Автоматизация производства спирта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Тема: «Автоматизация производства спирта.»



Введение

Автоматика - отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения средств и систем управления производственными процессами, действующими без непосредственного участия человека. Автоматика является основой автоматизации. Автоматизацией называют этап развития машинного производства, характеризуемый освобождением человека от непосредственного выполнения функций управления производственными процессами и передачей этих функций техническим устройствам. Автоматизация является одной из движущих сил научно-технического прогресса, которая существенно влияет на развитие производства, делая возможным создание новых высокоинтенсивных технологических процессов и побуждая к разработке более совершенного механизированного и автоматизированного технологического оборудования.

Под управлением производственным процессом понимают такое воздействие на него, которое обеспечивает оптимальный или заданный режим работы. Управляемый производственный процесс называют объектом управления. Совокупность технических устройств, используемых для управления, и производственного персонала, принимающего в нем непосредственное участие, образует совместно с объектом систему управления. Процесс управления складывается из следующих основных функций, выполняемых системой управления:

· получения измерительной информации о состоянии производственного процесса как объекта управления;

· переработки полученной информации и принятия решения о необходимом воздействии на объект для достижения целей управления;

· реализации принятого решения, т. е. непосредственного воздействия на производственный процесс, например, увеличить или уменьшить подачу сырья на переработку.



1. Описание технологического процесса

1.1 Система автоматизации производства спирта

автоматизация спирт измерительный регулятор

Типичным примером биотехнологического процесса может служить производство спирта, которое состоит из трех основных частей: приготовление питательной среды (сусла) из крахмалистого сырья, например зерна; дрожжегенерация и сбраживание сусла дрожжами; выделение спирта из культуральной жидкости (бражки) путем брагоректификации. Сусло готовится на головных участках производства, где зерно подвергается очистке и дроблению, смешивается с водой, образуя замес, который подвергается тепловой обработке (развариванию) и осахариванию под действием ферментов солода или ферментных препаратов, полученных путем микробиологического синтеза.



В схеме автоматизации участков подработки зерна и приготовления замеса зерно со склада системой транспортеров I и норией II подается в приемный бункер III , из которого поступает на очистку в сепаратор IV и далее через промежуточный бункер V на порционные весы VI, которые обеспечивают контроль общего количества зерна, поступившего в производство. Затем поток зерна направляется транспортером VII и норией VIII в бункер-накопитель IX, из которого попадает в измельчающее устройство X. Размолотое зерно подается в смесительную камеру смесителя-предразварника XI, где перемешивается с водой в однородную массу -- замес. Из смесительной камеры замес попадает в камеру предразварника, где нагревается острым вторичным паром.

Участок подработки зерна. Основными задачами на этом участке являются дистанционное управление, блокировка и сигнализация работы системы машин и механизмов, которая обеспечивает транспортировку зерна со склада на переработку -по определенному маршруту. Для этого служит автоматическая система управления, сигнализации и блокировки, в электрическую схему которой поступают сигналы об измерении частоты вращения электродвигателей норий и транспортеров от реле скорости (1-1--4-1) и уровня зерна в бункерах от мембранных датчиков уровня (5-1 -- 7-1).

Автоматический учет количества зерна, поступившего со склада в переработку, обеспечивают контактный датчик 8-1, который при каждом отвесе порционных весов формирует электрический импульс, и счетчик электроимпульсов 8-2, установленный на щите. Производительность (нагрузка) головных участков устанавливается АСР расхода зерна, в состав которой входят расходомер зерна 9-1, вторичный регистрирующий прибор с пневмопреобразователем 9-2, вторичный пневматический прибор 9-3 с ПИ-регулятором 9-4 и исполнительное устройство 9-5, в качестве которого используется регулирующая заслонка (шибер) с пневматическим мембранным исполнительным механизмом. Стадия приготовления замеса. Основной задачей управления на этой стадии является получение определенной концентрации в замесе крахмала, что обеспечивает АСР соотношения расходов зерна и воды, поступающих в предразварник-смеситель. Расход воды измеряется ротаметром 10-1 с пневмовыходом, сигнал с которого поступает на вторичный прибор 10-2 и далее на регулятор соотношения 10-3 в качестве регулируемой переменной. Пневмосигнал, пропорциональный расходу зерна, с пневмопреобразователя вторичного прибора 9-2 поступает на регулятор соотношения в качестве задания. Командный сигнал с выхода регулятора соотношения подается на привод регулирующего клапана 10-4 подачи воды.

Схемой автоматизации предусмотрено регулирование температуры в смесительной камере и камере предразварника, а также уровня массы в камере предразварника. Обе АСР температуры состоят из датчиков -- манометрических термометров с пневмовыходом 11-1 и 12-1, вторичных приборов 11-2 и 12-2 с ПИ-регуляторами 11-3 и 12-3 и регулирующих клапанов 11-4 на линии подачи холодной воды в смеситель и 12-4 на линии подачи пара в предразварник. Для измерения уровня разваренной массы служит датчик 13-1 в комплекте с вторичным прибором 13-2.

Рис. 10.10. Схема автоматизации участка разваривания



Участок разваривания. В схеме автоматизации участка разваривания (рис10.10) замес из предразварника-смесителя подается плунжерным насосом I в контактную головку II, где нагревается острым паром, и далее в варочную колонну III первой ступени, куда также подается острый пар. Затем разваренная масса последовательно проходит через варочные колонны IV второй ступени и попадает в сепаратор V, где от нее отделяется пар. Основными задачами управления в этом отделении являются стабилизация температурного режима разваривания, а также поддержание заданной производительности (нагрузки), которая определяется потребностью отделения осахаривания.

