Автоматическая система управления процессом производства восстановленного молока

ГОСТ Р 51232-98. Вода питьевая. Общие требования к организации и методам контроля качества.

1. Расчет устойчивости одноконтурной системы регулирования

W_p(p), W_c(p), W_o(p), W_и(р) - передаточные функции: регулятора, исполнительного механизма, объекта регулирования, измерителя (датчика) соответственно;

?_з, ?, ?_и - заданное, действительное, и измеренное значения регулируемой величины соответственно;

? - возмущающее воздействие.

Вид передаточных функций:

Рис. 1 - Схема автоматической системы регулирования.

Коэффициенты передаточных функций

К_о = 1,9 Т_д = 60

Т_о = 40К_с = 1

Т =45 25

К_р = 10=1

Т_и = 10 =15

1.1 Преобразование структурной схемы

Система будет называться устойчивой, если выведенная из состояния равновесия и представленная самой себе, она возвращается в исходное состояние, т.е. при снятии внешнего воздействия САУ возвращается в то состояние, в котором она находилась до возмущения.

Последовательное соединение звеньев: звенья системы автоматического управления, описывающие динамику отдельныхэлементов, могут соединяться последовательно, когда выход предыдущего звена является входом последующего. При этом результирующая передаточная функция будет равна произведению передаточных функций отдельных звеньев (рис. 1.2).

Рис. 2 - Последовательное соединение звеньев АСР

Для этих звеньев можно записать соотношение:

?(р) = W_p(p)Е(р) ?₁ = W_c(p)?(р)

Результирующая передаточная функция есть отношение операторных изображений выходной величины к входной при начальных нулевых условиях.

Встречно-параллельное включение звеньев: при встречно-параллельном включении звеньев результирующая передаточная функция равна частному от деления передаточной функции прямой связи на единицу плюс/минус передаточную функцию разомкнутого контура, в котором звенья включены встречно-параллельно (рис. 1.3). При этом знак плюс соответствует отрицательной, а минус положительной обратной связи.

Рис. 3 - Встречно-параллельное включение звеньев

Под прямой связью понимается передаточная функция между искомыми переменными по направлению прохождения сигнала без учета главной обратной связи. Для системы, изображенной на рис. 1.1 передаточная функция прямой связи ? и ? есть W_c(p), а между ?_з и ? есть W_p(p)W_c(p)W_o(p). Передаточная функция между ?_з и ? равна единице, поскольку переменными в прямой связи нет динамических звеньев, а есть динамическая непосредственная связь ?_з и ?, на этом основании можно записать:

W¹_зс = ?(р) / ?(р) = W_o(p) / (1+ W_pаз(р));

W²_зс = ?(р) / ?_з(р) = W_p(p)W_c(p)W_o(p) / ?_з(р) (1+ W_pаз(р));

W³_зс = ?(р) / ?_з(р) = 1 / ?_з(р).

Где W_pаз(р) = W_p(p)W_c(p)W_o(p)W_и(р) - передаточная функция разомкнутой САУ. В нашем случае:

W_pаз(р)=W_p(p)W_c(p)W_o(p)W_и(р)=

Используя общее правило записи передаточных функций замкнутой системы, можно записать ее между любыми переменными, при этом знаменатель будет неизменным, изменяться будет только числитель.

Для того чтобы приступить к анализу устойчивости САУ определим вид характеристического уравнения замкнутой системы, для чего приравниваем знаменатель передаточной функции к нулю:

1+ W_pаз(р) = 0;

Пусть W_pаз(р) = В(р) / А(р)=1+(B(p) / A(p))=0

B(p)=

А(р) =

Сложим В(р) и А(р)

A(p)+B(p)=

1.2 Алгебраический критерий устойчивости Гурвица

Если характеристическое уравнение САУ имеет вид , то САУ будет устойчива, если С₀ ? 0, будут положительны все главные диагональные миноры определителя Гурвица до n-1 порядка.

Определитель Гурвица составляется следующим образом: по диагонализаписывают коэффициенты от С₁до С_n, над диагональю записываются коэффициенты с возрастающими индексами, под диагональю - с убывающими, недостающие коэффициенты заменяются нулями.

