Термин «экструзия» (extruslo - выталкивание) впервые был использован для описания процесса получения изделий из пластмасс и резиновых смесей в экструдере - машине, предназначенной для размягчения (пластификации) материалов и придания им определенной формы. В пищевой промышленности метод экструзии впервые был опробован в макаронном и кондитерском производствах. Большие успехи в технике и технологии экструдирования были достигнуты в Италии и Швейцарии, что позволило организовать производство экструдированных пищевых продуктов. В послевоенные годы в США началось изготовление экструдеров, конструкция и принцип работы которых сохранились до настоящего времени.

Один из первых экструдеров, использованный еще в 1868 г. в Англии для производства колбас, производил в основном только интенсивное смешивание мясного фарша и формирование готовых изделий без термохимического воздействия на сырье. В конце 40-х годов XX века была разработана технология варочной экструзии, которая обеспечивала необратимые изменения сырья, в частности, почти полную клейстеризацию крахмала. Настоящий бум развития техники и технологии экструдирования в Европе и Новом Свете пришелся на 60-е годы: более 40 разных фирм освоили производство техники для разнообразных видов сырья и разработки продуктов с различными физико-химическими и функциональными свойствами; были разработаны теоретические основы холодной и горячей экструзии.

На сегодняшний день различными видами экструзии получают ингредиенты кормов для домашних птиц, животных, рыб, кондитерские изделия (шоколад, конфеты, печенья, жевательную резинку), продукты детского и диетического питания, воздушные крупяные палочки (кукурузные, рисовые, перловые и т.д.), компоненты овощных консервов и пищеконцентратов, широкий диапазон макаронных изделий.

Метод экструзионной обработки позволяет получить ряд преимуществ:

· интенсифицировать производственный процесс;

· повысить степень использования сырья;

· получить готовые к применению пищевые продукты или создать для них компоненты, обладающие высокой сгущающей водо- и жироудерживающей способностью; снизить производственные затраты (расходы тепла, электроэнергии);

· снизить трудовые затраты;

· расширить ассортимент пищевых продуктов;

· повысить усвояемость;

· снизить микробиологическую об-семененность продуктов;

Современное экструзионное производство представляет собой систему различных аппаратов, действующих в разных режимах и выполняющих различные функции.

Непрерывный рост производства пищевой продукции (получаемой методом экструзии), повышение требований к ее качеству, а также поточность технологических процессов создали условия для внедрения средств автоматического контроля и управления.

Комплексной автоматизации экструзионного производства уделяется большое внимание. Основное место в технологической схеме экструзионного производства занимает процесс непосредственно экструзии, одной из основных операций, определяющих качество готового продукта.

Основная задача автоматизации экструзионного производства состоит в обеспечении максимальной производительности экструдеров и заданного качества производимого продукта. Одновременно автоматизация позволяет решать задачи повышения уровня организации производства, оперативности управ-ления технологическими процессами и в целом повышения экономической эффективности производства. Одним из важнейших направлений совер-шенствования управления является создание автоматических систем с применением вычислительной техники.

Автоматическая система управления экструзией является качественно новым этапом комплексной автоматизации производства и призвана обеспечить существенное увеличение производительности труда, улучшение качества выпускаемой продукции и других технико-экономических показателей экструзионного производства.

Автоматическое управление экструзией заключается в автоматическом поддержании заданной производительности экструдера и соблюдение технологии производства.

Особенностью построения автоматической системы управления(АСУ) является системный подход ко всей совокупности технологических и управленческих вопросов. Специалист по автоматизации систем управления технологическим процессом (АСУ ТП) должен владеть теорией автоматического управления, разбираться в конструкции агрегатов и основах технологии, достаточно свободно ориентироваться в работе цифровых вычислительных машин, их математическом и алгоритмическом обеспечении, уметь правильно применять технические средства информационной и управляющей техники.

В АСУ ТП воплощены достижения локальной автоматики, систем централизованного контроля, электронной и вычислительной техники. Кроме того, АСУ ТП производят общую обработку первичной информации в темпе протекания технологического процесса, после чего информация используется не только для управления этим процессом, но и преобразуется в форму, пригодную для использования на выше стоящих уровнях управления для решения оперативных и организационно-экономических задач.

