Разработка системы автоматизации и управления технологического процесса сушки молока

Разработка системы автоматизации и управления технологического процесса сушки молока

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО)

Институт холода и биотехнологий

Факультет пищевой инженерии и автоматизации

Кафедра автоматики и автоматизации производственных процессов

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

на тему:

«Разработка системы автоматизации и управления технологического процесса сушки молока»

по курсу «Автоматизация технологических процессов и производств»

Санкт-Петербург 2013

Содержание

Введение

. Анализ схем автоматизации технологического процесса сушки молока

.1 Выбор функциональной схемы и анализ существующих решений по автоматизации процесса сушки молока

.2 Анализ уровня автоматизации и выбранных технических средств для реализации данной системы. Предложения по модернизации системы автоматизации

. Разработка схемы автоматизации технологического процесса, реализующую предложения по пункту 1.2

.1 Разработка контура регулирования процесса сушки молока по каналу температуры в сушильной камере

Список используемой литературы

Введение

Молоко является полноценным и незаменимым продуктом питания человека, так как содержит все необходимые для его жизнедеятельности вещества и витамины.

Важным условием при производстве сухих молочных продуктов является качество сырья, соблюдение технологии их производства и условий хранения, использование надежной тары.

Консервирование сушкой широко применяют в молочной промышленности: сушат цельное и обезжиренное молоко, пахту, молочную сыворотку, смеси цельного молока с обезжиренным молоком, пахтой или сливками, без добавок или с добавками. Ассортимент сухих молочных продуктов довольно обширный: коровье цельное сухое молоко 20%-ной и 25%-ной жирности, сухое молоко «Домашнее», сухие сливки, сухие высокожирные сливки, сухие молочные продукты, сухие молочные продукты повышенной растворимости (сухое быстрорастворимое молоко), сухие многокомпонентные смеси (сухие смеси для мороженого, для пудинга). Эти продукты получают методом распылительной сушки.

Молоко сухое цельное - сухой молочный продукт с массовой долей жира не менее 20%; изготовляемый из цельного или нормализованною молока.

Молоко сухое обезжиренное - сухой молочный продукт с массовой долей жира не более 1,5 %, изготовляемый из обезжиренного молока.

При производстве всех видов сухих молочных продуктов удаление свободной воды осуществляется в две ступени - сгущением и сушкой предварительно сгущенного продукта. Сгущение выпариванием осуществляется до такой общей массовой доли сухих веществ, при которой массовая доля ККФК в воде не превышает 18…20% и продукт не утрачивает текучести (при температуре выпаривания).

Сгущенные смеси высушивают до конечной влажности, устанавливаемой в зависимости от формы связи воды с составными частями сухого вещества. Конечная влажность сухого молочного продукта, представляющая собой связанную воду, составляет не более 15% массовой доли белка в нем. На этом основано нормирование массовой доли влаги в сухих молочных продуктах, по достижении которой заканчивается процесс сушки. В конце сушки того или иного продукта должно быть обеспечено равновесие между величиной заданной массовой доли влаги в нем и относительной влажностью воздуха, окружающего его.

Для повышения технико-экономических показателей процесса, упрощения управления им, сокращения числа сотрудников и обслуживающего персонала, повышения качества выпускаемой продукции все чаще начинает использоваться автоматизация ТП. В современном мире автоматизация занимает основополагающие позиции и ее роль в технических процессах сложно переоценить. В данной работе разработана автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) производства сухого молока на участке сушки.

Без применения автоматизации технологических процессов, или по другому без внедрения системы АСУ ТП, не обходиться ни одна отрасль производства. Проектирование и разработка АСУ ТП ведется на ряду с внедрением SCADA систем в производство, что делает такую систему универсальной, нередко распределенной системой управления (РСУ).

Важным преимуществом АСУ ТП является уменьшение влияния человеческого фактора на управляемый процесс, сокращение численности штата работников, экономия расходных материалов и сырья, ну и конечно же самого главного в наше время параметра как качество производимого продукта, что в конечном итоге влияет на эффективность производства.

1. Анализ схем автоматизации технологического процесса сушки молока.

.1 Выбор функциональной схемы и анализ существующих решений по автоматизации процесса сушки молока

При автоматизации сушки молока в распылительных сушильных установках необходимо обеспечить заданные влажность продукта и производительность установки. Последняя обеспечивается регулированием температуры горячего воздуха, поступающего из калорифера. При автоматизации сушильной установки выделяют два основных регулирующих параметра: влажность готового продукта на выходе из сушильной башни и температуру горячего воздуха на выходе из калорифера.