Стабилизацию температурного режима обеспечивают АСР температуры массы на выходе из контактной головки и АСР температуры в первой варочной колонне, которые однотипны. Датчиками температуры служат манометрические термометры 2-1 и 3-1 с пневмовыходом, сигнал с которых подается на вторичные приборы 2-2 и 3-2 с ПИ-регуляторами 2-3 и 3-3 и затем на регулирующие клапаны 2-4 и 3-4, установленные на трубопроводе подачи пара в соответствующий аппарат. Производительность участка определяется расходом замеса, который регулируется АСР уровня в сепараторе 5. При изменении потребления разваренной массы отделением осахаривания, например при его увеличении, уровень в сепараторе понижается. Пневматический сигнал от датчика уровня 5-1 поступает на вторичный прибор 5-2 с ПИ-регулятором 5-3 и далее на регулирующий клапан 5-4, который увеличивает расход замеса, приводя его в соответствие с расходом разваренной массы.

Автоматический контроль расхода замеса производится с помощью индукционного расходомера 1-1 --1-2. Стабилизацию уровня в последней варочной колонне второй ступени осуществляет АСР, состоящая из уровнемера 4-1, вторичного прибора 4-2 с регулятором 4-3 и регулирующего клапана 4-4 на линии перетока массы в сепаратор. Для стабилизации давления в коллекторе пара служит АСР, состоящая из датчика 6-1, вторичного прибора 6-2 с ПИ-регулятором 6-3 и регулирующего клапана 6-4. Отделение осахаривания. В отделении осахаривания (рис. 10.11) разваренная масса охлаждается в вакуум-испарителе II и поступает в осахариватель III, куда дозируется ферментный раствор из сборника IV. В результате ферментативного гидролиза крахмал осахаривается и разваренная масса крахмалистого сырья превращается в питательную среду для дрожжегенерации и брожения-- сусло, которое после охлаждения в теплообменнике V собирается в сборнике VI.

Рис. 10.11. Схема автоматизации участка осахаривания

Основными задачами управления в этом отделении являются поддержание заданного режима осахаривания, которое сводится к стабилизации температуры реакционной массы в осахаривателе и концентрации в ней фермента. Для регулирования температуры служит двухконтурная (каскадная) АСР: температура массы на выходе вакуум-испарителя измеряется манометрическим термометром 1-1, пневматический сигнал с выхода которого поступает на вторичный прибор 1-2 с регулятором 1-3 и далее на регулирующий клапан 1-4, изменяющий расход воды в барометрический конденсатор 1. Температура массы в осахаривателе измеряется термопреобразователем сопротивления 2-1, который подключен к электронному мосту 2-2 с встроенным пневматическим ПИ-регулятором. Выходной сигнал этого регулятора подается через панель управления 2-3 в качестве задания на регулятор 1-3. Применение двухконтурной АСР повышает качество регулирования температуры в осахаривателе.

Для поддержания концентрации фермента в реакционной массе служит АСР соотношения расходов сусла и ферментсодержащего раствора. В эту АСР входят индукционные расходомеры 3-1 и 3-2 для ферментсодержащего раствора и 4-1 и 4-2 для сусла; электропневмопреобразователи 3-3 и 4-3; вторичный прибор 3-4 и регулятор соотношения 3-5, выходной сигнал которого поступает на регулирующий клапан 3-6, установленный на трубопроводе подачи ферментсодержащего раствора в осахариватель.

Температура сусла на выходе теплообменника V стабилизируется АСР, которая состоит из термопреобразователя сопротивления 6-1, электронного моста с встроенным ПИ-регулятором 6-2 и регулирующего клапана 6-3, установленного на трубопроводе подачи холодной воды в теплообменник.

Для регулирования уровня массы в осахаривателе используется АСР, датчиком которой служит буйковый уровнемер 5-1. Его выходной пневмосигнал поступает на вторичный прибор 5-2 с регулятором 5-3, который воздействует на регулирующий клапан 5-4, установленный на трубопроводе подачи разваренной массы в вакуум-испаритель. Аналогичная по структуре АСР используется для поддержания уровня сусла в сборнике VI. В этой системе регулятор воздействует на клапан 7-4, установленный на трубопроводе подачи сусла из осахаривателя в теплообменник.

Стадия брожения. Основной стадией производства спирта, на которой образуется целевой продукт, является брожение. Наибольшее распространение имеет непрерывный способ брожения, который осуществляется в батарее ферментаторов (бродильных аппаратов), соединенных последовательно. Перед началом процесса в головной ферментатор I (рис. 10.12) вводят культуру посевных дрожжей-сахаромицетов, выращенных в посевных ферментаторах IV*, и подают поток осахаренного сусла. После заполнения головного ферментатора избыток культуральной жидкости по переливной трубе поступает во второй ферментатор II и т. д., пока не будут заполнены все аппараты батареи. Из последнего ферментатора III культуральная жидкость (бражка) с объемной долей спирта 8--9 % подается в отделение брагоректификации. В посевных ферментаторах IV и первых трех головных бродильных аппаратах микробиологические процессы протекают особенно интенсивно и сопровождаются значительным тепловыделением, поэтому они снабжены теплообменниками и охлаждаются водой.

Основной задачей автоматизации на стадиях дрожжегенерации и брожения является поддержание оптимальной температуры в посевных и головных бродильных ферментаторах. Как объекты регулирования они обладают большой инерционностью и значительным запаздыванием. Температура в каждом аппарате измеряется термопреобразователями сопротивления 1-1, 1-2, 1-3, которые подключены к многоточечному регулирующему электронному мосту в комплекте с блоком задания и блоком реле (1-4 -- 1-6). Выходные сигналы через электропневмопреобразователи 1-7* управляют подачей охлаждающей воды в соответствующие ферментаторы через регулирующие клапаны 1-8 -- 1-10.