Критерий Гурвица удобен для исследования систем с характеристическими уравнениями невысокой степени (до пятой). При высокой степени характеристического уравнения или при наличии звена чистого запаздывания, когда характеристическое уравнение становится трансцендентным из-за члена вида е^-р?, удобнее, а при трансцендентном характеристическом уравнении единственно возможным, являются частотные критерии, обладающие простой геометрической интерпретацией.

Составим определители:

Вывод: после расчета алгебраического критерия Гурвица можно сделать вывод, что АСР является не устойчивой, т.к. ?₃и ?₂ < 0

1.3 Частотный критерий устойчивости Михайлова

Если в характеристическое уравнение С₀ рⁿ + С₁ р^n-1 + …+С_n-1р + С_n = 0 подставить выражение р = j?, то получим годограф Михайлова:

G (j?) = С₀ (j? - р₁) (j? - р₂) … (j? - р_n) = С₀ (j?)ⁿ + С₁ (j?)^n-1 + … + С_n

САУ будет устойчива, если годограф Михайлова, начинаясь на положительной вещественной полуоси, последовательно проходит в положительном направлении (против часовой стрелки) n квадрантов при изменении ? от 0 до + ?, где n - степень характеристического уравнения.

Если годограф Михайлова проходит через начало координат, то САУ находится на границе устойчивости. При этом если он начинается с нуля, то этоуказывает на наличие нулевого корня, если годограф начинается на положительной вещественной полуоси, но затем проходит через начало координат, то это означает наличие мнимых корне в характеристическом уравнении.

Если годограф Михайлова не последовательно проходит квадранты комплексной плоскости или не проходит n квадрантов, то САУ не устойчива.

Таким образом, критерий устойчивости Михайлова позволяет не только анализировать устойчивость замкнутых и разомкнутых САУ, но и находить число неустойчивых корней.

Расчет частотного критерия Михайлова:

Запишем выражение годографа Михайлова

G(p) =

G(jw)=

Для облегчения построения G(j?) при изменении ? от 0 до + ?, найдем точки его пересечения с вещественной и мнимой осями комплексной плоскости. Для этого представим G(j?) в виде вещественной и мнимой частей:

G(j?) = Re(?) + jJm(?) = 20 - 3075?² + j(174? - 94500?³)

Для определения точек пересечения годографа Михайлова с вещественной осью приравниваем нулю мнимую его часть:

174? - 94500?³ = 0,отсюда

?₁ = 0, ?_2,3 = = 0,002

Подставив значения ?₁ и ?₂в вещественную часть G(j?), находим

Re (?₁) = 20-3075?0=20

Re (?₂) = 20-3075?(²=20-3075?(0,002)²=19,9877

Вещественную часть принимаем равной нулю:

20- 3075 ?²= 0;

?₃ = == 0,080664778

Подставив значение ? ₃ в мнимую часть G(j?), получим

Jm(?₃)=174?-94500()²=14,0327137-614,634142=-600,60143

Поскольку ? ₂ ? ?₃чередуемость корней не соблюдается, значит, система управления неустойчива.

Рис. 4 - Годограф Михайлова.

Вывод: после расчета частотного критерия устойчивости Михайлова справедливым можно считать утверждение о том, что исследуемая САУ является не устойчивой, т.к. построенный годограф Михайлова не последовательно проходит 3 квадранта при изменении ? от 0 до + ?.

2. Проектирование системы автоматического контроля и регулирования процессом производства восстановленного молока из молока сухого цельного

Функциональная схема автоматизации даст представление о функционально-блочной структуре системы автоматического управления, регулирования, контроля, сигнализации, защиты технологического процесса или установок и определяет объем оснащения автоматического объекта аппаратурой автоматики.

2.1 Описание технологического процесса

В данной курсовой работе рассматривается процесс производства пастеризованного восстановленного молока. Его получают из сухого цельного молока, растворяя в соответствующем объёме питьевой воды и обрабатывая также, как и свежее натуральное молоко.

Технологический процесс восстановленного молока предусматривает операции:

- приёмку,

- подготовку сырья,

- растворение сухих молочных продуктов,

- охлаждение,

- выдержку,

- подогрев,

- очистку,

- гомогенизацию,

- пастеризацию,

- охлаждение,

- розлив.

. Рис. 5 Схема технологического процесса производства коровьего пастеризованного молока: 1 - насос для молока, 2 - счетчик для молока, 3 - резервуар для молока, 4 - пластинчатая охладительная установка, 5 - уравнительный бачек, 6 - пластинчатая пастеризационно-охладительная установка, 7 - сепаратор, 8 - гомогенизатор, 9 - трубчатая пастеризационно-охладительная установка, 10 - резервуар для смешения.

