Автоматизация технологического процесса изготовления сыра

22

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине

«Автоматизированные системы управления технологическими процессами»

Тема: «Автоматизация технологического

процесса изготовления сыра»

Задание

на выполнение курсовой работы

по дисциплине

«Автоматизированные системы управления технологическими процессами»

студенту учебной группы БТ Антошкину А.А.

Тема: «Автоматизация технологического процесса изготовления сыра»

Основные вопросы, подлежащие разработке и исследованию:

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 сыродельной ванне:

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

-обосновать выбор эталонной модели замкнутой системы и структуры САР;

-синтезировать САР и оценить ее качество.

Исходные данные для расчета САР:

1) Переходная функция ОУ

Время,с	0	5	10	20	40	60	80
hэ(t)	0,000	0,028	0,095	0,263	0,560	0,748	0,857
Время,с	100	120	140	160	180	220	500
hэ(t)	0,919	0,954	0,974	0,985	0,991	0,997	1,000

2) Требования к качеству САР:

Е_у=0 g(t)=1 и f(t)=0.5,

t_p ?60, ? ? 10 %, u_fмакс ? 0,6.

Содержание

Введение

1. Анализ технологической схемы и выбор методов и средств автоматизации

2. Описание ФСА, ее состава и принципа действия

3. Идентификация математической модели сыродельной ванны как объекта регулирования температуры

4. Синтез системы автоматического регулирования температуры в сыродельной ванне

Заключение

Список литературы

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.

В настоящее время большинство 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.

В работе решается задача автоматизации технологического процесса изготовления сыра. Она включает четыре раздела.

В первом разделе приводится анализ технологического процесса изготовления продукции, составляется 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.

В третьем разделе дается обоснование структуры математической модели сыродельной ванны как объекта управления и идентифицируются ее параметры с помощью ЭВМ и метода интегральных оценок.

В четвертом 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.

1. Анализ технологической схемы и выбор методов и средств автоматизации

Схема технологического процесса производства сыра состоит из следующих стадий:

Подготовка молока к выработке сыра: контроль качества и сортировка молока, резервирование, созревание молока при температуре 10-12°С в течение 12-14 часов, нормализация, тепловая обработка, вакуумная обработка, ультрафильтрация молока, перекисно-каталазная обработка.

Подготовка молока к свертыванию: внесение в молоко хлорида кальция, внесение в молоко нитрата калия или натрия, применение бактериальных заквасок и препаратов.

Получение и обработка сгустка: свертывание молока, обработка сгустка и сырного зерна, формование сыра, самопрессование и прессование сыра, посолка сыра, созревание сыра.

При обработке зрелого и части незрелого молока смесь молока насосом направляется через уравнительный бак в секцию рекуперации пастеризационно-охладительной установки. Подогретое в секции рекуперации молоко поступает на сепаратор-нормализатор для очистки и нормализации. После нормализации молоко возвращается в секцию пастеризации, затем охлаждается в секции рекуперации до температуры свертывания и через счетчик направляется в аппарат выработки сырного зерна.

Для свертывания применяют ферменты животного происхождения: сычужный фермент и пепсин. Их вносят в виде раствора.

В течение 15(30),..40(60) мин при температуре 30...35°С происходит свертывание и образование сырного сгустка. Обработка сгустка включает разрезку, постановку, вымешивание, второе нагревание и обсушку зерна.

При разрезке сгусток делится на кубики, наличие которых позволяет увеличить удельную поверхность сгустка. После разрезки сливают до 30% сыворотки. Затем в течение 10. .20 мин проводят постановку сырного зерна, заключающуюся в дальнейшем дроблении сгустка. В конечном счете получают сырное зерно. При постановке необходимо добиваться равномерного по величине сырного зерна. Такое зерно лучше обсыхает, т.е. меньше содержит сыворотки. Однако при неправильной постановке образуется много мелких частичек сгустка - "сырной пыли". При удалении сыворотки эти частички увлекаются вместе с ней. что приводит к потере сыра Для предотвращения образования "сырной пыли" нежный сгусток необходимо дробить медленно, а прочный - быстро.

После постановки зерна проводят вымешивание, которое выполняется перед вторым нагреванием. При вымешивании объем сырного зерна сокращается и оно приобретает округлую форму. Вымешивание зерна для различных сыров длится 15...50 мин. Готовность сырного зерна ко второму нагреванию определяется путем сжатия комка из зерен в руке. Готовое зерно не продавливается между пальцами.