Рис. 10.12. Схема автоматизации отделения дрожжегенерации и брожения

При работе системы переключающее устройство моста поочередно подключает к его измерительной схеме один из датчиков температуры, а к регулятору -- один из задатчиков, на котором установлено заданное значение температуры в соответствующем ферментаторе. Если температура отличается от заданного значения, то позиционный регулятор вырабатывает электрический сигнал, преобразуя его в командный пневматический, и открывает или перекрывает подачу охлаждающей воды в теплообменник данного ферментатора.

Для предотвращения инфицирования культуральной жидкости ферментаторы периодически стерилизуют острым паром. Во время стерилизации температура в аппарате значительно превышает верхний предел измерений моста 1-4, что неблагоприятно сказывается на его работе. Для предотвращения «зашкаливания» прибора должна быть предусмотрена возможность шунтирования термопреобразователей дополнительным электрическим сопротивлением на время стерилизации.

Переливы в ферментаторах предотвращаются электронными сигнализаторами уровня 2-1 -- 5-1, включенными в электрическую схему световой и звуковой сигнализации. В ходе брожения выделяются газы, которые в основном содержат СО2, а также пары спирта. Отходящие газы направляются в спиртоловушку, V, которая орошается водой. Пары спирта растворяются в воде, образовавшаяся водно-спиртовая смесь подается в брагоректификационную установку, а СО поступает на переработку в цех углекислоты.

Схемой автоматизации предусмотрено регулирование расхода воды, поступающей в спиртоловушку. Расход измеряется ротаметром 6-1, пневматический выходной сигнал которого подается на вторичный прибор 6-2 с ПИ-регулятором 6-3, управляющим клапаном 6-4 подачи воды.

Для обеспечения безопасных условий работы в бродильном отделении предусмотрены автоматический контроль и регулирование концентрации СО2 в воздухе производственного помещения. Проба воздуха непрерывно просасывается через приемник газоанализатора 7-3, в комплект которого входит также вторичный прибор с регуляторами 7-4, 7-5. Если концентрация ССЬ в помещении превышает предельно допустимую, то включаются электродвигатель привода вентилятора VI, а также световая и звуковая сигнализация (7-4)'.

Стадия выделения спирта из культуральной жидкости (бражки) и его очистка от примесей. Эта стадия является заключительной и осуществляется в брагоректификационных установках (БРУ). Существует несколько вариантов технологических схем БРУ, однако принципы их автоматизации схожи, поэтому в качестве примера рассматривается трехколонная установка косвенного действия (рис. 10.13).

Бражка из бродильного отделения подается в теплообменник I, где нагревается парами спирта и воды, затем поступает в верхнюю часть бражной колонны VI и по тарелкам стекает вниз. Навстречу потоку жидкости поднимаются пары воды и спирта, которые образуются за счет теплоты греющего пара, подаваемого в кипятильник колонны. В результате тепломассообмена концентрация спирта в потоке пара возрастает, а в жидкости уменьшается. Бражка, из которой отогнан спирт, называется бардой. Она отводится из нижней части колонны и, являясь основным отходом спиртового производства, используется либо непосредственно в качестве корма для скота, либо как сырье для производства кормовых дрожжей. Пары спирта и сопутствующих ему примесей выходят из верхней части колонны, охлаждаются в теплообменнике I потоком бражки и окончательно конденсируются в дефлегматоре II, куда подается охлаждающая вода. Очистка спирта-сырца производится в эпюрационной колонне VII, куда на перегонку поступает конденсат спирта-сырца из дефлегматора II. Обогрев колонны производится паром, который подается в кипятильник.

Рис. 10.13. Схема автоматизации трехколонной установки косвенного действия

Температурный режим в эпюрационной колонне рассчитан на разделение спирта, который здесь является высококипящим компонентом смеси, и легколетучих примесей (эфиров, альдегидов, метанола и д.р.), которые концентрируются в верхней части колонне III и выходит из неё в виде эфироальдегидной фракции (ЭАФ).

Очищенный спирт концентрации 20-30% (эппюрат) выводится из нижней части эпюрационной колонны и подается в ректификационную колонну VIII для окончательной очистки и концентрирования. В этой колонне легколетучем компонентом является спирт, основным высококипящим- вода, поэтому концентрация спирта возрастает по высоте колонны. Обогрев этой колонны, как и двух других, производится глухим паром, который подается в кипятильник.

Спирт-ректификат концентрации 96% отбирается с 10-15 тарелок в верхней части колонны и проходит через теплообменник V , где охлаждается водой. Пары спирта выходят через верхнее отверстие и после конденсации в дефлегматоре IV возвращается в колонну в качестве флегмы. Из нижней части колонны отбираются сивушные масла,а ещё ниже отводится вода с остатками спирта.

Брагоректификационное отделение является взрывоопасным помещением, поэтому в нем допускается установка только приборов и средств автоматизации во взрывобезопасном исполнении. В системе автоматизации БРУ использованы преимущественно приборы пневматической ветви ГСП, в том числе вторичные приборы с пневмоприводом диаграммы. Нагрузка БРУ определяется расходом бражки, для регулирования которого служит система, состоящая из комплекта индукционного расходомера (1-1, 1-2),электропневмопреобразователя 1-3, вторичного прибора 1-4 с ПИ-регулятором 1-5 и регулирующего клапана 1-6.

Важным технологическим параметром , определяющим режим работы любой из колонн БРУ, является давление ее нижней части, которой зависит от расхода греющего пара в кипятильник. Для регулирования давления в схеме автоматизации БРУ использована однотипная система, которая состоит из датчиков давления 2-1,5-1,8-1, вторичных приборов 2-2, 5-2, 8-2, с П-регулятором 8-3 или ПИ -регуляторами 2-3, 5-3 и регулирующих клапанов 2-4, 5-4,8-4 на трубопроводах подачи пара в кипятильник соответствующей колонны.