Сушильная установка как объект регулирования имеет входные параметры - влажность сгущенного молока, температуру и влагосодержание. Изменение параметров теплоносителя - это возмущающее воздействие. Управляющие воздействия - расход сгущенного молока, теплоносителя и расход пара. Конструкция установки и опасность самовозгорания продукта ограничивают использование входных параметров - температуры воздуха и расхода пара (в качестве управляющих воздействий), несмотря на наибольшие коэффициенты передачи по этим каналам. Управляющим воздействием выбирают входной параметр - расход сгущенного молока.

Возможны две схемы автоматического управления процессом сушки в распылительных сушильных установках: по косвенному параметру - зависимости влажности готового продукта от температуры выходящего из башни сушильного агента (горячего воздуха) и по прямому параметру - влажности сухого продукта, выходящего из сушильной башни.

Надежных и точных средств экспресс-контроля влажности сухих сыпучих продуктов промышленность не выпускает, поэтому для управления процессом используют косвенный параметр - температуру выходящего воздуха. Влажность сухого молока и температура выходящего воздуха взаимосвязаны.

С достаточной точностью сушильные установки как объекты могут быть аппроксимированы звеном чистого запаздывания и апериодическим звеном первого порядка. Сушильные установки комплектуются приборами автоматического контроля и регулирования основных технологических параметров процесса. Приборы устанавливают на щитах управления, оснащенных мнемосхемами с сигнализацией операций процесса и пусковой аппаратурой. Схемы автоматизации распылительных сушильных установок для молочных продуктов, несмотря на конструктивные особенности, в качестве основного элемента управления содержат элементы автоматического контроля и регулирования температур входящего и выходящего воздуха. Температура выходящего воздуха в большинстве случаев регулируется изменением подачи сгущенного молока.

Схема автоматизации процесса сушки молока.

Подсгущенное молоко подается в приемный бак, в котором верхний и нижний уровни контролируются комплектом приборов 1-1, 1-2, НL1, 2-1, 2-2, НL2. Насос подает молоко на диск распылительного паротурбинного привода распылительной сушилки, а количество подаваемого продукта регулируется в зависимости от температуры выходящего из башни горячего воздуха комплектом приборов, в состав которого входят двойной термометр сопротивления 3-1, регулирующее устройство 3-2, электродвигательный исполнительный механизм 3-3 и два ключа: выбора режима управления SА4 и управления в операторном режиме SАЗ.

Стабилизация температуры сушильного агента - горячего воздуха, поступающего в сушильную башню и нагреваемого в паровых калориферах, осуществляется регулированием подачи греющего пара (при постоянном количестве подаваемого воздуха), выполняемым двумя комплектами приборов: 4-1, 4-2, 4-3 и 5-1, 5-2, 5-3. Температура в различных точках установки контролируется термометрами сопротивления 3-1, 4-1, 5-1, 6-1 в комплекте с автоматическим мостом 6-2. Для контроля максимально допустимого значения температуры установлен манометрический термометр 7-1 со световой НL3 и звуковой НА1 сигнализацией. Звуковой сигнал снимают кнопкой SВ1. Давление пара в паровой магистрали паротурбинного привода контролируется манометром 8-1 с сигнализацией минимального значения давления лампой НL4. Число оборотов паротурбинного привода регулируется входящим в комплект сушильной установки регулятором 9-1. При повышении предельно допустимой температуры сушильного агента 7-1, 7-2 предусмотрена автоматическая блокировка подачи пара в калорифер, подачи продукта в сушильную башню и подачи горячего воздуха.

1.2 Анализ уровня автоматизации и выбранных технических средств для реализации данной системы. Предложения по модернизации системы автоматизации

Приведенная выше схема отвечает всем требованиям для производства качественного продукта, но по уровню автоматизации её смело можно назвать устаревшей. Система автоматического управления процессом в данном случае выполнена на элементах релейной автоматики. На современном этапе развития автоматики в большинстве случаев применяется микропроцессорная техника и это легко объясняется рядом её преимуществ: уменьшение влияния человеческого фактора на управляемый процесс, сокращение численности штата работников, экономия расходных материалов и сырья, ну и конечно же самого главного в наше время параметра как качество производимого продукта, что в конечном итоге влияет на эффективность производства.

Решение задач автоматизации технологического процесса осуществляется при помощи внедрения современных методов и средств автоматизации.