Сухое цельное молоко растворяют в воде при температуре около 38⁰С, но не выше 45⁰С, в специальных установках. При небольших объёмах производства сухое молоко можно восстанавливать в пастеризационных ваннах или других ёмкостях, обеспечивающих подогрев воды и перемешивание. После восстановления молоко необходимо очистить от не растворившихся комочков при помощи металлических сит или фильтров. Восстановленное молоко охлаждают до 6-8⁰С и выдерживают при этой температуре не менее 3-4ч в закрытых ёмкостях для набухания белков, устранения водянистого вкуса и достижения требуемых плотности и вязкости. Дальнейшие операции гомогенизации, пастеризации и розлива восстановленного цельного молока осуществляют также, как и пастеризованного.

2.2 Описание установки

2.2.1 Установка для растворения сухих молочных продуктов Я16 - ОПЖ

Установка для растворения сухих молочных продуктов Я16 - ОПЖ (рис.6) получила широкое распространение. Она состоит из следующих основных частей: бункера, дозатора, камеры смачивания, камеры растворения, привода. Все части закреплены на раме, выполненной из швеллера в виде сварной конструкции.

Бункер установки служит для приёма сухого молока. Он изготовлен из нержавеющей стали и крепится фланцевым соединением к дозатору. Дозатор состоит из цилиндрического корпуса, внутри которого находится вал с шестью лопастями. Частота вращения дозатора постоянная, обеспечивающая равномерную подачу молочного порошка в камеру смачивания.

Камера смачивания состоит из внешнего и внутреннего цилиндров сварной конструкции, выполненных из листовой нержавеющей стали. Во внешний цилиндр тангенциально поступает горячая вода температурой от 40 до 50⁰С в количестве не менее 19м³/ч. Сухой молочный порошок поступает через внутренний цилиндр. Камера растворения сухого молока выполнена в виде горизонтального цилиндра, внутри которого расположена лопастная мешалка. Механическое воздействие на водо-молочную смесь повышает эффективность растворения.

Установка работает следующим образом. Сухой молочный порошок загружают в бункер, из которого он попадает в дозатор, обеспечивающий постоянный расход порошка в количестве не менее 7т/ч. Из дозатора порошок поступает в камеру смачивания и смешивается с горячей водой в пропорции, обеспечивающей содержание сухих веществ 24-26%. Затем водо-молочная смесь поступает в камеру растворения, где интенсивно перемешивается мешалкой. Частота вращения мешалки составляет 11,7с^-1. Полученную гомогенную смесь откачивают насосом для дальнейшей переработки. В камере растворения предусмотрен узел разделения и дробления нерастворившихся комочков и возврата их по трубопроводу в камеру растворения на повторную обработку. Этот узел представляет собой крыльчатку, установленную на конце вала мешалки.

Рис. 6. Установка Я16-ОПЖ для растворения сухих молочных продуктов: 1 - рама; 2,8 - приводы мешалки и дозатора; 3 - камера растворения; 4 - камера смачивания; 5 - корпус дозатора; 6 - бункер; 7 - кожух; 9 - дозатор; 10 - трубопровод горячей воды; 11 - мешалка.

Таблица 1. Техническая характеристика установки Я16-ОПЖ для растворения сухих молочных продуктов.

2.2.2 Емкость для хранения молока Nikos

Назначение

Емкость для молока разработана для хранения сырого или пастеризованного молока, а также других жидких продуктов, используемых в технологическом процессе. Устанавливается на открытых или закрытых площадях в горизонтальном или вертикальном положении.

Интеграция

Емкость для молока используется на приемных участках предприятий, на участках обработки сырья, а так же как вспомогательный буферный сосуд в различных производственных отраслях.

Принцип работы

Во избежание пенообразования емкость для молока наполняется через нижний патрубок. Когда резервуар заполнен до верхнего уровня, включается перемешивающий механизм, обеспечивающий целостность продукта.

Одинаковая температура внутри резервуара достигается благодаря равномерному перемешиванию продукта, исключая возможность отделения жира. Работа перемешивающего устройства настраивется в зависимости от технологии производства. Емкость для молока обладает термоизоляционными свойствами. Во время наполнения и опорожнения резервуара работает датчик уровня.