Основным параметром, характеризующим состояние процесса в каждой колонне, является концентрация солевого продукта (спирта) в основном технологическом потоке на выходе из аппарата. Из-за отсутствия серийных датчиков для автоматического измерения этого параметра его непосредственное регулирование невозможно. Однако при постоянном давлении в колонне между концентрацией и температурой кипения жидкости на контрольной тарелке существует однозначная зависимость, которую можно использовать для косвенного регулирования концентрации.

В Бражной колонне температура на контрольной тарелке регулируется двухконтурной (каскадной) АСР. Температура измеряется манометрическим термометром 3-1, пневматический сигнал с выхода которого подается на вторичный прибор 3-2 с ПИ-регулятора 3-3. Сигнал этого регулятора поступает в качестве задания на регулятор 2-3 давления в нижней части колонны. При работе системы, если по каким-либо причинам концентрация спирта в верхней части колонны изменяется, например уменьшается, температура на контрольной тарелке снижается, становясь меньше заданной. Регулятор 3-3 увеличит заданное значение давления для регулятора 2-3 , которая окажется больше текущего значения давления в нижней части колонны. В результате увеличится расход пара в кипятильник и интенсифицируются процесс кипения, а так же все тепломассообменные процессы в колонне, что со временем приведёт к восстановлению требуемого режима ее работы.

Аналогичная по структуре АСР (6-1, 6-2, 6-3) применяется для стабилизации технологического режима в эпюрационной колонне. Отличие состоит в том, что в данной АСР регулируется температура в нижней части колонны, откуда отбирается целевой продукт ( эппюрат). Особенно высокие требования предъявляются качеству регулирования концентрации спирта, отбираемого из ректификационной колонны, поскольку он является конечным продуктом производства. Для этого служит двухконтурная( каскадная) АСР, которая регулирует расход спирта ректификата с коррекции по температуре на контрольной тарелке. Датчиком расхода является ротаметр 9-1, пневматический выходной сигнал которого подается на вторичный прибор 9-2 с П-регулятором 9-3 и далее на регулирующий клапан 9-4.

Температура на контрольной тарелке измеряется манометрическим термометром 10-1, пневмосигнал с которого поступает на вторичный прибор 10-2 с ПИ-регулятором 10-3. Сигнал с выхода этого регулятора подается в качестве задания на регулятор 9-4.

Схемы автоматизации БРУ предусмотрено регулирование расходов охлаждающей воды, подаваемые в дефлегматор всех колонн. При этом расход воды в дефлегматор бражной колонны обеспечивает стабилизацию температуру отходящей нагретой воды (4-1-4-4). В эпюрационной и ректификационной колоннах применены однотипные системы регулирования давления в верхней части колонны, которые состоят из датчиков 7-1 и 11-1, вторичных приборов 7-2и 11-2 с ПИ-регуляторами 7-3 и 11-3 и клапанами 7-4 и 11-4, регулирующими подачу охлаждающей воды в дефлегматор соответствующей колонны.

На ряду со стабилизацией основных технологических параметров брагоректификации системы автоматизации БРУ обеспечивает регулирование и давление пара в коллекторе с помощью регулятора 13 прямого действия «после себя», а так же температуры спирта ректификата после теплообменника V (12-1-12-4). Измерение и учет объема спирта, получаемого из БРУ, а так же содержания в нем чистого алкоголя производится с помощью специального устройства, называемого контрольным снарядом.



2. Технические средства автоматизации

2.1 Средства измерений и их характеристики

Измерение, т. е. нахождение значения физической величины опытным путем, осуществляется с помощью специальных устройств -- средств измерений. Основными видами средств измерений являются измерительные преобразователи и измерительные приборы.

Измерительные преобразователи (датчики) предназначены для получения сигнала измерительной информации, удобной для передачи, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем; измерительные приборы для получения сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

2.2 Погрешности средств измерений

Средства измерений могут быть с успехом использованы лишь только тогда, когда известны их метрологические свойства. Специфической метрологической характеристикой средств измерений является их погрешность. Разность между показанием прибора Xn и истинным (или действительным) значением измеряемой величины х называется абсолютной погрешностью средств измерений ?X:

?X=Xn-X.(1.1)

Отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к истинному значению измеряемой им величины называется относительной погрешностью и выражается в долях или процентах измеряемой величины. Относительная погрешность используется в качестве одной из характеристик точности средства измерений. Величина, равная значению абсолютной погрешности и противоположная ей по знаку, называется поправкой:

C=X-Xn.(1.2)

Метрологической характеристикой точности большинства технических средств измерений являются пределы основной и дополнительных погрешностей. Основной погрешностью называется погрешность средств измерений, используемых в нормальных условиях, определяемых ГОСТами или другими техническими условиями на средства измерений.

Дополнительной погрешностью называется погрешность средства измерений, вызываемая воздействием на него условий при отклонении их действительных значений от нормальных (нормативных) или при выходе за пределы нормальной области значений.

Класс точности средств измерений, являющийся их обобщенной метрологической характеристикой, определяется пределами допускаемых основной и дополнительной погрешностей. Конкретные классы точности устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерений. Чем меньше число, обозначающее класс точности, тем меньше пределы допускаемых погрешностей.

Любое средство измерений и каждый из его элементов могут выполнять свои функции лишь в том случае, когда их выходные (Х_вых) и входные (х_вх) величины связаны между собой устойчивыми зависимостями в различных режимах работы. Различают два основных режима работы измерительных устройств -- статический (установившийся) и динамический (неустановившийся). Оба режима преобразования входной величины в выходную определяются соответственно статическими и динамическими характеристиками. Знание статических и динамических характеристик средств измерений и их элементов наряду с показателями, характеризующими погрешности, имеет большое значение как при собственно измерениях, так и особенно при использовании их в качестве датчиков в системах автоматического регулирования и управления.