В данной работе наиболее оптимальным решением по модернизации системы я нахожу переход от релейной автоматики к управлению процессом при помощи контроллера. Благодаря этому мы можем повысить уровень автоматизации процесса, технико-экономические показатели производства, а так же уменьшить затраты на осушение воздуха (в данном конкретном случае) и упростить процесс управления системой.

Также нововведением является то, что отслеживание и контроль за процессом может производить один человек. Это стало возможным благодаря тому, что управление системой производится через контроллер и панель оператора, расположенную на щите.

2. Разработка схемы автоматизации технологического процесса, реализующую предложения по пункту 1.2

Схема автоматизации сушилки предусматривает контроль температуры в камере, контроль и регулирование давления пара в трубопроводах, наличие продукта подаваемого в сушильную камеру, программное управление циклом сушки, местное и дистанционное управление электродвигателями.

Сушильная башня в верхней части имеет цилиндрическую форму, а нижняя часть - форму конуса. Устройство для распыления 3 установлено вверху камеры. Распыливающий диск приводится в движение от электродвигателя М1 через повышающий редуктор специальной конструкции.

Сушилка работает следующим образом. Сгущенное молоко из бака насосом М2 подается на диск для распыления. Вентилятор М3 нагнетает воздух в осушитель и калорифер и далее в сушильную камеру по воздуховоду. Горячий воздух, поступает тангенциально в сушильную камеру через патрубок в верхней части около распыливающего диска, захватывает частицы распыленной жидкости в момент их наивысшей скорости, в результате чего происходит весьма быстрое и основное испарение влаги из продукта. Получаемый при этом молочный порошок падает в нижнюю конусообразную часть сушильной камеры и выводиться из нее пневматическим транспортирующим устройством, заменяющим разгрузочный шнек.

Из камеры порошок поступает в транспортирующую трубу, по которой и продвигается под действием воздуха, нагнетаемого вентилятором М5, и попадает в малый циклон, из которого поступает в бункер для расфасовки в тару. Воздух в транспортирующую трубу засасывается через фильтр из помещения, следовательно, порошок частично охлаждается. При этом возможно засасывание и специального воздуха. В выходящем из малого циклона воздухе еще могут содержаться частицы порошка, поэтому он вентилятором М5 подается к отработавшему воздуху, направляемому на очистку. Отработавший воздух вместе со взвешенным в нем мелкими частицами сухого молока забирается трубой, очищается в большом циклоне и вентилятором М4 выбрасывается наружу. Порошок из большого циклона удаляется также пневматически через транспортирующую трубу.

Спецификация оборудования: I - осушитель воздуха, II - калорифер, III - камера сушки, IV - большой циклон, V - малый циклон.

Таблица 1. Спецификация к схеме автоматизации

Описание схемы:

За выбор режима регулирования отвечает ключ SA1, им можно произвести выбор режима регулирования ручной или автоматический. Для выбора необходимо повернуть ключ в положение ручного - Р, автоматического - А, либо в положение 0 для отключения процесса.

Управление подачей продукта приводом насоса М2 из бака производиться кнопками SB3 «Пуск», SB4 «Останов» и SB5 «Останов» по типу сухой контакт. Подключение остальных приводов двигателей и вентиляторов производиться аналогичным образом.

Измерение температуры в нашей камере во время тепловой обработки осуществляется термометром сопротивления ТЕ (поз 4-1), который находится непосредственно в самой камере.

Для управления исполнительным механизмом (поз 2-3), мы сравниваем значение температуры, полученное с датчика, со значением заданным самим оператором на приборе. И в результате обработки этих данных уже поступает управляющее воздействие на сам исполнительный механизм, который через регулирующий орган воздействует на подачу пара в калорифер. В качестве исполнительного механизма выступает клапан.

Измерение давление пара в калорифере производится - манометром (поз 2-1).

В самом начале тепловой обработки включается привод распылительного диска М1 кнопкой SB1 «Пуск» в начале тепловой обработки, SB2 «Останов» по ее завершению. Во время тепловой обработки привод постоянно включен.

Выбор технических средств автоматизации

Для реализации поставленной задачи необходимо выбрать соответствующие технические средства. Комплекс технических средств должен выполнять поставленную задачу и обеспечивать протекание процесса управления и соответствия с разработанным алгоритмом.

В качестве основного прибора выбираем - ОВЕН ПЛК73.Функции данного контроллера позволяют реализовать все поставленные задачи. А именно сбор и обработку информации с первичных преобразователей, смонтированных на объекте, обработку полученной информации, выработку управляющих воздействий, управление исполнительными механизмами по заданной временной программе, а также обладает возможностью передачи информации о текущем состоянии объекта на диспетчерский пункт.