Внедрение АСУ ТП, как и любое нововведение, связано с определенными трудностями и затратами. На этапе освоения проявляются недостатки отдельных элементов вычислительного комплекса, погрешности примененных алгоритмов управления, недостаточная адаптация персонала к условиям работы с помощью вычислительной техники и другое.

При разработке данного проекта так же была проведена работа по подбору реально существующих узлов и агрегатов, позволяющая внедрить данную АСУ ТП в производство.

Целью данного дипломного проекта является разработка современной АСУ ТП процессом производства пищевой продукции методом экструзии с использованием технических средств на базе программируемых микроконтроллеров и персональных компьютеров. Разработка структурной и на ее основе, функциональной и принципиально-электрических схем. Рассматриваются также вопросы по безопасности жизнедеятельности, охране труда и экономической эффективности.

1 Литературный обзор существующих систем автоматизации процесса пищевой экструзии

экструзионное производство супервизорная автоматизация

Непрерывный рост производства пищевой продукции (получаемой методом экструзии), повышение требований к его качеству, а также поточность технологических процессов создали условия для внедрения эффективных средств автоматического контроля и управления и поставили задачу повышения уровня автоматизации. Автоматическое управление внедряют практически на всех участках производства. Автоматизируются процессы транспортировки, дозирования и загрузки сырья, получают развитие новые, более совершенные способы контроля и управления процессами передвижения сырья в экструдере и его преобразования в готовый продукт.

Применение АСУ ТП повышает оперативность управления экструзионным процессом, обеспечивает рациональное его ведение и облегчает труд операторов производства. Благодаря внедрению автоматизации практически исключается контакт человека с производственными агрегатами, что немаловажно с точки зрения безопасности производства. Повышение качества продукции создает благоприятный экономический эффект.

На современном этапе автоматизации экструзионного процесса применяются стабилизирующие системы управления процессами экструзии, выполняющие следующие функции: обеспечение непрерывного потока сырья, регулирование влажности в гильзе экструдера, стабилизации температуры, оптимизации процесса экструзии.

Результаты промышленной эксплуатации подтвердили техническую и экономическую целесообразность применения микропроцессорных систем для АСУ ТП нижнего и среднего уровня в экструзионном производстве.

Экструзионное производство как пищевое, так и в целом является достаточно традиционным, а технология - отработанной. Одним из основных технологических процессов, при производстве продуктов питания, является процесс экструзии, который представляет из себя процесс преобразование сырья методом нагрева и смешивания с водой, совмещенный с процессом передвижения оного по капсуле экструдера до матрицы, где происходит выдавливание продукта. По мере развития технологии экструзионного производства совершенствовались методы оптимизации технологических процессов. Параллельно проводились научные исследования в области математического моделирования экструзионного процесса. Однако их практическое использование относится только к началу 70х гг. и связано с успехами в области вычислительной техники. Стали коммерчески доступными пакеты для моделирования и анализа отдельных стадий экструзии. Данные пакеты нашли применение на Западе в фирмах-изготовителях оборудования для пищевого производства; различных исследовательских центрах. На сегодняшний день у нас нет информации о сколь-нибудь значительных исследованиях в данной области в России. В пищевом производстве методом экструзии, инструменты поддержки принятия решения практически не используются. Это касается всех аспектов производственного цикла: подбора сырья, технологических режимов и оснастки и т.д. До определенного момента такой уровень технической оснащенности удовлетворял потребности производства.

Ситуация изменилась с появлением более высоких технологических запросов к экструзионному процессу, относящихся к новым областям применения, в том числе к производству высококачественных продуктов питания, что потребовало с одной стороны освоения новых областей знаний.

На практике решение задачи изготовления изделия с заданным набором свойств (качеств) сводится к следующему. Для каждого случая новой рецептуры (состава сырья), необходимости изменения свойств изделия (к примеру, плотности и т.д.), применения нового материала (не обязательно типа материала, это может быть например зерно, но другого сорта), на основе нескольких предельно простых соотношений рассчитываются параметры формующего инструмента. Подбор режимов экструзии проводится эмпирически и на основе некоторых, достаточно очевидных, рассуждений. Изготовленная продукция подвергается определенному набору контрольных операций и испытаний. При необходимости те или иные параметры и режимы корректируются. Таким образом, процедура оптимизации, являющаяся по сути итерационной, продолжается до достижения необходимого результата.

