Руководство к выполнению курсовой работы по дисциплине «Системы управления химико-технологическими процессами». Методическое пособие для студентов спе

Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова Факультет ТПП

Кафедра "Автоматизации и оборудования пищевых производств"

Задание на выполнение курсовой работы

по дисциплине «Системы управления химико-технологическими

процессами»

студентке учебной группы БТ – 501

Макеевой С.В.

Тема: Автоматизация технологического процесса

изготовления кефира резервуарным способом

О с н о в н ы е в о п р о с ы , п о д л е ж а щ и е р а з р а б о т к е и

ис с л е д о в а н и ю :

1)Провести анализ технологического процесса с точки зрения автоматизации

2)Разработать функциональную схему автоматизации (ФСА) технологического процесса.

3)Разработать систему автоматического регулирования(САР) температуры в резервуаре для сквашивания:

- с помощью СИАМ идентифицировать математическую модель объекта управления и оценить ее адекватность реальному процессу;

- обосновать выбор эталонной модели замкнутой системы и структуры САР;

- с помощью Maple-6 синтезировать САР.

И с х о д н ы е д а н н ы е д л я р а с ч е т а С А Р :

1) Переходная функция ОУ

Руководитель работы

студент ___________________

20

Содержание

(курсовой работы)

1.Анализ технологической схемы и выбор методов и средств автоматизации…………………………. 23

2. Описание ФСА, ее состава и принципа действия 25

3.Идентификация математической модели резер-

вуара как объекта регулирования температуры… 29

4.Синтез системы автоматического регулирования температуры в резервуаре для сквашивания……. 32

Заключение………………………………………… 38

Список литературы………………………………... 39

21

Введение

Автоматизация производства – это процесс, при котором функции управления и контроля, ранее выполняемые человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам. Эффективная реализация современных производств по переработке сельскохозяйственной продукции требует оснащения их системами контроля и оперативного управления, обеспечивающими получение продукции заданного качества, снижение её себестоимости, контроль экологической ситуации, комфортные условия труда для обслуживающего персонала.

Внастоящее время большинство химико-технологических

ибиотехнологических производств являются автоматизированными системами управления, включающих в себя необходимые агрегаты и машины, системы автоматического контроля и защиты, дистанционного и телемеханического управления, системы автоматического регулирования и управления.

Задача управления производством в целом представляет собой оптимизационную задачу достижения некоторого критерия (прибыли, затрат и др.) при соблюдении определяемых по технологическому регламенту ограничений на параметры процесса. Решить такую задачу очень трудно, вследствие воздействия на процесс большого числа возмущающих факторов. Поэтому её разбивают на несколько согласованных между собой подзадач управления отдельными технологическими установками или стадиями, которые в свою очередь позволяют сформулировать задачи регулирования технологическими переменными в отдельных аппаратах.

Вработе решается задача автоматизации технологического процесса изготовления кефира резервуарным способом. Она включает четыре раздела, введение и заключение.

Впервом разделе приводится анализ технологического процесса изготовления кефира резервуарным способом, со-

22

ставляется его функциональная схема, дается обоснование выбора параметров измерения, регулирования и сигнализации.

Во втором разделе определяется состав средств автоматизации, которые наносятся на функциональную схему, и дается описание предложенной функциональной схемы автоматизации технологического процесса.

Втретьем разделе дается обоснование структуры математической модели резервуара для сквашивания как объекта управления и идентифицируются ее параметры с помощью ЭВМ и метода интегральных оценок.

Вчетвертом разделе на основе математической модели объекта управления, структура и параметры которой определены в предыдущем разделе, обосновывается структура закона управления (ЗУ), осуществляется его синтез методом стандартных коэффициентов, приводятся и анализируются результаты численного исследования эффективности замкнутой САУ, делается вывод о соответствии синтезированной системы заданным требованиям.

Результаты работы докладывались на научном семинаре кафедры АОПП в ноябре 2008 г., на научной конференции Университета в апреле 2009 г. и опубликованы сборнике ее трудов.

