БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет пищевых технологий

Кафедра автоматики и элекротехники

Специальность технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий

КУРСОВАЯ РАБОТА

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПЕРИОДОМ СУШКИ МАКАРОН

Форма обучения очная

Курс, группа 4,2

КАРАМОВА ИЛЬНАРА

Уфа 2010

БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет пищевые технологии

Кафедра автоматики и электротехники

Специальность технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий

Форма обучения: очная

Курс, группа: 4,3

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу по дисциплине «Система управления технологическими процессами и информационные технологии»

Карамова Ильнара

^{(Фамилия, имя, отчество студента)}

1.Тема работы: Система управления периодом сушки макарон

2.Исходные данные: ___________________________________________

3.Содержание работы: Разработка и анализ схем автоматизации технологических процессов в макаронном производстве

4.Перечень графического материала: Схема систем управления периодом сушки макрон

5.Срок сдачи студентом выполненной работы: « » декабря 2010г

6. Дата выдачи задания: “ “ 2010г.

Руководитель доцент Яковлев С.М.

^{(Ученая степень, звание, ФИО, подпись)}

Задание принял(а) к исполнению

РЕФЕРАТ

Работа: 28 листов, 14 рисунков, 2 таблицы, 4 источников,1 лист формата А3 графического материала.

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС СУШКИ МАКАРОН, ПРИБОРЫ И СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ, ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ, ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ПЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ, ПОСТРОЕНИЕ АФХ.

Объектом курсовой работы является технологический процесс сушки макарон, структурная схема системы автоматизации управления технологическими процессами.

В процессе работы изучена автоматизация процесса сушки макарон; основные приборы и средства автоматизации; структурные схемы и их преобразования; основные правила преобразования; типы соединения динамических звеньев.

СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• СПИСОК ПРИМЕНЯЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ
• 1 НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ СУШИЛОК
• 2 СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПЕРИОДОМ СУШКИ МАКАРОН
• 3 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ
• 4 ПОСТРОЕНИЕ АФХ
• БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
• ВВЕДЕНИЕ
• Автоматизация технологических процессов характеризуется частичной или полной заменой человека-оператора специальными техническими средствами контроля и управления.
• Характерным свойством систем управления является использование текущей информации об управляемых и управляющих воздействиях при реализации обратных и компенсирующих связей, предназначенных для обеспечения оптимального качества управления по выбранному критерию. Критерием эффективности пищевых производств принято считать стандартное качество выпускаемых продуктов питания.
• В настоящее время достигнуты определенные успехи в создании автоматизированных и полностью автоматических управляющих систем. В первую очередь осуществляются измерение, контроль и регулирование состояния технологических объектов.
• Дальнейшее совершенствование технических средств и методов управления привело к созданию систем централизованного контроля, которые послужили технической основой автоматизированных систем управления технологическими процессами. Для управления отдельными технологическими процессами, машинами и аппаратами в целом применяют системы автоматического регулирования и управления. Обеспечивающие без непосредственного участия человека весь комплекс операций управления.
• Благодаря использованию вычислительной техники, обеспечивающей возможность формирования, хранения и обработки больших массивов информации, созданы условия, позволяющие освободить человека от выполнения однообразных интеллектуальных функций, связанных с получением и обработкой информации, а также принятием решений по управлению производством.

Целью курсовой работы является анализ и синтез систем автоматического управления технологическими процессами. Также упростить данную по заданию структурную схему САУ ПТ и записать эквивалентную ПФ САУ, по заданной ПФ построить АФХ.

СПИСОК ПРИМЕНЯЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АРМ - автоматизированное рабочее места,

АСУ - автоматизированная система управления,

АСУТП _ автоматизированная система управления технологическим процессом,

АЦП - налогово-цифровой преобразователь,

АЦПУ - аналого-цифровое печатающее устройство,

БД - база данных,

НЦУ- непосредственное цифровое управление,

ПО - программное обеспечение

ПТК - программно-технический комплекс,

ПЭВМ - персональное электронно-вычислительная машина,

РСУ - регулирующая система управления,

САР - система автоматического регулирования,

ТП - технологический процесс,

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь,

ЭВМ - электронно-вычислительная машина

1 НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ СУШИЛОК

Сушка макаронных изделий -- наиболее длительная стадия процесса их производства. Высушивание обычно заканчивают по достижении ими влажности 13,5... 14%, чтобы после остывания перед упаковыванием влажность их составляла не более 13%. Уплотненное макаронное тесто и сырые макаронные изделия относятся к коллоидным капиллярно-пористым материалам. Соблюдение оптимальных режимов сушки влияет на такие показатели качества готовой продукции, как прочность, стекловидность излома, кислотность.