Подход к проблеме может быть в значительной степени усовершенствован применением адекватных реальному процессу математических моделей. Действительно, в области математического моделирования достигнуты значительные успехи, существуют и модели и программные продукты на их основе позволяющие «описывать» отдельные составляющие экструзионного процесса. Ряд исследователей среди этих под-процессов выделяет движение и «клестеризация» продукта в шнеке экструдера и такой подход обусловил появление таких пакетов как EXTRUCAD, REX и т.д. Авторы считают наиболее важным рассмотрение процессов, происходящих в голове экструдера, в его формующей части. Достаточно подробно уравнения, описывающие движение и «клестеризацию» материала в каналах различной формы, и методы их решения рассматриваются в ряде узко-специализированных источников, например[1].

2 Описание технологического процесса

2.1 Производственные операции, осуществляемые на экструзионном производстве

Варочный экструдер - машина для размягчения материала, его варки и придания ему формы путём продавливания через профилирующий инструмент (т. н. экструзионную головку), сечение которого соответствует конфигурации изделия. С помощью экструдера изготавливают чипсы, снеки, хлопья и пр.

Работа экструдера заключается в следующем: исходный материал в виде муки (текстурата) загружается в бункер экструдера из которого он поступает в межвитковое пространство шнека и перемещается внутри материального цилиндра. По мере продвижения вдоль цилиндра, мука смешивается с водой, под действием механической энергии вращения шнека и тепловой энергии электрических нагревателей, достигается «клестерообразная» структура исходного материала, а вода благодаря высокому давлению находится в жидком состоянии, далее полученная масса выдавливаются через формующую головку необходимого профиля.

Задачей экструзионного процесса является производство высококачественного продукта, обладающего заданными технологическими параметрами.

Производственные операции, осуществляемые на экструдерной линии, иллюстрирует схема на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Технологическая схема экструдерной линии

Сухие ингредиенты подаются в прекондиционер, где они нагреваются паром, смешиваются и проходят предварительную варку. Затем смесь попадает в двушнековый экструдер-варщик 1. Продукт обрабатывается, перемещаясь по нарезкам шнеков, охлаждается перед выходом из матрицы, где он режется на паллеты. Перед формировкой на вальцах 4 или режущей вальцевой системе паллеты кондиционируются. Горячий воздух продувается через паллеты в сушилке 2. Это приводит к подсушиванию их поверхности, что предотвращает их последующее слипание. Содержание влаги снижается до конечного значения после обработки в тостере 5.

2.2 Характеристика и конструкция экструдера

Производство продуктов питания методом экструзии происходит на специальных машинах «экструдерах». Общий вид экструдера представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Общий вид экструдера

1 - Пульт управления; 2 - Шкаф управления; 3 - Электродвигатель привода шнека; 4 - Муфта соединительная; 5 - Редуктор; 6 - Насос-дозатор питьевой воды; 7 - Дозатор сухих компонентов; 8 - Опорный узел; 9 - Нагреватели; 10 - Узел экструзии; 11 - Матрица формообразующая;

Характеристика экструдера «ШТАК-73» для которого выполняется проектирование:

Количество рабочих шнеков - 2

Диаметр шнека - 88 мм

Длина рабочей зоны - 1500 мм не менее

Расстояние между валами шнеков - 72,5

Количество датчиков температуры - 4

Мощность главного привода - 90 кВт

Мощность нагревателей - 4 х 6 кВт

Мощность главного привода - 90 кВт

Установленная мощность - 120 кВт

Диапазон скоростей вращения рабочих шеков - 0-400 об/мин

Диапазон скоростей вращения шнеков дозатора - -400 об/мин

Производительность по кукурузной крупке - 300=350 кг/час не менее

Производительность по соевуму текстурату - 350-450 кг/час

Общая масса - 2800 кг не более

2.3 Процесс экструзии на экструдере

В основе метода варочной экструзии лежит влаготермомеханическая обработка сырья при высоких давлении и температуре.