Для ускорения выделения сыворотки после вымешивания проводится второе нагревание. При этом различают два режима: низкого нагревания -температура 38...42°С и высокого нагревания температура - 47...60°С. Перед вторым нагреванием необходимо удалить сыворотку (20-30% массы молока). Продолжительность второго нагревания до низкой температуры 10...20 мин, до высокой - 25...40 мин. Сырное зерно, достигая определенной влажности и кислотности, приобретает округлую форму, уменьшаясь в размере. Готовое зерно должно быть упругим, при сжатии зерна в руке образуется комок, который при легком встряхивании разламывается, а при растирании между ладонями распадается на отдельные зерна.

Затем сырное зерно подвергают формованию, которое осуществляется 3-мя способами: из пласта, наливом и насыпью.

При формовании из пласта разрезанные куски укладывают в формы, помещают под пресс.

При формовании насыпью зерном заполняют формы с помощью дозатора.

Формование наливом смесь разливают по формам.

В процессе прессования продолжается развитие микрофлоры закваски, уплотнение сырной массы, удаляются остатки сыворотки. Продолжительность прессования от 1.5-2 часа до 16-18 часов при температуре воздуха в помещении 18-20°С.

Посолку осуществляют хлоридом натрия. Применяются различные способы посолки: в зерне, рассоле, сухую посолку. После посолки сыр обсушивается и направляется а камеру созревания.

При созревании сыра температура воздуха в камере должна быть 10±21°С, влажность - 92%. В процессе созревания необходимо головки сыра очищать от плесени, мыть, периодически переворачивать. После окончания процесса созревания сырные головки моют на щеточных машинах горячей водой температурой 30-40°С и укладывают на стеллажи для просушки. Можно применять сушильные камеры с температурой теплого воздуха 25°С. После сушки сырные головки направляют на упаковку - в пленку или парафинирование.

Таким образом, необходимо автоматизировать следующие операции в рассматриваемом процессе изготовления сыра:

включение и выключение моторов насосов и мешалки;

регулирование температуры в сыродельной ванне;

определение верхнего и нижнего уровня заполнения молоком сыродельной ванны;

регулирование подачи заданного количества компонентов сыра;

обеспечение заданных временных интервалов технологического процесса (ТП);

индикацию параметров и хода протекания ТП;

дублирование автоматического управления всеми процессами ручным управлением.

2. Описание ФСА, ее состава и принципа действия

Процесс получения сыра - циклический. Каждый цикл определяется временем изготовления заданного объема продукта. Новый цикл начинается оператором нажатием кнопки 1-1, при этом через магнитный пускатель 1-2 включается мотор насоса 1-3. Молоко поступает в блок II, где происходит процессы пастеризации, сепарирования, нормализации молока и охлаждение. После охлаждения следует процесс свертывания молока с помощью сычужного фермента, молочной закваски, смешении продукта с подогретой водой и раствором соли.

Уровень в сыродельной ванне контролируется с помощью первичных измерительных преобразователей уровня (металлических стержней) пустого и полного. Оба этих преобразователя обозначены номером 2-1. Как только молоко заполнит сыродельную ванну до верхнего датчика уровня, электрический сигнал которого подается в регулятор уровня с индикацией 2-2, через магнитный пускатель 2-3 включает мотор мешалки 2-4. Включается система автоматического регулирования температуры, включающей в себя первичный преобразователь 3-1, регулятор со вторичным преобразователем 3-2, преобразователь электрического сигнала в пневматический 3-3 и пневмомотор 3-4, управляющий подачей холодной или горячей воды. Запускается системы автоматической подачи фермента, закваски и раствора соли в сыродельную ванну. Они включают в себя первичные преобразователи расхода 4-1, 5-1, 6-1 регуляторы - переключатели с вторичными преобразователями и интегрированием расходов 4-2, 5-2, 6-2 преобразователи электрических сигналов в пневматические 4-3, 5-3, 6-3 и пневмомоторы 4-4, 5-4, 6-4 управляющие кранами подачи раствора соли, фермента и закваски соответственно. одновременно происходит процесс подготовки воды и внесение ее в определенном количестве. Вода готовится в баке IV. Уровень воды контролируется с помощью первичных измерительных преобразователей уровня (металлических стержней) пустого и полного. Оба этих преобразователя обозначены номером 7-1. Как только вода заполнит бак до верхнего датчика уровня, электрический сигнал подается в регулятор уровня с индикацией 7-2, где сравнивается с задающим сигналом, далее электрический сигнал преобразуется в пневматический в преобразователе 7-3, и открывает или закрывает клапан подачи воды. Далее включается система автоматического подогрева воды. САР системы температуры в баке работает следующим образом. Текущее значение температуры измеряется первичным преобразователем 8-1, электрический сигнал которого подается в регулятор температуры с индикацией 8-2. В нем этот сигнал проходит через вторичный преобразователь и сравнивается заданным значением температуры. На основании сигнала рассогласования вырабатывается электрический сигнал управления, который после преобразования в пневматический сигнал в блоке 8-3 управляет пневмомотором 8-4 открытия крана подачи горячей воды, определяющего через водяную рубашку температуру среды в баке. Вода служит для промывания сырного зерна.