Интенсивное удаление влаги может привести к растрескиванию изделий, чрезмерно длительная сушка на первой стадии удаления влаги -- к закисанию изделий, а при сушке в слое -- к деформированию или слипанию продукта.

Сушка макаронных изделий осуществляется конвективным способом, т.е. при непосредственном соприкосновении высушиваемого продукта с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух.

Процесс сушки макаронных изделий графически изображают в виде кривой сушки, характеризующей изменение средней влажности W изделий во времени ф.

Незначительное снижение влажности W_т на начальном участке объясняется тем, что концентрационная и термическая диффузии направлены в противоположные стороны.

Затем происходит изменение влажности по прямой линии. Во время этого периода, который называется периодом постоянной скорости сушки, происходит удаление из изделий менее прочносвязанной осмотической влаги. После достижения критической влажности W_к наступает период падающей скорости сушки, когда удаляется главным образом адсорбционно связанная влага, прочно удерживаемая белковыми веществами.



Рис. 1 Кривая сушки макарон

При выборе режимов сушки необходимо учитывать две основные особенности макаронных изделий как объекта сушки:

при снижении влажности изделий от 29...30 до 13... 14% происходит сокращение их линейных и объемных размеров (усадка) на 6...8%;

в процессе высушивания изменяются структурно-механические свойства изделий.

В зависимости от температуры воздуха используют три основных режима конвективной сушки макаронных изделий:

традиционные низкотемпературные режимы, когда температура сушильного воздуха не превышает 60°С;

высокотемпературные режимы, когда температура воздуха на определенном этапе сушки достигает 70...90°С;

сверхвысокотемпературные режимы, когда температура воздуха превышает 90°С.

При низкотемпературном режиме сушки макаронные изделия можно сушить при жестких режимах, не опасаясь появления в них трещин, примерно до 20%-й влажности, так как на этом этапе изделия имеют выраженные пластичные свойства. При достижении продуктом этой влажности во избежание растрескивания необходимо проводить высушивание при мягких режимах, медленно удаляя влагу. Особенно осторожно следует удалять влагу на последних этапах сушки по достижении изделиями влажности 16% и ниже, когда материал приобретает свойства упругого тела. Эта особенность изменений структурно-механических свойств макаронных изделий в процессе низкотемпературной сушки обусловливает целесообразность ее проведения в двух последовательно установленных сушильных установках: предварительной и окончательной.

При высокотемпературных и сверхвысокотемпературных режимах сушки, когда температура воздуха превышает соответственно 70 и 90°С, макаронные изделия остаются в пластическом состоянии вплоть до 16...13%-ной влажности (в зависимости от температуры). В этом случае критическая влажность изделий W_к (см. рис. 1), т.е. момент перехода материала из пластического состояния в упругое, снижается практически до влажности готовых макаронных изделий. Поэтому возникает возможность использования таких режимов на всем протяжении сушки, что значительно сокращает ее продолжительность.

Высокотемпературные режимы способствуют улучшению качества изделий по ряду показателей:

цвет изделий становится более светлым по сравнению с изделиями традиционной сушки;

улучшаются варочные свойства макаронных изделий, сокращается продолжительность варки до готовности, снижается клейкость сваренных изделий, улучшается их консистенция;

¦ происходит практически полная пастеризация макаронных изделий и ликвидируются условия для развития опасных для здоровья человека микроорганизмов. В отечественной промышленности пока наиболее широко используются низкотемпературные сушильные установки, применение высокотемпературных режимов сдерживается из-за отсутствия специального оборудования и приборов.

В соответствии с классификацией, разработанной М. Е. Черновым (рис. 2), все оборудование для сушки макаронных изделий можно разделить на оборудование для сушки коротких и длинных изделий.