23

1. Анализ технологической схемы и выбор методов и средств автоматизации

В молоке, поставляемом на заводы, содержится большое количество микроорганизмов. Уничтожение микрофлоры осуществляется пастеризацией молока. Для приготовления кисломолочных продуктов используется режим высокотемпературной пастеризации – нагревание выше 850 С при непродолжительной выдержке его горячем состоянии. В трубчатых пастеризаторах молоко нагревается паром до температуры 90920С с выдержкой 2-3 минуты. При низкотемпературной и кратковременной пастеризации в молоке при сквашивании образуются слабые сгустки, быстро отдающие сыворотку. В нем также плохо развиваются молочнокислые бактерии. Перед пастеризацией молоко нормализуют до заданной жирности на сепараторах - нормализаторах.

Процессу сквашивания молока мешает всплывающий на поверхность жир. Установлено, что чем меньше капельки жира, тем медленнее они всплывают, тем более однородным остается молоко и приготавливаемые из него продукты. Процесс размельчения шариков жира осуществляется в процессе гомогенизации кисломолочных продуктов.

Молоко гомогенизируют при температуре пастеризации при давлении 17,5 МПа (175 атм.) в специальных аппаратах – гомогенизаторах, представляющих собой плунжерные насосы высокого давления.

Процессы нормализации, пастеризации и гомогенизации объединены на чертеже в блоке II. Автоматизация этих процессов в работе не рассматривается.

После гомогенизации молоко охлаждают до температуры сквашивания (30 –450С в зависимости от вида кисломолочных продуктов) в охладительной установке III и подают в резервуар IV. Одновременно в резервуар вносят задаваемое количество закваски, включив мешалку для равномерного распределе-

24

ния ее в молоке. После заполнения резервуара молоком и закваской мешалку выключают.

Сквашивание молока длится 4-14 часов. Температура и продолжительность заквашивания зависят от вида бактериальных культур. Конец сквашивания и готовность продукта определяется по вязкости и кислотности сгустка. (Кислотность в России принято выражать в градусах Тернера (0Т), т.е. количеством миллилитров децинормального раствора едкой щелочи (едкого натра и каля), пошедших на нейтрализацию 100 мл молока или кисломолочных продуктов, разбавленных в 2 раза водой, при индикаторе фенолфталеине).

Кислотность кефира, например, должна быть не ниже 850Т. По достижении заданной кислотности продукт охлаждают, подавая в рубашку резервуара ледяную воду (1-20С). После подачи ледяной воды периодически через 30-40 мин включают мешалку на 5-15 мин. При охлаждении кефира до 160С его оставляют в покое до созревания. Общая продолжительность созревания должна быть не менее 24 часов с момента начала заквашивания молока. Ряд продуктов («Снежок», «Южный») не нуждается в досозревании. Готовый продукт охлаждают (при необходимости) и направляют на разлив.

Т а к и м о б р а з о м , необходимо автоматизировать следующие операции в рассматриваемом процессе изготовления кефира:

-включение и выключение моторов насосов и мешалки;

-регулирование температуры на выходе охладителя, в резервуаре;

-определение верхнего и нижнего уровня заполнения молоком резервуара для сквашивания;

-внесение в резервуар заданного количества закваски;

-оценка заданного значения кислотности продукта;

-обеспечение заданных временных интервалов технологического процесса (ТП);

-индикацию параметров и хода протекания ТП;

-дублирование автоматического управления всеми процессами ручным управлением.

25

2. Описание ФСА, ее состава и принципа действия

Функциональная схема автоматизации технологического процесса изготовления кефира резервуарным способом представлена на рис.2.1. Процесс приготовления КМП – циклический. Каждый цикл определяется временем изготовления заданного объема КСМ. Новый цикл начинается оператором нажатием кнопки 1-1, при этом через магнитные пускатели 1- 2, 1-5, 1-7 включаются мотор насоса 1-3, приборы блока II (пастеризации, сепарирования и гомогенизации) и мотор 1-8 мешалки резервуара IV. Включение этих элементов контролируется оператором с помощью сигнальных ламп HL1 – «Идет подача молока», HL2 – «Вкл. блока II» и HL3 – «Вкл. мешалки». Автоматическое включение блока II и мотора мешалки дублируется кнопками ручного включения 1-4 и 1-6.

После гомогенизации молоко охлаждают до температуры сквашивания (30 –45оС) в охладительной установке III. Заданное значение температуры молока на выходе установки III обеспечивается с помощью САР температуры, включающей первичный преобразователь температуры 2-1, вторичный преобразователь и регулятор температуры с индикацией 2-2. Задатчик температуры обычно находится в регуляторе. Электрический сигнал управления с выхода регулятора после преобразования в пневматический сигнал подается на пневмо мотор 2-4, управляющий степенью открытия крана подачи холодной воды в охладитель. Охлажденное молоко подается для сквашивания в резервуар IV.