С помощью датчика кислотности 10-1 происходит индикация текущей кислотности. Электрический сигнал подается в регулятор кислотности с индикацией 10-2. В нем этот сигнал проходит через вторичный преобразователь и сравнивается заданным значением кислотности. Как только текущее значение кислотности станет равным задающему, регулятор 10-2 вырабатывает электрический сигнал, который подается в блок 10-5 временной программы культивирования.. По сигналу блока 10-5 через магнитный пускатель 10-3 включается мотор насоса 10-4, который полученный продукт отправляет на прессование, сушку, созревание и далее на фасовку.

Кнопки 1-4, являются кнопкой включения блока оборудования II. Кнопки 2-5, 9-1, 10-6 - дублирующие кнопки включения моторов насосов и мешалки на случай отказа работы автоматики. Лампочки HL1, HL2, HL3, HL4, HL5, HL6 сигнализируют о нормальной работе мотора мешалки и моторов насосов.

Таким образом, функциональная схема автоматизации технологического процесса получения сыра включает следующие элементы автоматизации:

- автоматические регуляторы температуры в сыродельной ванне, в баке подготовки воды;

- автоматические регуляторы-переключатели уровня воды в баке подготовки, молока в сыродельной ванне; подачи заданного количества фермента, закваски, раствора соли, индикацию кислотности;

- схемы включения насосов и мешалок;

- индикацию режимов работы и регулируемых параметров;

- обеспечение заданной временной программы технологического процесса образование сырного зерна;

- дублирование автоматического управления всеми процессами ручным управлением.

3. Идентификация математической модели сыродельной ванны как объекта регулирования температуры

Идентификация структуры и параметров математической модели (ММ) объекта управления (ОУ) системы автоматического регулирования температуры (САРТ) в сыродельной ванне осуществляется на основе полученной экспериментально переходной функции (кривой разгона) h_э(t), представленной в табл.1 и на рис.1.

Текущее значение температуры является выходным сигналом. Входные сигналы: задающее воздействие - заданное значение температуры, возмущение - появление в резервуаре продукта с отличной от заданной температурой, управляющее воздействие - угол открытия крана подачи горячей воды.

Таблица 1

№ точки	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
Время, с	0	5	10	20	40	60	80	100	120	140	160	180	220	500
hэ(t), град.С°	0,000	0,028	0,095	0,263	0,560	0,748	0,857	0,919	0,954	0,974	0,985	0,991	0,997	1,000
hM(t), град.С0	0,000	0,027	0,093	0,262	0,559	0,747	0,857	0,918	0,953	0,973	0,984	0,991	0,997	1,000

Параметры ММ определяем следующим образом:

1) По виду переходной функции на рис. 1, полагаем, что структура ММ ОУ имеет вид:

2) Коэффициент усиления определяем из графика переходной функции h_э(t) и известного условия:

k=h(?)=1,0

Рис .1. Графики переходных функций ОУ

3) Остальные параметры: постоянные времени Т₁, Т₂, -определяем с использованием метода интегральных оценок (ИО), ЭВМ и системы СИАМ.

Схема идентификации модели резервуара в СИАМ с использованием прямых методов оптимизации представлена на рис.2.