Сырьё, транспортируемое шнеком от места загрузки к матрице, подвергается на своём пути перемешиванию, пластификации и варке. На выходе из матрицы происходит резкое расширение продукта вследствие перепада давлений в узле экструзии и окружающей среде. При этом влага, содержащаяся в перерабатываемом сырье испаряется за очень короткое время, и продукт приобретает характерную пористую структуру.

Технологическая зона экструзии состоит из следующих составных частей:

· Зона загрузки сырья

· Зона перемешивания и пластификации

· Зона сжатия и выпрессовывания

В зоне загрузки обеспечивается захват сырья с помощью шнекового элемента и его перемещение в зону пластификации.

В зоне пластификации происходит интенсивное перемешивание и разогрев сырья за счёт деформаций сдвига, возникающих из-за разных скоростей продукта на периферии шнека и его основании.

В зоне сжатия и выпрессовывания происходит интенсивный рост давления и, соответственно, деформаций сдвига и температуры, что приводит к тому, что за короткое время продукт претерпевает те же физико-химические превращения, что и при традиционных способах переработки, а также продавливание пластичной массы через отверстия формообразующей матрицы.

Общий вид зоны экструзии представлен на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 - Общий вид зоны экструзии

1 - Загрузочный бункер; 2 - Нагревательный элемент; 3 - Вращающийся шнек; 4 - Гильза экструдера (рабочая камера); 5 - Формообразующая матрица.

Исходное сырьё, дозатором сухих компонентов, через загрузочный бункер 1 (рис. 2.2), попадает в загрузочную зону экструдера, туда же, при запуске и остановке экструдера через вентиль ув-лажнения сырья подаётся питьевая вода.

Шнек приводится в движение электродвигателем 3 (рис. 2.1) через редуктор 5 (рис. 2.1) и опорный узел 8 (рис. 2.1).

Продавленный через матрицу продукт может быть подвергнут резке, обжарке, внесению добавок и т.д.

Для поддержания температурных режимов в различных зонах экструзионной установки в конструкции предусмотрена система охлаждения.

3. Процесс пищевой экструзии - как объект автоматического управления

3.1 Основные параметры процесса экструзии

Основными показателями хода технологического процесса экструзии (выходными величинами) является производительность экструдера и качество производимой продукции. Производительность экструдера измеряют в килограммах произведенной продукции установленного качества, полученного за час работы. Качество оценивают по заданным параметрам качества для каждого вида продукции.

Сложность процесса экструзии как объекта автоматического управления определяется его зависимостью от большого числа технологических факторов, таких как свойство используемого сырья, технология приготовления, температура окружающей среды т.д.

Управление процессом экструзии заключается в контроле и поддержании технологических параметров по всей длине шнека (во всех зонах) и в подборе входных параметров с целью обеспечения максимальной производительности и высокого качества продукта на выходе. Для оценки и контроля хода процесса экструзии используются такие показатели, как температура зон экструзии, скорости вращения основного и загрузочного шнеков, кол-во поступающей в загрузочный бункер воды и др.

Нарушение процесса экструзии может происходить в результате изменений степени уплотнения сырья, изменение влажности, изменение температуры. Все указанные возмущения в конечном итоге проявляются через изменение качества получаемой продукции и производительности экструдера, которая, таким образом, является возмущающим воздействием для системы управления процессом экструзии.

В качестве показателей качества технологического процесса обычно используют информацию о температуре в определенной зоне экструзии или их разности в нескольких зонах, давлении и скоростях вращения шнэков основного и загрузочного. Применение микропроцессорной техники позволяет использовать некоторые комплексные показатели.

В общем случае процесс экструзии может быть представлен как многомерный объект с вектором состояния (выходные или управляемые величины) и вектором управления (управляющие воздействия). На выходные параметры могут воздействовать и возмущающие воздействия.

Экструдер является многопараметровым объектом, в котором две основные выходные величины - производительность агрегата и качество конечного продукта, при этом эти параметры существенно зависят от ряда входных воздействий: горизонтальной скорости движения шнэков, условий варки и физико-химических свойств сырья.

Процесс производства методом варочной экструзии протекает в условиях возмущающих воздействий: изменения физических свойств обрабатываемого сырья, условий дозирования, транспортирования, смешения и увлажнения. Для устранения влияния возмущений на ход технологического процесса используют следующие основные управляющие воздействия: соотношение (дозирование) компонентов обрабатываемого сырья (воды и муки), температура зон экструзии и др.