Статической характеристикой средства измерений называется функциональная зависимость между выходной и входной величинами в установившихся режимах работы, т. е.

Xвых=f(Xвх) (1.3)

Динамической характеристикой средства измерений и их элементов называется функциональная зависимость между их выходной и входной величинами в динамических условиях преобразования, т. е. в переходных режимах, когда статические зависимости нарушаются в силу присущих всем средствам измерений инерционных свойств разного рода и вида (инерция движущихся масс, частей, теплопроводность и т. п.).

Государственная система промышленных приборов используется в целях наиболее экономически целесообразного решения проблемы обеспечения техническими средствами автоматических систем контроля, регулирования и управления технологическими процессами для разных отраслей народного хозяйства, в том числе отраслей агропромышленного комплекса. По роду энергии, используемой для питания устройств и формирования сигналов, ГСП подразделяется на следующие ветви: электрическую, пневматическую, гидравлическую, а также ветвь приборов и устройств, работающих без источников вспомогательной энергии. Унификация сигналов измерительной информации (определяемая соответствующими стандартами) обеспечивает передачу и обмен информацией, дистанционную связь между устройствами управления, передачу результатов измерений от средств получения информации к устройствам контроля и управления, а также управляющих сигналов к исполнительным механизмам в автоматических системах любой сложности. Из электрических сигналов наибольшее распространение получили унифицированные сигналы постоянного тока и напряжения (0--5 мА; 0--20 мА, 0--10 мВ; --10...0...+10 В и др.). Пневматические сигналы связи (0,02--0,1 МПа) нашли достаточно широкое применение в тех производствах, где отсутствуют повышенные требования к инерционности автоматизируемых процессов и где необходимо учитывать пожаро- и взрывоопасность производств. Гидравлические сигналы характеризуются давлением рабочей жидкости 0,2--0,8 МПа.

К первой группе приборов и устройств ГСП относятся первичные измерительные преобразователи (датчики), измерительные приборы и устройства, которые вместе с нормирующими устройствами, формирующими унифицированный сигнал, образуют группу устройств получения измерительной информации. В связи с большим разнообразием контролируемых и измеряемых параметров, а также огромным количеством конструктивных исполнений измерительных устройств номенклатура средств этой группы является самой многочисленной.

Во вторую группу, входят различные преобразователи сигналов и кодов, коммутаторы измерительных цепей, шифраторы и дешифраторы, согласовательные устройства, а также устройства дистанционной передачи, телеизмерения, телесигнализации и телеуправления.

В третью группу устройств, называемую центральной частью ГСП, входят технические средства, предназначенные для формальной и содержательной обработки измерительной информации и формирования управляющих воздействий: анализаторы сигналов, функциональные и операционные преобразователи, логические устройства, запоминающие устройства, автоматические регуляторы, задатчики всех типов, а также управляющие вычислительные машины и устройства.,, в том числе микропроцессоры, микро- и мини ЭВМ и др. В функциональном отношении эта группа устройств является самой сложной, поскольку они реализуют все алгоритмы автоматического регулирования и управления: от простейших задач стабилизации до автоматизации управления предприятиями или даже целыми отраслями. Устройства четвертой группы (исполнительные устройства) - это электрические, пневматические, гидравлические или комбинированные исполнительные механизмы, усилители мощности, позиционеры и некоторые вспомогательные устройства к ним, а также различные регулирующие органы, которые могут в ряде случаев являться составной частью основного технологического оборудования.

Дальнейшим развитием системы ГСП являются агрегатные комплексы (АК), создаваемые на основе технических средств, входящих в отдельные функциональные группы ГСП, и предназначенные для самостоятельного применения в соответствии с их спецификой.



3. Измерительные преобразователи и приборы для измерения параметров состояния сред

Измерительные преобразователи и приборы этой группы предназначены для получения измерительной информации о таких физических величинах, как температура, давление, расход, уровень и др., которые характеризуют состояние разных технологических сред (твердых, жидких, газообразных), а также машин и агрегатов и их отдельных элементов, деталей и узлов.

Измерение указанных параметров и представление информации об их значениях и изменениях являются абсолютно необходимыми на всех стадиях протекания любых технологических процессов. Ни один технологический процесс не может управляться ни вручную, ни автоматически без получения такой информации с помощью соответствующих технических средств измерений, основанных на использовании различных методов измерений и способов получения результатов измерений.

3.1 Измерение температуры

Температура является одним из важнейших параметров, характеризующих многие процессы пищевой технологии. Для измерения температуры применяется большое количество средств измерения, называемых термометрами.

Термометры расширения. Действие термометров расширения основано на использовании зависимости удельного объема вещества от температуры измеряемой среды, в которую оно помещено.

Жидкостные термометры. Измерение температуры жидкостными термометрами расширения основано на различии коэффициентов объемного расширения материала оболочки термометра и жидкости, заключенной в ней. Оболочка термометров изготовляется из специальных термометрических сортов стекла с малым коэффициентом расширения. Пределы измерения стеклянных термометров от --200 до +750 "С.

3.2 Автоматическое регулирование

Автоматические регуляторы, исполнительные механизмы и регулирующие органы.

Всякая автоматическая система регулирования (АСР) состоит из совокупности объекта регулирования (ОР), измерительного устройства (ИУ), автоматического регулятора (АР), исполнительного механизма (ИМ) и регулирующего органа (РО).

Автоматический регулятор представляет собой устройство, предназначенное для преобразования сигнала от измерительного устройства в соответствии с заданным алгоритмом (законом) управления и усиления его до значений, необходимых для управления исполнительным механизмом, воздействующим через регулирующий орган на объект управления.