Для решения задачи выполняем следующие действия:

В СИАМ набираем схему идентификации модели резервуара с использованием прямых методов оптимизации (рис. 2.).

В окне моделирования выбираем метод Кутта-Мерсона и время конца интегрирования t_K -- 495. Выбранные параметры интегрирования используются в задаче идентификации.

3) Идентифицируем параметры блоков №7:Т₁ и №8: Т_2. Для этого в окне оптимизации выбираем метод покоординатного спуска и определяем интервал неопределенности параметров 0.00001,назначаем целевую функцию (ИО) в блоке №5, выбираем блоки, в которых определяются параметры: выбираем звено №7 и задаем минимальное (1.0) и максимальное (100) значения параметра Т₁, далее выбираем блок №8 и задаем минимальное(1.0) и максимальное (100) значение параметра Т₂.

В результате идентификации в блоках №№ 7, 8 запоминаются искомые значения Т₁ = 16,7, Т₂ = 19,1 с. В дальнейшем значения найденных параметров не изменяем.

4) Далее в окне моделирования рассчитываем переходные функции в системе с найденными параметрами. По таблице выходе блока №4 оцениваем максимальную абсолютную ошибку оценки экспериментальной переходной функции.

Численные значения переходной функции h_M(t) с выхода блока №8 записываем в таблицу 1. и строим график этой функции на рис.1. Как видно, графики переходных функций практически совпадают.

Таким образом, на основании экспериментально полученной кривой разгона системы регулирования температуры в пластинчатом нагревателе определены структура ММ в виде апериодического звена второго порядка и ее параметры:

к = 1, Т₁ =16,7 с, Т₂= 19,1 с

Максимальная абсолютная ошибка оценки экспериментальной переходной функции:

?h_max =0,0056

что свидетельствует о высоком качестве идентификации.

4. Синтез системы автоматического регулирования температуры в сыродельной ванне

Постановка задачи синтеза

В результате идентификации на основании экспериментально полученной кривой разгона найдены структура и параметры математической модели ОУ (Рис.3.).

Будем полагать, что задающее воздействие g(t) - 1, возмущение f(t) = 0,5, y(t) - выходной сигнал (температура). Регулирующий орган - безынерционный: его передаточная функция равна 1.



Рис.3. Математическая модель ОУ

Параметры ее передаточных функций получены в результате идентификации на основании экспериментально полученной кривой разгона, они равны: k₁ =1 , k₂ = 1, T₁ = 16,7 c, T₂ = 19,1c.

Требуется синтезировать САР температуры, удовлетворяющую следующим требованиям: время регулирования t_p < 60с, перерегулирование ?<10%, установившаяся ошибка САР при воздействии задающего сигнала g(t) = 1 и возмущения f(t)=0,5 должна быть равна нулю; максимальное отклонение регулирующего органа при воздействии возмущения u_{f макс} 0,6.

Выбор структуры регулятора

В соответствии с заданием замкнутая САРТ должна быть астатической первого порядка по отношению к задающему воздействию и возмущению. Решить задачу обеспечения астатизма может использование И, ПИ, ПИД - регуляторов.

Для обеспечения заданного времени регулирования, необходимо использовать последовательно включенный П - регулятор.

Методом подбора выбрана структурная схема замкнутой САР, представленная на рис.4. Рассмотрим особенности ее синтеза методом стандартных коэффициентов. Передаточная функция замкнутой САРТ



(1)

Как видно, в знаменателе ПФ САУ (1) число коэффициентов - три (число возможных уравнений, составленных в соответствии с равенством коэффициентов при одинаковых степенях p, равно числу передаточных чисел.

Рис. 4. Структурная схема САРТ

Выбор эталонной модели (ЭМ)

Выбор эталонной модели (ЭМ) осуществляется исходя из требований к качеству замкнутой системы. Так как разомкнутая система имеет порядок равный двум, ЭМ выберем в виде инерционного звена 2-го порядка

(2)

с оптимальным значением относительного коэффициента затухания d_эм = 0.7. В этом случае время регулирования t_Р 3T_эм , а перерегулирование < 5%. Постоянную времени ЭМ выбираем из условия:

(3)

С целью обеспечения требования астатизма ЭМ по отношению к задающему воздействию выбираем

k_ЭМ = k_САУ = 1

Приведем структуру ПФ ЭМ (2) к виду (1), помножив ее знаменатель на множитель (T_М2 p+1), где T_М2 = 0.1 T_ЭМ . Как показывают результаты моделирования при таком изменении ПФ ЭМ ее переходная функция практически не изменяется

(4)

где

Сравнивая полученную ПФ с (1), выписываем уравнения коэффициентов их знаменателей при одинаковых степенях р

Отсюда последовательно определяем:

(5)

(6)

(7)

Синтез САРТ проводим для системы, структурная схема которой изображена на рис.4, по формулам 1- 7. Ниже приведена соответствующая Maple - программа.