Особенности процесса экструзии и экструдера как объекта автоматического управления можно сформулировать следующим образом:

- экструдер представляет собой систему, характеризуемую многими входными и выходными параметрами;

- процесс непрерывный;

- работа экструдера подвержена возмущениям, связанным с изменением вязкости обрабатываемого продукта, изменением температуры процесса, запаздыванием системы и т.д.

X_i - входные параметры (управляющие переменные), контролируются непрерывно и периодически;

Z_i - входные параметры (возмущающие воздействия), характеризующие химические и физические свойства обрабатываемого продукта, а также конструктивные свойства оборудования, переменные указанной группы являются неконтролируемыми и периодически контролируемыми величинами;

Экструзионный процесс в целом характеризуется наличием обратных связей. Так, при изменении температуры и давления в одной из зон процесса приводит к перераспределению данных параметров по всей длине шнэка, что создает эффект внутренних обратных связей. Наличие обратных связей усложняет и затрудняет исследование процесса и его оптимизацию.

Входные параметры: скорости вращения шнэков, обороты редуктора насоса-дозатора, режим работы насоса дозатора температуры зон варки и давление на выходе формирующей матрицы, определяются технологией производства того или иного продукта, а так же статическими данными такими как длина и геометрия шнека и объем зоны экструзии экструдера, которые в свою очередь определяются в основном эксперементальным путем, ввиду большой сложности а зачастую и невозможности аналитического прогнозирования.

Выходные параметры: производительность при заданных технологических параметрах.

Возмущающие воздействия: изменение момента шнэков, момента насоса-дозатора и температуры внутри рабочей камеры (гильзы) экструдера.

Управляющим воздействием в системе автоматического управления процессом экструзии является изменение температуры зоны экструзии

Для оценки температуры в зоне экструзии может служить показание датчика-термометра, а регулирование может осуществляться путем включения контура нагрева-охлаждения, управление моментами шнэков и насоса-дозатора осуществляется по току.

3.2 Задачи управления процессом экструзии

Для обеспечения максимальной производительности экструдера служат системы автоматического контроля и управления процессом экструзии, выполняющие операции загрузки сырья в экструдер, передвижения обрабатываемого сырья по рабочей камере, и поддержания заданных показателей качества, заключающемся в контроле теплового режима и режима работы насоса-дозатора воды.

Управление каждым параметром осуществляется с помощью локальной системы управления. Множество всех локальных систем управления(ЛСУ) объединяются в общую АСУ ТП, путем соединения всех ЛСУ с главным процессором системы информационно-управляющими каналами.

АСУ ТП процесса экструзии является подсистемой АСУ ТП экструзионного производства (линии экструзии). В целом АСУ ТП должна обеспечивать за счет стабилизации и оптимизации технологического процесса:

повышение производительности экструдера;

повышение выхода годного готового продукта;

снижение доли брака при производстве;

повышение качества готового продукта;

уменьшение числа аварийных режимов работы;

улучшение условий труда обслуживающего персонала;

облегчение управления объектом.

4. Структура АСУТП процессом пищевой экструзии

4.1 Обоснование выбора АСУТП

Так как процесс экструзии является сложным технологическим процессом (дозирование и подача материалов, процесс варки и т.д.), то целесообразно применять многоуровневую структуру управления супервизорного типа.

Многоуровневая структура системы управления обеспечивает надежность, оперативность, ремонтоспособность системы автоматизации, при этом легко решается оптимальный уровень централизации управления с минимальным количеством технологического контроля, управления и линий связи между ними.

Под супервизорным, понимается такой режим работы АСУ ТП, когда на нижних уровнях функционируют регуляторы, управляющие локальными контурами (на базе серийных электронных устройств или контроллеров), а на верхнем - ЭВМ, на которой реализованы задачи управления этими контурами через механизм выдачи управляющих воздействий на автоматические задатчики локальных контуров.