По способу действия АР подразделяются на регуляторы прямого и непрямого (косвенного) действия. В регуляторах прямого действия энергия для их работы поступает от самого объекта автоматизации. В регуляторах непрямого действия энергия к их элементам подводится от внешнего источника, что позволяет развивать достаточно большие динамические усилия при перемещении регулирующих органов и обеспечивает возможность территориального разделения объекта, автоматического регулятора и исполнительного механизма с регулирующим органом. Кроме того, регуляторы косвенного действия обладают более высокими быстродействием и точностью.



Структурная схема автоматического регулятора.

По виду подводимой энергии регуляторы подразделяются на электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные. Одной из основных характеристик регуляторов является закон регулирования. Современные регуляторы косвенного действия представляют собой устройства, состоящие из нескольких структурных элементов, основными из которых являются многоступенчатые усилители, сумматоры, модуляторы, умножители и другие блоки, с помощью которых обеспечивается построение схем, обусловливающих формирование регулирующего воздействия в соответствии с алгоритмом управления.

Электрические автоматические регуляторы (автоматические регулирующие блоки), структурная схема которых приведена на рис. 4.1, предназначены для формирования выходного сигнала, подаваемого к электрическому исполнительному механизму АСР.

Автоматический регулятор состоит из узла входных цепей 1, к которому подводятся сигналы от измерительных преобразователей. Далее преобразованные сигналы поступают к сумматору 2, к которому также подводится сигнал, сформированный узлом обратной связи 5. Разность между сигналом обратной связи и сигналом от измерительного преобразователя подается к суммирующему усилителю 3 и далее к узлу 4, с помощью которого формируется управляющий сигнал в соответствии с законом регулирования. Настройки вводятся в регулятор при наладке АСР конкретного объекта автоматизации через узел входных цепей 1.



3.3 Исполнительные механизмы

Электродвигательный исполнительный механизм: а- общий вид, б-электрическая схема включения

Исполнительные механизмы (ИМ), являясь составной частью АСР, предназначены для перемещения регулирующего органа (РО) в соответствии с командой, получаемой от регулятора. При переходе на ручное (дистанционное) управление команда к ИМ подается человеком-оператором с помощью соответствующих органов ручного управления. В зависимости от вида энергии, используемой в ИМ, они подразделяются на электрические, пневматические и гидравлические.

Электрические ИМ. В автоматике в основном используются электромагнитные и электродвигательные электрические ИМ. Основным узлом электромагнитных ИМ является электромагнит постоянного или переменного тока разных форм и конструкций, обеспечивающих его срабатывание при протекании тока по обмотке управления.

Электродвигательные ИМ являются наиболее распространенными. По характеру движения выходного рабочего звена они подразделяются на однооборотные, у которых выходной вал перемещается по дуге окружности (до 360°); многооборотные, у которых выходной вал вращается (более 360°), и прямоходные, выходное звено (шток) которых перемещается поступательно. Электродвигательный ИМ (рис. 4.3) состоит из электродвигателя 3 с электромагнитным тормозом 4, блока 5 с конечными выключателями, червячного редуктора 2 и выходного вала редуктора 1, предназначенного для сочленения с регулирующим органом. Пуск электродвигателя в ту или иную сторону вращения обеспечивается включением контактов 1РБ или 2РБ реле автоматического регулятора. При этом через обмотки В или Н реверсивного магнитного пускателя потечет ток и включатся его главные контакты ВО или НО, с помощью которых включается в сеть электродвигатель ЭД. Блок-контакты В1 и Н1 служат для шунтирования контактов регулятора. Для отключения электродвигателя при достижении выходным валом редуктора крайних положений предназначены конечные выключатели КВО и КВЗ, зажигая при этом одну из соответствующих сигнальных ламп ЛО или ЛЗ. Кнопка К.С служит для аварийного останова электродвигателя.

Пневматические ИМ. Предназначены для работы с пневматическими регуляторами и выпускаются в двух модификациях: мембранные и поршневые. Мембранный исполнительный механизм (рис. 4.4) состоит из следующих основных элементов: корпуса 1 (составлен из двух фланцев), мембраны 2, возвратной пружины 3 и штока 4. Втулка с натяжной гайкой 5 служит для регулирования усилия, развиваемого пружиной.

При подаче давления от пневматического регулятора в надмембранную плоскость мембрана 2 прогибается вниз, тем самым перемещая шток 4, сочлененный с регулирующим органом. Противодействующее усилие и возврат штока в исходное положение при отсутствии давления в надмембранной полости осуществляются с помощью пружины 3.

В поршневых ИМ перестановочное усилие создается давлением рабочей среды в поршневых полостях.



Рис. 3.4. Мембранный исполнительный механизм

Гидравлические ИМ. В них используется энергия рабочей жидкости под давлением. Эти механизмы применяют в АСР, если необходимы значительные усилия для перемещения регулирующего орган.

3.4 Регулирующие органы

Регулирующие органы (РО) предназначены для изменения расхода материальных или энергетических потоков в объект регулирования. Регулирующие органы разделяются на дроссельные, объемные и скоростные.

Дроссельные РО. Эти механизмы обеспечивают изменение расхода среды путем изменения скорости и площади живого сечения потока при прохождении его через дросселирующее устройство, гидравлическое сопротивление которого является переменной величиной. Применяются они в основном для изменения расхода жид-костей, газа и пара, транспортируемых по трубопроводам. Основными типами дроссельных РО являются регулирующие клапаны, шиберы и заслонки.



Рис. 3.5. Односедельный регулирующий клапан

На рис. 3.5 приведена схема односедельного регулирующего клапана, состоящего из корпуса 7 с седлом 1, штока 4 с затвором 3, имеющего запорную (профильную) поверхность 2, а также из сальника 6 с поджимным фланцем 5. Изменение пропускной способности клапана осуществляется путем перемещения затвора 3 вдоль оси прохода седла клапана.