Рис. 2 Классификация сушилок для макаронных изделий

2 СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПЕРИОДОМ СУШКИ МАКРОН

Процесс сушки макарон является самым длительным и наиболее ответственным. Сушка макарон сопровождается сложным комплексом явлений тепло- и массообмена, определяющим во многом качество продукции. В процессе сушки по мере удаления влаги изменяются структурно-механические свойства макарон.

Автоматические поточные линии для производства макарон состоят из ряда отдельных технологических агрегатов, транспортных механизмов и обеспечивают высокую степень механизации и автоматизации всех стадий производства готовой продукции высокого качества. Сушка макарон часто осуществляется в подвесном состоянии на металлических стержнях -- бастунах. Система управления периодом предварительной сушки, осуществляемой в составе автоматической поточной линии Б6-ЛМВ.

Предварительная сушка конструктивно представляет собой герметизированный и теплоизолированный тоннель I, разделенный перекрытием на два этажа, образующих две зоны сушки. В первой (нижней) зоне находится один гребенчатый транспортер II во второй (верхней) -- два транспортера. В нижней части сушилки размещен транспортер V для возврата порожних басту-нов. Для подогрева сушильного воздуха используются водяные калориферы III из ребристых труб, трубопроводы, насосы и регулировочная арматура.

Горячая вода (80--90°С) подается в систему подогрева первой зоны непосредственно от централизованной сети теплоснабжения. В систему подогрева второй зоны помимо горячей воды частично подается отработанная теплая вода из первой зоны при помощи насоса.

Вентилирование в первой зоне осуществляется при помощи вентиляторов IV, которые расположены попарно. Два вентилятора при входе макарон в сушилку засасывают воздух из помещения, подают теплый воздух в нижнюю зону.

Четыре пары вентиляторов обеспечивают рециркуляцию сушильного воздуха с продувкой его через калориферы. Часть влажного воздуха выходит из зоны в помещение. Система вентиляции зон сушилки обеспечивает частичную рециркуляцию сушильного воздуха: влажный воздух частично выбрасывается в помещение и частично смешивается с более сухим, поступающим из помещения.

Заданные параметры сушки, т. е. температура и относительная влажность сушильного воздуха, поддерживаются автоматически. Система управления обеспечивает контроль температуры и влажности воздуха в нижней и верхней зонах предварительной сушилки (2-3, 3-2, 5-2, 26-8, 30-2); контроль давления и температуры горячей воды по зонам сушилки (8-1, 24-2, 25-1); регулирование температуры и относительной влажности воздуха по зонам предварительной сушки (3-2, 5-2, 27-2, 30-2); контроль положения регулирующих органов (4-2, 6-2, 28-2, 31-2); световую сигнализацию рабочего и аварийного режимов работы сушилки.

Реализацию управления сушилкой можно осуществить с помощью АСУТП в режиме НЦУ по модулю в согласно рис. 3, которая предусматривает два иерархических уровня управления.

Рис.3 Структурные схемы АСУТП отделения, участка, подразделения пищевого предприятия

Первый уровень управления состоит из измерительных преобразователей (датчиков) и сигнализаторов параметров, средств управления ИУ и пусковой аппаратуры. Пульты управления ТП и технологическим оборудованием в основном расположены по месту объекта управления. Они состоят из прочных, предназначенных для наружной установки, металлических корпусов (массой 15 кг) со встроенными в них ПЛК AL-2000S, модемов, блоков бесперебойного питания, аккумуляторов и других необходимых устройств. Применение радиомодемов значительно снижает затраты на монтажные работы при построении системы и ее обслуживание в дальнейшем. Взаимосвязь аппаратуры осуществляется с помощью HART-протокола посредством полевой сети Fieldbus Н1.

