Оптимизация интегрированной системы управления глюкозо-паточным комбинатом

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Тема:

оптимизация интегрированной системы управления глюкозо-паточным комбинатом



СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Автоматизация глюкозно-паточного процесса

1.1 Гидролиз крахмала

1.2 Изомеризация глюкозы

1.3 Получение фруктозы

2. Технические и программные средства управления технологическим процессом

2.1 Аппаратные платформы

2.2 Технологическое программное обеспечение

2.3 Инженерное программное обеспечение Siemens SCOUT

3. Выбор критериев качества управления

4 Интегрированная система управления глюкозо-паточным комбинатом

5. Охрана труда и промышленная экология

6. Расчет технико-экономических показателей проекта

Выводы

Список литературы



ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация технологических процессов - этап комплексной механизации, характеризуемый освобождением человека от непосредственного выполнения функций управления технологическими процессами (ТП) и передачей этих функций автоматическим устройствам. При автоматизации ТП получение, преобразование, передача и использование энергии, материалов и информации выполняются автоматически при помощи специальных технических средств и систем управления.

Повышение производительности труда в пищевой промышленности, а следовательно, и эффективности производства, возможно лишь при условии максимальной механизации и автоматизации при неуклонном сокращении доли ручного труда. Сокращение доли тяжелого и малоквалифицированного физического труда - непременное условие экономического роста.

Рост технической и энергетической вооруженности труда, развитие научных исследований с использованием современной научной аппаратуры, достижений полупроводниковой микроэлектроники и диспетчерского управления обеспечили комплексную механизацию и автоматизацию ТП производства пищевой продукции и подготовили необходимые условия для комплексной автоматизации практически всех ТП пищевого производства.

Важную роль играет производство таких продуктов как декстрин, патока мальтозная (мальтоза) и карамельная патока, а также глюкоза. Эти продукты гидролиза крахмала нашли широкое применение в пищевой промышленности. При производстве пива сейчас для замены солода используется мальтозная патока. Карамельная патока широко применяется в кондитерском производстве. Глюкоза, как и ранее, применяется в медицинских целях. А декстрин нашел свое применение как продукт неполного гидролиза крахмала в тех отраслях пищевой промышленности, где востребованы его физико-химические свойства.

1. АВТОМАТИЗАЦИЯ ГЛЮКОЗО-ПАТОЧНОГО ПРОЦЕССА

Кристаллическую гидратную глюкозу получают глубоким гидролизом крахмала кислотой или ферментным препаратом с последующим сгущением очищенного сиропа, кристаллизацией и центрифугированием утфеля (смеси кристаллов и межкристального раствора). Гидратная глюкоза должна представлять собой кристаллический порошок белого цвета со сладким вкусом (без постороннего привкуса) я свойственным ей запахом. Цветность раствора (в единицах оптической плотности) должна быть не более 0,09 для ФЭК-М, 0,16 для ФЭК-56 и 0,18 для ФЭК-56М. прозрачность (светопропускаемость) -- не менее 69% для ФЭК-М, 65% для ФЭК-56 и 65% для ФЭК-56М; удельное вращение [а]о° 52.5--53,0%, содержание золы -- не более 0,07%, влаги не более 9,0, железа -- не более 0,003%. Не допускается содержание свободных минеральных кислот и остатка при просеивании на металлическом сите с отверстиями размером 1,5 мм (ГОСТ 975-75).

В СССР кристаллическая глюкоза используется в основном для медицинской промышленности. В пищевой промышленности глюкоза применяется не только как простой заменитель сахарозы, но и как продукт, повышающий питательные и вкусовые качества изделий.

Глюкоза не маскирует аромата и вкуса фруктовых и ягодных соков, поэтому она широко используется при производстве фруктовых консервов, замороженных фруктов, мороженого, алкогольных и безалкогольных напитков.

В кондитерской промышленности глюкозу употребляют для изготовления мягких конфет, вафель, пралине, десертных сортов шоколада, тортов, диетических и других изделий.

Применение глюкозы в хлебопечении улучшает условия брожения, способствует образованию красивой золотисто-коричневой норки, равномерной пористости и хорошего вкуса.

Кристаллическую глюкозу целесообразно использовать для питания больных, выздоравливающих, раненых и людей, работающих с большими перегрузками. Глюкоза находит широкое применение в синтезе ряда органических соединений (аскорбиновой кислоты, сорбита и др.).

Для применения в медицине глюкозу перекристаллизовывают из дополнительно очищенных растворов кристаллической глюкозы и получают в виде гидратной и ангидридной глюкозы. Качество медицинской глюкозы должно соответствовать требованиям «Государственной фармакопеи СССР» (статья 311 «Глюкоза).