Шиберы или задвижки представляют собой прямоугольную или фигурную пластину, которая перемещается перпендикулярно оси трубопровода и изменяет его проходное сечение. Заслонки выполняются в виде лопастей, помещаемых в регулируемом потоке в трубопроводе. Изменение живого сечения потока среды осуществляется поворотом лопасти заслонок от ИМ.

Объемные РО. Представляют собой устройства с насосами объемного дозирования ,а так же объемные (камерные) питатели, отмеривающие или отсекающие при своём движении определенные объемы жидкости ,газа или сыпучих продуктов.

Скоростные РО. Используются в основном для дозирования сыпучих материалов и продуктов , представляют собой тарельчатые или ленточные питатели, в которых регулирование расхода происходит путем изменения скорости движения ленты или вращающейся тарелки питатели или частоты вращения электропривода.



4. Автоматические системы управления

4.1 Структура автоматических систем регулирования, их классификация и требования, предъявляемые к ним

Технологические процессы (ТП) пищевой промышленности реализуются на соответствующих аппаратах, участках, машинах, называемых объектами автоматизации. Они представляют собой динамические системы, поведение которых во времени определяется текущими значениями ряда характерных технологических величин -- температуры, расхода, уровня, различных качественных показателей. Условием получения качественной продукции является поддержание этих величин на определенных, так называемых номинальных, заданных значениях.

В силу ряда внешних причин (изменение качества и расхода сырья, параметров тепло- и хладагентов и др.) или явлений, протекающих в самом аппарате (изменение условий передачи теплоты через поверхности и др.), указанные величины могут отклоняться от заданных значений, что приводит к нарушению процесса. Все эти воздействия, нарушающие ход ТП, называются-- возмущениями. Следовательно, процессом нужно управлять. Управление -- это целенаправленное воздействие на объект, которое обеспечивает оптимальный или заданный режим его работы. При оптимальном управлении значение регулируемой величины или программа ее изменения заранее не заданы, а определяются в результате решения соответствующей задачи оптимизации. При этом эффективность работы объекта и системы оптимального управления количественно оценивается величиной критерия (показателя) оптимальности, который может иметь технологическую или экономическую природу (производительность установки, себестоимость продукции и т. п).

* Частным случаем управления является регулирование -- поддержание выходных величин объекта вблизи заданных постоянных или переменных значений в целях обеспечения нормального режима его работы посредством подачи на объект управляющих воздействий. Поддержание выходных величин объекта вблизи требуемых значений осуществляется автоматическим регулятором, который является частью динамической системы, называемой автоматической системой регулирования.

Рис. 4.1. Система регулирования температуры в теплообменнике (а) и ее структурная схема (б)

Основным элементом АСР (рис. 4.1) является объект регулирования (ОР) -- технологический аппарат, машина, в которых поддерживается требуемое значение регулируемой величины у, называемой также выходной величиной объекта.; В нашем примере ОР -- теплообменник, регулируемая величина -- температура продукта, выходящего из теплообменника. Температура может отклоняться от заданной под действием возмущений z , например изменения давления греющего пара, изменения начальной температуры и расхода продукта, подаваемого в теплообменник.

Для оценки хода процесса в объекте необходимо иметь измерительное устройство ИУ, вырабатывающее сигнал о текущем значении регулируемой величины в данный момент. Этот сигнал поступает на автоматический регулятор АР, сравнивающий текущее значение регулируемой величины с заданным у_зд, которое вырабатывается задающим устройством ЗУ. При наличии разности между этими величинами (у -- у_зд) регулятор АР формирует сигнал управления хр, который зависит от знака и значение отклонения регулируемой величины от задания. Сигнал управления х_р преобразуется исполнительным механизмом ИМ в перемещение регулирующего органа РО, непосредственно изменяющего значение регулирующей (входной) величины х объекта. Таким образом осуществляется регулирующее воздействие: в нашем случае изменяется подача греющего пара в теплообменник с целью ликвидировать возникшее отклонение температуры от заданного значения.

Необходимо отметить условность понятий «входная» и «выходная» величина и их отличие от входных и выходных потоков в процессе. В нашем примере подача пара и температура продукта не являются входом и выходом теплообменника в технологическом смысле (расход продукта на входе и выходе теплообменника),

При автоматизации технологических процессов используются различные АСР, которые могут быть классифицированы по нескольким признакам., По принципу регулирования АСР делят на действующие по отклонению, возмущению и комбинированные. Наибольшее распространение получили АСР, называемые одноконтурными и работающие по отклонению регулируемой величины у от заданного значения у_зд (рис. 4.2, а). В них при появлении отклонения (у -- у_зд) регулятор вырабатывает регулирующее воздействие на объект с целью привести регулируемую величину к заданному значению. В таких АСР регулирующее воздействие осуществляется независимо от числа, вида и места появления возмущений. АСР по отклонению являются замкнутыми, регулятор в них включен по принципу отрицательной обратной связи, т. е. сигнал, преобразуясь, передается с выхода объекта регулирования на его вход. Примем у_зд = 0, тогда регулируемую величину у (t) будем рассматривать как отклонение от заданного значения.

При регулировании по возмущению (рис. 4.2, б) регулятор АР_в получает информацию о текущем значении основного возмущающего воздействия z₁. При изменении его и несовпадении с номинальным значением z_1зд регулятор формирует регулирующее воздействие х_рв , направляемое на объект. В таких АСР возмущающее воздействие может быть компенсировано еще до появления отклонения на выходе объекта. Обычно такие АСР строят по основному возмущению, например по нагрузке объекта. Нагрузкой является количество энергии или вещества, расходуемого при технологическом процессе в объекте. В контур регулирования такой АСР не поступают сигналы о текущем значении регулируемой величины у, поэтому АСР не реагирует на ее изменения в результате действия других возмущений. АСР по возмущению являются разомкнутыми.