Супервизорная система с использованием средств локальной автоматики обеспечивает достаточно качественное управление для процессов с относительно небольшим количеством параметров и несложными алгоритмами выработки управляющих воздействий, а использование локальной автоматики уменьшает использование машинного времени ЭВМ, что целесообразно с экономических позиций: один компьютер можно использовать для управления несколькими АСУ, также возможно использование машинного времени для иных операций.

В дипломном проекте разработана система супервизорного типа. На высшем уровне ЭВМ, на низшем микроконтроллер. ЭВМ вырабатывает задание для микроконтроллера, а также осуществляет другие функции. Непосредственным управлением занят микроконтроллер. В данном случае ЭВМ может выполнять вычислительные АСУ ТП всей экструзионной линии.

4.2 Описание, выбранной системы АУ

На структурной схеме отображают в общем виде основные решения проекта по функциональной и организационной структурам АСУ ТП с соблюдением иерархии системы и взаимосвязей между технологическим объектом и комплексом технических средств (КТС) системы управления.

1. Уровень измерительных средств и локальных средств контроля и регулирования. Состоит из датчиков, сигнализаторов значений параметров, источников питания. Он представляет собой уровень, на котором осуществляется контроль и регулирование параметров процесса при помощи средств контроля и регулирования, находящихся на объекте автоматизации. Все эти средства расположены непосредственно на объекте и представляют собой: первичные датчики, вторичные приборы, станции управления, цифровые регулирующие устройства (микроконтроллер). На этом уровне система выполняет следующие функции: контроль параметров, измерительное преобразование, контроль и сигнализация измерительных параметров, выбор режимов работы, регистрация параметров, связь с объектом. В данном проекте на нижнем уровне находятся средства локальной автоматики - микроконтроллер, который выполняет функции регулятора и вторичный прибор для оперативного отображения текущей информации на пульте оператора. Для обеспечения гибкости системы предусмотрены возможности перехода системы в полуавтоматический (ручное определение задания регулятору).

2. Уровень централизованных средств контроля и управления. На этом уровне происходит контроли и управление процессом централизованно и решать дополнительные задачи связанные с обработкой данных. На этом уровне расположена ЭВМ, выполняющая следующие функции: ручной ввод данных, регистрация параметров на внешних запоминающих устройствах и выдача заданий на локальные регулирующие устройства. На высшей ступени этого уровня располагается оператор, который и производит контроль за работой ЭВМ и вводит недостающие данные о работе агрегата. На данном уровне нет средств связи с объектом, т.к. всю необходимую информацию ЭВМ получает через модуль интерфейсной связи микроконтроллера в цифровом виде.

Данная структура позволяет системе гибко реагировать на выход из строя какого-либо элемента, для обеспечения непрерывности технологического процесса. При выходе из строя или нарушении связи с компьютером задание микроконтроллеру будет определено вручную.

Общий блочный вид выбранной системы АСУ ТП представлен на рисунке 4.1

Таблица 4.1 - Условные обозначения технических средств на структурной схеме контроля и автоматизации

5. Разработка контуров управления

Цель охраны труда - сохранение здоровья и обеспечение хорошего самочувствия работников.

Совокупность факторов, воздействующих на человека в процессе труда, формирует условия труда. Конечным следствием неблагоприятных условий труда являются производственный травматизм и профессиональные заболевания.

Данная дипломная работа является научным исследованием, и практически вся работа проходила, прежде всего, за компьютером.

Работа с компьютером связана с восприятием изображения на экране и с одновременным различением текста рукописных или печатных материалов, с выполнением машинописных графических работ и других операций, что способствует зрительному утомлению, которое усиливается из-за бликов, мерцания и других отклонений визуальных параметров экрана и световой среды помещения. Эта работа характеризуется повышенным уровнем психоэмоционального напряжения, что связано с высокой концентрацией внимания, с определенным визуальным дискомфортом, с ответственностью за качество выполняемого задания. Переработка большого объема информации, решение сложных задач, нередко в условиях дефицита времени, требуют также повышенных умственных усилий и нервного напряжения. Кроме того, длительная работа в неизменной статической позе приводит к перенапряжению различных групп мышц, а однотипные движения на клавиатуре развивают воспалительные процессы в суставах и мышцах групп. Указанные факторы приводят к тому, что постоянная работа на компьютере по степени развития утомления занимает второе место среди всех видов деятельности.