) Технические характеристики ОВЕН ПЛК73.

Полноценный программируемый контроллер для простых задач автоматизации. Основные области применения ОВЕН ПЛК73 - ЖКХ, ЦТП, ИТП, котельные, небольшие станки. Представляет собой удобную базу для создания законченных приборов.

Таблица 2. Общие сведения:

Вихревой расходомер ЭМИС-ВИХРЬ-200

Вихревые расходомеры ЭМИС-ВИХРЬ-200 предназначены для измерения:

расхода проводящих жидкостей (напр. воды или водных растворов)

расхода неэлектропроводных жидкостей (напр. светлых нефтепродуктов или спиртов)

расхода агрессивных сред (напр. серной кислоты или щелочей)

расхода смесей жидкость+жидкость (напр. нефти с водой)

расхода природного и технических газов (напр. сжатого воздуха)

расхода насыщенного (влажного) и перегретого (сухого) пара

По типам измеряемой среды вихревые преобразователей ЭМИС-ВИХРЬ являются универсальными, ограничение накладывается лишь на вязкость жидкостей.

Таблица 3

Датчик влажности и температуры серия VC, VR-CVC 3/5

Датчики влажности и температуры MELA серий VC и VR - компактные датчики влажности или влажности и температуры в корпусе из высококачественной стали с фиксированным присоединительным кабелем или прочной коммутационной головкой. Все датчики этой серии снабжены металлическим фильтром из стали ZE 13. Данные датчики были разработаны специально для использования в экстремальных условиях и служат для измерения относительной влажности или относительной влажности и температуры воздуха и других неагрессивных газов. Конструкция данных датчиков идеально подходит для измерения равновесной влажности внутри каких-либо материалов и кирпичных кладок.

Таблица 4

Таблица 5. Модуль вывода управляющий ОВЕН МВУ8

Технические характеристики

Таблица 6. Автоматический преобразователь интерфейсов RS-232/RS-485 ОВЕН АС3-М

Пускатель электромагнитный ПМ12

Назначение:

Электромагнитные пускатели предназначены, главным образом, для дистанционного пуска непосредственным подключением к сети, остановки и реверсирования трехфазных асинхронных электродвигателей. При наличии тепловых реле пускатели осуществляют защиту электродвигателей от перегрузки недопустимой продолжительности. Пускатели с ограничителями перенапряжений пригодны для работы в системах управления с применением полупроводниковой техники.

Таблица 7.

.1 Разработка контура регулирования процесса сушки молока по каналу температуры в сушильной камере.

С достаточной точностью сушильные установки как объекты могут быть аппроксимированы звеном чистого запаздывания и апериодическим звеном первого порядка.

W(p)_общ = W₁*W₂ =

где: t_о - запаздывание в объекте, с; Т_о - постоянная времени, °С; К_о - коэффициент передачи.

Перейдем к определению параметров нашего объекта.

По условию T = 160 °С - значение уставки температуры в сушильной камере, а ∆ = ±10 °С - ширина зоны нелинейности (гистерезис).

Перестановка регулирующего органа М = 25 %. Значение температуры в камере без регулирования T = 40°С.

Тогда коэффициент передачи объекта:

Постоянная времени объекта:

Безразмерные показатели объекта и переходного процесса:

Приходим к данному виду передаточной функции:

Переходная характеристика:

АЧХ:

ФЧХ:

АФЧХ:

Наш объект обладает большим запасом устойчивости. Контроллер ПЛК73 по ПИД-закону регулирования настроен верно.

автоматизация сушка молоко

Список используемой литературы

1) Бредихин С.А., Космодемьянский Ю. Технология и техника переработки молока. - М.: Колос, 2003. - 400 с.

) В.Д. Сурков и др. «Технологическое оборудование предприятий молочной промышленности» / Cурков В.Д., Липатов Н.Н., Золотин Ю.П.- 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Легкая и пищевая пром-сть,1983.- 432с.

) С.Ф. Кивенко «Производство молочных консервов» - М изд «Пищевая промышленность» 1968г

) «ОВЕН» Оборудование для автоматизации. Каталог 2012 г.

) Лаврищев И.Б., Кириков А.Ю. «Разработка функциональных схем автоматизации при проектировании автоматизированных систем управления процессами пищевых производств: Метод. указания к практическим занятиям по курсовому проектированию для студентов спец. 210200. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2002. - 51 с.

) Воробьева Н.И. «Основы автоматизации технологических процессов мясной и молочной промышленности». М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1983,- 328 с.