Рис. 7. Емкость для хранения молока Nikos

2.3 Описание схемы автоматизации

Схема автоматизации управления технологическим процессом восстановленииия молока включает в себя контур управления уровнем жидкого вещества в резервуаре. Управление уровнем в резервуаре осуществляется по закону П - регулирования, по средствам измерителя ПИД - регулятора, с обнуленными интегральной и дифференциальной составляющими соответственно.

Для измерения уровня в резервуаре установлен датчик контроля уровня восстановленного молока (поз.1-1). По мере заполнения резервуара при соприкосновении датчика с жидкостью происходит замыкание (через сопротивление жидкости), после чего электрический сигнал поступает на устройство контроля уровня (поз. 1-2), установленное на щите управления. Устройство контроля уровня в свою очередь формирует управляющее воздействие, посредством которого осуществляется управление пневматическим приводом управляющего клапана NLR (поз. 1-3).

Для контроля уровня сухого молока в установке Я16-ОПЖ установлен датчик сыпучего вещества (поз.2-1). Сухое молоко при поступлении в бункер установки задевает вращающуюся лопасть датчика. Достигая измерительной лопасти, сухое молоко препятствует ее вращению. Вызванный обратный крутящий момент используется для срабатывания микропереключателя, дающего соответствующий электрический сигнал для остановки двигателя.Этот сигнал фиксируется устройством контроля уровня(поз.2-2), установленным на щите.

2.4 Выбор и обоснование средств контроля и регулирования

Поз. 1-1- Овен ДСП.3

Датчик уровня кондуктометрический 3-стержневой

Датчик уровня ДСП.3 предназначен для контроля двух или трех* уровней жидкости в резервуарах открытого и закрытого типа. Датчики предназначены для комплектации приборов контроля уровня жидких, электропроводных сред, не агрессивных к материалу датчиков.

Рис. 8. Датчик уровня Овен ДСП.3

Основные технические характеристики

* Напряжение, подаваемое на электроды датчика:

- постоянного тока - не более 24 В;

- переменного тока - не более 24 В с частотой 50 Гц.

* Максимальное рабочее давление, Р - 0,098 (1,0) МПа (кГс/см 2 ).

* Максимальная температура, Т - 100 ⁰С.

* Устойчив к воздействию температуры окружающей среды от -55 до +85⁰ С.

* Устойчив к воздействию относительной влажности окружающего воздуха 100 % при температуре 400⁰С.

* Защищенность от воздействия пыли и воды соответствует

степени защиты IP54.

* Выдерживает воздействие вибрации в диапазоне частот от 5 до 80 Гц при амплитуде смещения 0,075 мм и амплитуде ускорения 9,8 м/с?.

* Устойчив к воздействию ударов с пиковым значением ускорения до 50 м/с? и длительностью ударного импульса от 0,5 до 30 мс.

* Герметичен при рабочем давлении в температурном диапазоне от -55 до +85 ⁰С.

* Длина подсоединяемых электродов - 0,5 м.

* Диаметр подсоединяемых электродов - 3 мм.

* Соединительная резьба подсоединяемых электродов - М3?0,5.

* Присоединительная резьба - трубная цилиндрическая G1/2.

* Материал головки датчика: пластик.

* Материал разделительной шайбы: пластик.

* Материал стержней: нержавеющая сталь 12Х18Н10Т.

* Материал защитного колпачка: термоэластопласт.

* Срок службы - не менее 12 лет.

Поз. 1-2и 2-2.Устройство контроля уровня САУ-М7.Е

Рис. 9. Устройство контроля уровня САУ-М7.Е

Обеспечивает контроль уровня жидких или сыпучих материалов в резервуаре.

Может управлять заполнением, осушением или поддержанием уровня в отопительных котлах, водонапорных башнях, зернохранилищах и т.п.

* Контроль уровня жидких или сыпучих материалов по трем датчикам.

* Подключение датчиков уровня широкого спектра.

* Работа в режиме заполнения или опорожнения резервуара.

* Ручной или автоматический режим управления электроприводом исполнительного механизма (насоса, транспортера, электромагнитного клапана и т. п.).

* Сигнализация об аварийном переполнении или осушении резервуара.

* Работа с различными по электропроводности жидкостями: водопроводной, загрязненной водой, молоком и пищевыми продуктами (слабокислотными, щелочными и пр.).

