классификации и кодирования информации

Система классификации основывается на правилах описания информационных каналов для конкретных технических средств.

.2.2 Перечень и характеристики сигналов с ТОУ

Таблица 3 Функции информационной подсистемы АСУТП

Таблица 4 Функции управляющей подсистемы АСУТП

3.2.3 Структура видеокадров

Видеокадр представляет собой отображение на экране дисплея информации о работе технологического объекта управления, состоящее из:

§ статических мнемосхем процесса;

§  связываемых с ней динамических элементов (переменных значений параметров).

Весь процесс разбивается на несколько кадров.

В каждый конкретный момент времени на экране отображается только один видеокадр. Предусмотрена система мер, позволяющая оперативно перемещаться из одного видеокадра в другой.

Основным видеокадром данного процесса является функциональная схема автоматизации с показаниями текущих значений измеряемых параметров непосредственно у мест расположения чувствительных элементов в виде цифровых табло с размерностями. Независимо от текущего видеокадра, сообщения о различных событиях в системе должны выдаваться оператору незамедлительно.

Рисунок 1 Структура видеокадров

В качестве примера более подробно рассмотрим видеокадр Емкости Е1.

Видеокадр емкости Е1: Видеокадр контроля параметров процесса, протекающего в емкости Е1.

Включает в себя:

наименование текущего процесса;

изображение емкости и прилегающих трубопроводов;

отображение степени открытия регулирующих клапанов;

показания датчика температуры.

В целом для каждого кадра отдельно предусмотрены видеокадры

настройки регуляторов, видеокадры сообщений в виде бланков и отчетов, сигнализации отклонения параметров, видеокадры трендов технологических параметров для детализированного просмотра в определенном временном интервале.

.3 Метрологическое обеспечение

Все используемые датчики имеют унифицированный выходной сигнал 4-20 мА, они подключаются к модулям традиционного ввода, в состав которых входят АЦП, далее сигнал поступает в контроллер, который выдает полученную информацию на станцию оператора, где она сохраняется на жесткий диск, выводится на принтер и отображается на мониторе.

Структурная схема типового измерительного канала показана на рисунке 2

Рисунок 2 Структурная схема измерительного канала

Погрешность информационного канала складывается из погрешности датчика и линии связи, погрешности преобразования сигнала в АЦП и погрешности самого контроллера.

Тогда среднеквадратическое отклонение по каналу:

Таблица 5 Погрешности элементов информационного канала

Таким образом, погрешность измерительного канала равна:

.4 Математическое обеспечение

Математическое обеспечение представляет собой комплекс математических методов, моделей и алгоритмов, на основании которых разрабатывается программное обеспечение.

Сигнализация отклонений (на примере давления в гомогенизаторе Г1). Принцип действия осуществляется следующим образом: в гомогенизатор поступает смесь, при превышении верхнего значения давления, равного 9 МПа, происходит сигнализация верхнего значения и отключение насоса Н1. При достижении нижнего значения давления, равного 8 МПа, происходит сигнализация нижнего значения давления.

Алгоритм рассмотренного контура представлен ниже.

Рисунок 3 Алгоритм сигнализация давления в гомогенизаторе Г1

Рассмотрим пример блокировки и сигнализации по верхнему и нижнему пределам (уровень смеси в емкости Е2).

Рисунок 4 Блокировка с сигнализация по уровню смеси в емкости Е2

Прочая сигнализация осуществляется аналогично.

Контуры регулирования не рассматриваются, т.к. в данном проекте используется стандартный ПИ-закон регулирования, включенный в программное обеспечение станции оператора.

.5 Программное обеспечение

.5.1 Программное обеспечение технологической станции

Для программирования выбираем язык функциональных блоков (LAD), являющийся частью программного обеспечения STEP 7.

Пример программы, реализующий рассмотренный выше алгоритм сигнализации давления по верхнему пределу:

Рассмотрим так же пример программы, реализующий рассмотренный выше алгоритм сигнализации давления по нижнему пределу:

Рисунок 5 Пример программы на языке LAD

.5.2 Программное обеспечение станции оператора

Для реализации технологического процесса используется SCADA -система SIMATIC WinCC ─ базирующаяся на PC SCADA-система под Microsoft Windows 2000/XP.

Основная конфигурация включает необходимые функции, такие как сигнализация событий, архивирование измеренных значений, регистрирование процесса и данных конфигурации и визуализация.

WinCC разработана для визуализации процесса и управления им на любом расстоянии с применением всех современных достижений в области компьютерных технологий и конфигураций.

Это единая система, подходящая для применения в любом технологическом процессе.

SIMATIC WinCC предлагает широкие возможности:

–       простая установка клиент-серверной структуры;

–       надежное управление процессом и дублирование управления;

–       быстрая и легкая конфигурация вместе с SIMATIC STEP-7;

–       быстрая диагностика по сети из WinCC Run Time STEP-7;

–       OPC поддерживает обмен данными между приложениями Windows.

Список литературы

автоматический управление мороженое

1.       Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине « Системы автоматизации и управления »/ ДПИ НГТУ, сост. В.П. Луконин, Дзержинск, 1998

2.       Оформление учебных проектов, работ и отчетов: Метод. указания для студентов спец. 21.03 / ДФ НГТУ; Сост. Е.В. Тараненко, С.В. Виноградов. Дзержинск, 1994г

.        Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие / Под ред. А.С. Клюева - М.: Энергоатомиздат, 1990.

.        Электронный каталог продукции концерна «Метран» г.Челябинск

.        Электронный каталог продукции фирмы SIEMENS «Комплексная автоматизация производства» Каталог ST 70 ● 2003

.        Каталог продукции АООТ «Автоматика» г.Воронеж