Синтез САРТ с помощью ЭВМ и системы Maple-6

Вводим параметры передаточной функции ОУ:

Ввод параметров передаточной функции ОУ:

> T1:=9.7; T2:=35.8; k:=1.0;

Ввод времени регулирования

> tp:=59;

Определение параметров передаточных функций ЭМ

> Tm:=tp*0.95/3.; d:=0.7; Tm2:=0.1*Tm;

> Am2:=Tm*Tm; Am1:=2*Tm*d;

> A3:=Am2*Tm2; A2:=Am1*Tm2+Am2; A1:=Tm2+Am1;

Вычисление передаточных чисел САУ

> k0:=T1*T2/k/A3; k1:=(A1*k0*k-1)/k;

> k2:=(A2*k0*k-T1-T2)/k;

Таким образом, решены следующие задачи синтеза САРТ:

Выбраны структура закона управления в виде ПИД-регулятора и ЭМ в виде колебательного звена с параметрами: к_эм = 1, Т_эм =18,7с, d=0,7.

Методом стандартных коэффициентов определены параметры ПИД-регулятора: к₀ = 0,53, к₁ =13,92, к₂ = 166,39.

Выбраны структура закона управления в виде ПИД-регулятора, параметры которого определены методом стандартных коэффициентов. Численные исследования синтезированной САРТ показали, что она удовлетворяет всем требованиям задания.

Заключение

1. Проведен анализ технологической схемы изготовления сыра и выбраны методы и средства автоматизации. Разработана функциональная схема автоматизации технологического процесса изготовления сыра: автоматические регуляторы температуры в сыродельной ванне, в баке подготовки воды; уровня воды в баке подготовки, молока в сыродельной ванне; подачи заданного количества фермента, закваски, раствора соли, индикацию кислотности; схемы включения насосов и мешалок; индикацию режимов работы и регулируемых параметров; обеспечение заданной временной программы технологического процесса образование сырного зерна; дублирование автоматического управления всеми процессами ручным управлением.

2. На основании экспериментально полученной кривой разгона САРТ в сыродельной ванне определены структура его математической модели и с помощью ЭВМ и системы СИАМ идентифицированы ее параметры.

3. Выбраны структура закона управления в виде ПИД-регулятора, параметры которого определены методом стандартных коэффициентов. Численные исследования синтезированной САРТ показали, что она удовлетворяет всем требованиям задания.

Список литературы

Алейников А.К. Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Автоматика и автоматизация производственных процессов». Саратов: СГАУ им. Н.И.Вавилова, 1995. - 32 с.

Митин В.В., Усков В.И., Смирнов Н.Н. Автоматика и автоматизация производственных процессов мясной и молочной промышленности. -М.: ВО «Агропромиздат», 1987. -240 с.

Инженерные основы биотехнологии \ под редакцией акад. Д.Г. Победимского, М: МИТХ, 2004 г. - 380 с.

Алейников А.К., Киселев В.А., Решетняк Е.П. Исследование систем автоматического управления с помощью ПЭВМ \ Методические указания к лабораторным работам. -Саратов: СГАУ им. Н.И. Вавилова, 2004. - 142 с.

Бородин И.Ф., Судник Ю.А. Автоматизация технологических процессов. - М.: КолосС, 2003. -344 с.

Мамсуров А.Х., Киптелая Л.В. Автоматика и автоматизация производственных процессов в общественном питании. - М.: Экономика, 1986. -271.

Полоций А.М., Лапшинов Г.И. Автоматизация химических производств. -М.: Химия, 1982г. - 226 стр.

Бабкин В.Р. Основы автоматики и автоматизации химических производств. М.: Химия, 1975г.

Голубятников В.А. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности. М.: Химия. 1972г.

Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. - М.: Наука, 1989г. -301 с.