Контроль уровня осуществляется при помощи трех датчиков, которые устанавливаются пользователем в резервуаре на заданных по условиям технологического процесса отметках: нижней, промежуточной, верхней.

Основными элементами прибора САУ-М7E являются:

* 3 входных компаратора, предназначенных для обработки сигналов датчков уровня;

* регулятор чувствительности, изменяющий уровень опорных сигналов компараторов (для кондуктометрических датчиков);

* коммутаторы, определяющие режимы работы прибора;

* блок логики, формирующий сигналы управления выходным реле РАБОТА;

* выходные электромагнитные реле ВЕРХ и РАБОТА, управляющие исполнительными механизмами.

Таблица 2. Технические характеристики устройства контроля уровня САУ-М7.Е

Таблица 3. Условия эксплуатации устройства контроля уровня САУ-М7.Е

Рис. 10 Поз.1-3 Регулирующий клапан NLR

Применение

Клапан NLR представляет собой односедельный регулирующий клапан пропорционального пневмопривода, спроектированный для контроля потока в установках фармацевтической, молочной и пищевой промышленностей, а также в производстве напитков и в промышленности тонкой химии. Клапан широко используется для контроля давления, потока, уровня жидкости в ёмкости и т.д.

Принцип работы

Позиционный датчик моментально контролирует положение привода и удерживает в положении, определённом оператором (функция PD) или параметром процесса (PID). Рабочее положение может быть запрограммировано: - Посредством стандартного сигнала, посылаемого, например, сенсором. 4...20mA или от 0 до 10V. - Посредством регулятора, встроенного в позиционер. Сигнал посылается посредством клавиатуры.

Поз. 2-1. Датчик уровня Rotonivo

ROTONIVO -- это электромеханический датчик предельного уровня, предназначенный для контроля уровня сыпучих продуктов.

Принцип работы

Низкооборотный синхронно-индукционный зубчатый двигатель приводит в движение вращающуюся измерительную лопасть, которая размещается внутри контейнера.

Достигая измерительной лопасти, контролируемый загружаемый материал препятствует ее вращению. Синхронно-индукционный двигатель свободно подвешен внутри корпуса. Вызванный обратный крутящий момент используется для срабатывания микропереключателя, дающего соответствующий электрический сигнал для остановки двигателя . Когда из-за снижения уровня материала лопасть снова освобождается, пружина оттягивает двигатель назад в его рабочее положение, микропереключатель возвращается в первоначальное положение и двигатель включается. В этом случае электрический выходной сигнал переключается.

Рис. 11. Схема работы датчика уровня Rotonivo

Заключение

Автоматизация производства - процесс, при котором функции управления и контроля, передаются приборам и автоматическим устройствам.

В данной курсовой работе была разработана схема автоматизации управления технологическим процессом производства восстановленного молока из молока сухого цельного, которая включает в себя контур управления уровнем жидкого вещества в резервуаре и контроля уровня сыпучего вещества в бункере установки Я16-ОПЖ. Была произведена проверка устойчивости системы по алгебраическому критерию устойчивости Гурвица и частотному критерию устойчивости Михайлова. Так как оба метода показали одинаковые результаты, то можно сделать вывод о том, что система является неустойчивой.

Главная цель автоматизации производства заключается в повышении производительности труда, улучшения качества выпускаемой продукции, создании условий для оптимального использования всех ресурсов производства.

Широкое применение автоматизированных систем управления обуславливается значительным экономическим эффектом, который достигается благодаря: уменьшению потерь ценных продуктов, снижению трудоемкости процессов производства, повышению культуры производства.

Таким образом, автоматизация производства молочных продуктов направлена на повышение эффективности производства и обеспечение высокого качества выпускаемой продукции.

Спецификация

Список литературы

1. Задание и методическое пособие на курсовую работу по курсу «Автоматика и автоматизация производственных процессов», под редакцией В.И. Пугачева, Краснодар, издательство КПП, 1989г.

2. Учебное пособие студентов ВУЗов «Автоматика и автоматизация пищевых производств», М.М. Благовещенская, Москва, ВО «АГРОПРОМИЗДАТ», 1991г.

3. Справочник технолога молочного производства, том 1 ,,Цельномолочные продукты. Производство молока и молочных продуктов”, Л.И.Степанова, Санкт-Петербург, ГИОРД, 1991г

Размещено на Allbest.ru