В комбинированных АСР (рис. 4.2, в) совместно используются принципы регулирования по отклонению и по возмущению. В результате удается получить более высокое качество регулирования.

Рис. 4.2. Структурные схемы АСР по отклонению (а), по возмущению (б) и комбинированные (в)

По характеру изменения заданного значения регулируемой величины АСР подразделяются на системы автоматической стабилизации, в которых заданное значение устанавливается постоянным; системы программного управления, в которых заданное значение регулируемой величины изменяется во времени по некоторому заранее заданному закону-программе; следящие системы, в которых заданное значение является функцией внешней независимой технологической величины. Разновидностью следящих систем являются системы регулирования соотношения двух величин, например расходов двух продуктов.



5. Щиты и пульты

Щиты и пульты систем автоматизации предназначены для размещения на них контрольно-измерительных приборов, сигнальных устройств, аппаратуры управления, автоматического регулирования, защиты, блокировки, линий связи между ними. Щиты и пульты устанавливают в производственных или специальных щитовых помещениях -- диспетчерских операторских пунктах.

Основные типы щитов и пультов имеют следующие условные обозначения: щит шкафной с задней дверью ЩШ-ЗД; щит шкафной с задней дверью, открытый с двух сторон, ЩШ-ЗД-О2; щит шкафной с задней дверью, открытый с правой стороны, ЩШ-ЗД-ОП; щит шкафной трехсекционный ЩШ-3; щит шкафной трехсекционный, открытый с двух сторон, ЩШ-3-02; щит шкафной малогабаритный ЩШМ; щит панельный с каркасом ЩПК; щит панельный с каркасом, закрытый с правой стороны, ЩПК-ЗП; щит панельный с каркасом двухсекционный ЩПК-2; пульт П; пульт правый П-П; пульт с наклонной приборной приставкой ПНП.

Щиты шкафные и панельные выпускают двух модификаций, различающихся по числу лицевых панелей в одной секции. Щиты исполнения I имеют в каждой секции две лицевые панели, щиты исполнения II -- три. При проектировании щитов СА ТП рекомендуется в первую очередь применять щиты исполнения II. Фасадные панели этого исполнения наиболее технологичны в изготовлении благодаря минимальным размерам и применению автоматизированного процесса изготовления.

При проектировании систем автоматизации рекомендуется применять: в производственных помещениях щиты шкафные одиночные и многосекционные с задними дверями, а также малогабаритные; в щитовых помещениях эти же щиты используются для установки аппаратуры при наличии особых условий (например, при установке аппаратуры с открытыми токоведущими частями); в диспетчерских и операторских помещениях щиты панельные с каркасом; в щитовых и производственных помещениях пульты в качестве устройств для размещения аппаратуры управления и сигнализации. Компоновка приборов и аппаратуры на фасадных панелях щитов выполняется в соответствии с рекомендациями соответствующих руководящих материалов. Поле I (рис. 5.12) фасадной части щитов является декоративным и не предназначено для установки приборов. Поля II и IV предназначены для размещения самопишущих и регистрирующих приборов, а также органов управления.

На поле III рекомендуется размещать сигнальную арматуру и малогабаритные показывающие приборы. Для наглядности функций контроля и управления технологическим процессом в ряде случаев на щиты наносят с помощью условных символов мнемоническую схему технологического процесса.

Под приборами и аппаратурой в стандартных рамках выполняют поясняющие надписи. На внутренних плоскостях щитов, дверях малогабаритных щитов размещают электро- и пневмоаппаратуру, изделия для монтажа электрических и трубных проводок.

Рис. 6.12. Пример расположения приборов на щите: а -- исполнение II; б -- исполнение I



Основным техническим документом на щиты и пульты управления является чертеж общего вида. Он содержит вид спереди, вид на внутренние плоскости, таблицу надписей, перечень составных частей.



Вывод

Технические устройства, которые применяются в системах управления для автоматизации этих функций, называются техническими средствами автоматизации. Средства, предназначенные для получения информации о состоянии объекта управления, называются средствами измерений.

В пищевой промышленности чаще всего приходится измерять значения следующих технологических параметров: температуры, давления (разрежения) и уровня рабочих сред в аппаратах и машинах; расходов потоков газообразных, жидких и сыпучих материалов, а также состава и показателей качества сырья, полупродуктов и готового продукта.

В зависимости от степени участия человека-оператора в управлении различают следующие системы:

· ручного дистанционного управления, в которых функции переработки измерительной информации, определения необходимых управляющих воздействий и их реализации (с помощью технических средств дистанционного управления) выполняет человек;

· автоматизированные, в которых человек выполняет только часть функций системы управления;

· автоматические, в которых процесс управления протекает без непосредственного участия человека.

Среди автоматических систем наиболее распространены автоматические системы регулирования, которые предназначены для поддержания заданных значений технологических параметров, характеризующих состояние производственного процесса как объекта регулирования.

С появлением новых технических средств автоматизации в виде управляющих вычислительных машин в практику автоматизации производственных процессов вошел принципиально новый тип систем управления - автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП). Широкое внедрение автоматизации пищевых производств позволяет повысить эффективность технологических процессов и обеспечить полную сохранность натуральных свойств исходного сырья, поступающего на переработку.



Список литературы

1. Автоматика и автоматизация пищевых производств. М.М. Благовещенская, Н.О. Воронина, А.В. Казаков, И.К. Петров, Е.А. Прокофьев, Е.М. Раковская.: Агропромиздат,2011-239с. - (Учебники и учеб. пособия для студентов высших учебных заведений).

2. Цифровые системы управления в пищевой промышленности. А.Е. Краснов, Л.А. Злобин, Д.Л. Злобин. Учебник для высших учебных заведений 2009.

3. Благовещенская М.М., Злобин Л.А. Информационные технологии систем управления технологическими процессами. - М.:Высшая школа, 2010.-768с.