Второй уровень управления предусматривает использование сетевых контроллеров AL-2000S с достаточной информационной мощностью (аналоговые входы/выходы 16/256, дискретные входы/выходы 16/256) в количестве трех комплектов с горячим резервированием на базе ПТК с управляющей ЭВМ (Pentium I), функционирующих в режиме операторской рабочей станции, наличие сервера ОРС и БД на базе ЭВМ (Pentium I), АРМ оператора-технолога и АРМ химика-аналитика на базе ЭВМ IВМ РС-486. Прием и передача информации осуществляются посредством промышленной сети Profibus DP, возможно использование сети Modbus. ОС функционирует с помощью ОС Windows NT. Основное ПО системы управления обеспечивается SCADA-программой, возможно применение Tрейс Моуд, реализующей основные функции визуализации измеряемой и контролируемой информации, передачи данных и команд системе для контроля и управления. Оно состоит из инструментального и исполнительного комплексов. Открытость SCADA-программы обеспечивает функционирование СУ в ОРС-сервере, что гарантирует работу сетевых структур без использования специальных драйверов. В качестве ОС контроллеров используют типовую систему OS-9 или версии Windows, что позволяет применять прикладное ПО для контроллеров (например, технологические языки стандарта ШС 1131.3).

Информационная мощность АСУТП сушки макарон на линии Б6-ЛМВ составляет: входы/выходы 16/16, т. е. 32. Из них аналоговые входы/выходы 16/16, дискретные входы/выходы 16/16+21 (сигн.), т. е. имеется достаточный резерв.

АСУТП сушки макарон на линии Б6-ЛМВ обеспечивает отображение информации о состоянии ТП, контроль поступления заготовок, ввод задания и команд с клавиатур ПТК и АРМ оператора-технолога, а также управления ТП.

Работа АСР сушилки базируется на использовании психометрического метода измерения и регулирования параметров сушильного воздуха, что осуществляется с помощью регулирующего канала AL-2000S (3-2, 5-2, 27-2, 30-2) с выходом на регистрацию на ПTК и АРМ технолога. Датчики температуры и влажности воздуха установлены в обеих зонах предварительной сушки. В качестве датчиков температуры используются термопреобразователи сопротивления (ТСМ и ADAM-5017Н) или модули ADAM-5013 (3-1, 5-1, 27-1, 30-1). Один из каждой пары термометров является «мокрым», а другой -- «сухим».

Автоматическая система регулирования обеспечивает режим сушки поддержанием требуемой разницы между показаниями «сухого» и «мокрого» термометров. В системе регулирования температуры воздуха регулирующим параметром является расход горячей воды в калорифере, дозирование которой происходит с помощью клапанов (3-5, 27-5), посредством ЦАП (модуль ADAM-5024) в верхней и нижней зонах сушилки. Регулирующим воздействием при регулировании влажности воздуха является расход сушильного воздуха в смеси с сухим из помещения в системе вентиляции (5-4, 30-4) посредством ЦАП (модуль ADAM-5024) с выходом на исполнительный механизм (5-5, 30-5). Контроль температуры горячей воды на выходе из калориферов предварительной сушки осуществляется термопреобразователем сопротивления TСМ и АЦП (ADAM-5017) или модулями ADAM-5013 (14-1 + 23-1) в комплекте с логико-программным каналом AL-2000S сушильного воздуха и контролируется психометрами (2-3, 26-3).

3 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Задание № 2

Имеется структурная схема САР ТП (рис. 2.1). Упростить схему САР ТП с помощью структурных преобразований и записать эквивалентную передаточную функцию САР. Вид передаточных динамических звеньев САР в соответствии с вариантом приведен в таблице 2.1.

Рисунок 2.1 Структурная схема САР ТП

Таблица 1 Вариант задания №2

Вариант	W1	W2	W3	W4	W5	W6	W7	W8
09	K1/S	7	K3/S	-10	K5/Т5S+1	10	K7(K7+1)/T7/S+1	K8S

Определим значения коэффициентов К_i и постоянных времени T_i . Номер зачетной книжки 270710, тогда кодовая последовательность будет иметь вид: 27071219.

2 K1=2; тогда W1=2/S;

7 K2=7; W2=7;

0 K3/S=1; W3=1/S;

7 K4=-10; W4=-10;

1 K5/ТS+1; Т=1; W5=1/S+1;

2 K6=10; W6=10;

1 K7(К7+1)/Т7/S+1, Т=1; W7=2(S+1);

9 К8S=9; W8=9S;

Решение:

1. Встречно-параллельное соединение звеньев W₁(S) и W₂(S) заменяем эквивалентной передаточной функцией W_Э1(S).

;

2. Параллельное соединение звена W₇(S) и единичного звена заменим эквивалентной передаточной функцией W_Э2(S).