Уровень молока в резервуаре IV контролируется с помощью первичных измерительных преобразователей уровня (металлических стержней) пустого и полного резервуара. Оба этих преобразователя обозначены номером 4-1. После заполнения резервуара IV сигнал датчика поступает на вторичный преобразователь – переключатель уровня 4-2. По сигналу полного

26

бака с выхода этого блока выключаются регулятор температуры 2-2, мотор насоса 1-3 и блок II через магнитные пускатели 1-2, 1-5. Лампочки HL1 и HL2 гаснут. По этому же сигналу включается система автоматической подачи закваски в резервуар. Она включает в себя первичный преобразователь расхода 5-1, регулятор – переключатель со вторичным преобразователем и интегрированием расхода 5-2, преобразователь электрического сигнала в пневматический 5-3 и пневмомотор 5-4, управляющий открытием крана подачи закваски. По сигналу полного резервуара кран подачи закваски открывается и закваска подается в резервуар. Как только количество поданной закваски (интеграл от расхода) станет равным заданному значению регулятор 4-2 вырабатывает электрический сигнал, который через магнитный пускатель 1-7 выключает мотор мешалки 1-8, включает временную программу заквашивания 6-5 и зажигает лампу HL4 – «Закваска залита».

Блок 6-5 выдает задающие воздействия, соответствующие температуре сквашивания в регулятор температуры 3-2 и предельной кислотности сквашивания в регулятор-переключа- тель кислотности 6-2 продукта в резервуаре.

САР температуры в резервуаре работает следующим образом: текущее значение температуры молочного продукта в резервуаре измеряется первичным преобразователем 3-1, электрический сигнал которого подается в регулятор температуры с индикацией 3-2. В нем этот сигнал проходит через вторичный преобразователь и сравнивается с заданным значением температуры сквашивания. На основании сигнала рассогласования вырабатывается электрический сигнал управления, который после преобразования в пневматический сигнал в блоке 3-3 управляет пневмомотором 3-4 открытия (закрытия) кранасмесителя холодной и горячей воды, определяющего через водяную рубашку температуру продукта в резервуаре.

Регулятор-переключатель кислотности работает так: текущее значение pH измеряется первичным преобразователем 6-1, электрический сигнал которого подается в регуляторпереключатель кислотности с индикацией 6-2. В нем этот сиг-

28

нал проходит через вторичный преобразователь и сравнивается с заданным предельным значением кислотности сквашивания. Как только текущее значение кислотности продукта станет равным предельному, регулятор 6-2 вырабатывает электрический сигнал, который подается в блок 6-5 временной программы сквашивания.

Блок 6-5 изменяет заданное значение температуры (160) в регуляторе 3-2, по сигналу которого в водяную рубашку резервуара начинает подаваться ледяная вода, зажигается лампочка HL5 – «Вкл. режим созревания». По сигналам блока 6-5 через каждые 30-40 мин через магнитный пускатель 1-7 включается мотор 1-8 мешалки на 5-15 мин.

При охлаждении кефира до заданного значения: 160С, его оставляют в покое (перестают включать мешалку) до созревания. Общая продолжительность созревания (более 24 часов с момента начала заквашивания молока) определяется оператором и задается в блоке 6-5 временных программ.

По истечении этого времени готовый продукт охлаждают (при необходимости) и направляют на разлив. Для этого блок 6-5 вырабатывает сигналы, по которым через магнитный пускатель 6-3 включается мотор насоса 6-4, гаснет лампочка HL5 и зажигается лампочка HL6 – «Подача продукта на разлив».

По сигналу датчика уровня пустого резервуара 4-1 мотор 6-4 выключается и вся система приводится в исходное состояние.

Т а к и м о б р а з о м , функциональная схема автоматизации (ФСА) технологического процесса изготовления кисломолочных продуктов включает следующие элементы автоматизации:

-автоматические регуляторы температуры на выходе охладителя, в резервуаре для сквашивания;

-автоматические регуляторы-переключатели кислотности и уровня продукта в резервуаре;

-схемы включения насосов и мешалки;

-индикацию режимов работы и регулируемых параметров;

-обеспечения заданной временной программы технологического процесса сквашивания.

29