W_Э2(S) = W₇(S) +1;



3. Перенесем точку съема D с входа звена W_Э2(S) на выход.

4. Последовательное соединение звеньев W₆(S) и W_Э2(S) заменим эквивалентной передаточной функцией W_Э3(S).

W_Э3(S) = W₆(S)*W_Э2(S);

5. Последовательное соединение звеньев и W₈(S) заменим эквивалентной передаточной функцией W_Э4(S).

;

6. Параллельное соединение звена W_Э4(S) и единичного звена заменим эквивалентной передаточной функцией W_Э5(S).

W_Э5(S) = W_Э4(S) +1;

7.Перенесем точки съема В и С со входа звена W_Э3(S) на выход.

8.Последовательное соединение звеньев W₄(S) и W_Э3(S) заменим эквивалентной передаточной функцией W_Э6(S).

W_Э6(S) = W₄(S)*W_Э3(S);

Последовательное соединение звеньев W₅(S) и заменим эквивалентной передаточной функцией W_Э7(S).

;

9.Последовательное соединение звеньев W₃(S) и заменим эквивалентной передаточной функцией W_Э8(S).

;

10.Параллельное соединение звеньев W_Э7(S) и W_Э5(S) заменим эквивалентной передаточной функцией W_Э9(S).

W_Э9(S) = W_Э7(S) + W_Э5(S);

11.Встречно - параллельное соединение с отрицательной обратной связью звеньев W_Э6(S) и W_Э9(S) заменим эквивалентной передаточной функцией W_Э10(S).

;



12. Последовательное соединение звеньев W_Э1(S) и W_Э10(S) заменим эквивалентной передаточной функцией W_Э11(S).

W_Э11= W_Э1+ W_Э10;

13.Встречно - параллельное соединение с отрицательной обратной связью звеньев W_Э11(S) и W_Э8(S) заменим эквивалентной передаточной функцией W_Э12(S).

;

Выпишем все эквивалентные передаточные функции и преобразуем их:

1) ;

2) ;

3) ;

4) ;

5) ;

6) ;

7) ;

8) ;

9)

10)

11)

12) Подставив соответствующие значения W_i получим:

Окончательный вид:

W_э12

4 ПОСТРОЕНИЕ АФХ

Передаточная функция: W(S)=;

К=2; Т=4с

Произведя замены jщ=S и перейдя от оригиналов к изображениям, получим частотную передаточную функцию звена:

Подставляя цифровые значения, получаем:

Таблица 2 Вычисленные значения частотно - передаточной функции

W	U(w)	jV(w)
0	-2	0
0,15	-1,47059	-0,88235
0,3	-0,81967	-0,98361
0,45	-0,4717	-0,84906
0,6	-0,29586	-0,71006
0,75	-0,2	-0,6
0,9	-0,14327	-0,51576
1,05	-0,1073	-0,45064
1,2	-0,08319	-0,39933
1,35	-0,06631	-0,35809
1,5	-0,05405	-0,32432
1,65	-0,04488	-0,29623
1,8	-0,03785	-0,27252
1,95	-0,03234	-0,25226
2,1	-0,02795	-0,23477
2,25	-0,02439	-0,21951
2,4	-0,02147	-0,2061
2,55	-0,01904	-0,19421
2,7	-0,017	-0,18361
2,85	-0,01527	-0,1741
3	-0,01379	-0,16552
3,15	-0,01252	-0,15774
3,3	-0,01141	-0,15065
3,45	-0,01045	-0,14417
3,6	-0,0096	-0,13822
3,75	-0,00885	-0,13274
3,9	-0,00818	-0,12768
4,05	-0,00759	-0,12299
4,2	-0,00706	-0,11863
4,35

Рисунок 4. График зависимости Амплитудно-фазовой характеристики.(АФХ)

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Благовещенская М. М., Злобин Л. А. Информационные технологии систем управления технологическими процессами. Учеб. для вузов. - М.: Высш. шк., 2005.-768 с.: ил.

2.ХромеенковВ.М., Технологическое оборудование хлебозаводов и макаронных фабрик-СПб.: ГИОРД, 2002. -496 с.: ил.

3. ГОСТ 21.404-85

4.Курс лекций. Информационные технологии систем управления технологическими процессами/С. М. Яковлев.