Медицинскую гидратную глюкозу применяют для внутривенных вливаний. Медицинская ангидридная глюкоза благодаря быстроте растворения также может найти широкое применение в медицине. Кроме того, форма, размер, однородность и механическая прочность кристаллов ангидридной глюкозы-облегчают процесс таблетирования и улучшают качество таблеток. Технологии кристаллической и пищевой глюкозы различаются лишь стадией завершения процесса кристаллизации. При получении пищевой глюкозы исключают процесс разделения кристаллов и межкристального раствора и дают затвердеть всей массе утфеля. Пищевую глюкозу выпускают в виде бесформенных кусков, блоков и брикетов желтого цвета, сладкой на вкус и без постороннего запаха. Она должна содержать, %: сухих веществ -- не менее 85,0, золы -- не более 0,8--1,2 и иметь кислотность не более 20--24 мл 0,1 н. раствора щелочи на 100 г сухих веществ. Присутствие свободных минеральных кислот в продукте не допускается (ТУ 18 РСФСР 96--74).Пищевую глюкозу применяют в различных отраслях пищевой промышленности в качестве заменителя свекловичного сахара. Ее используют в хлебопечении, для приготовления мягких конфет и восточных сладостей, в производстве фруктового мороженого и безалкогольных напитков. В медицинской промышленности пищевую глюкозу применяют вместо кристаллической глюкозы при производстве антибиотиков. В соответствии со стандартом, принятым Международной организацией по стандартам качество пищевой глюкозы, оценивается по следующим показателям: размер не более 840,0 мкм; белизна не менее 90,0%; содержание влаги 10,0%; золы 0,1, олигосахаридов 3,0, оксиметил фурфурола 5,0%. Пищевая глюкоза быстрорастворима в воде.

В ряде производств пищевая глюкоза заменяет кристаллическую глюкозу и находит применение в хлебопечении, бродильном производстве, кондитерской, медицинской и других отраслях, промышленности.

Техническую глюкозу получают кислотным гидролизом низкокачественного сырья, предназначенного для технической переработки, или как побочный продукт производства кристаллической глюкозы. В технологии этого глюкозного продукта также отсутствует процесс разделения кристаллов и межкристального раствора.

По внешнему виду техническая глюкоза (ОСТ 18--59--71) представляет собой твердые куски неопределенной формы, темно-коричневого цвета. Продукты реверсии глюкозы придают продукту горьковатый привкус. Техническая глюкоза должна содержать сухих веществ не менее 78%, редуцирующих не менее 75, золы не более 1,3, железа не более 0.025%. Присутствие минеральных кислот не допускается.

Техническую глюкозу применяют только в технических целях, в бродильном производстве, как восстановитель в кожевенном производстве и производстве вискозы, как составляющую питательных сред при выращивании различных видов микроорганизмов в медицинской и микробиологической промышленности.

Глюкозно-фруктозные сиропы являются новыми видами крахмалопродуктов. Они получаются при изомеризации высоко доброкачественных глюкозных сиропов сгущением в виде сиропов с различным содержанием фруктозы.

Примерный состав глюкозно-фруктозного сиропа, сухие вещества, глюкоза 53, фруктоза 42--45, полисахариды менее 1,0 Ю-псикоза менее 0,3, Ь-манноза -- следовые количества, зола менее 0,05; рН сиропа 4,5. Высоко фруктозные сиропы содержат 60--90% фруктозы.

Сфера применения глюкозно-фруктозных сиропов определяется их свойствами: низкой вязкостью, легкой сбраживаемостью дрожжами, стабильностью цветности и т. д. Высокая гигроскопичность сиропов способствует сохранению влаги и предотвращает высыхание глазури, помадки, зефира, пастилы, мягких конфет и жевательной резинки. Высокое осмотическое давление сиропов обусловливает быстрое проникновение Сахаров в ткани консервируемых продуктов.

Добавление сиропов устраняет кристаллизацию продуктов кондитерского и консервного производства. Все виды безалкогольных напитков, соков и джемов, приготовленные на глюкозно-фруктозных сиропах, сохраняют аромат ягод и фруктов и их натуральную окраску.

Глюкоза -- простейший природный сахар. Она довольно широко распространена в природе. Свободная глюкоза содержится в плодах, ягодах, входит в состав меда. Особенно часто глюкоза встречается в природе в виде сложных высокомолекулярных соединений таких, как крахмал, клетчатка и др. Все виды углеводов, поступающих с пищей в организм человека, превращаются в глюкозу. Глюкоза имеет важное значение для углеводного обмена живого организма и служит источником питания всех его клеток.

В промышленных масштабах глюкозу получают в основном из крахмала и крахмалсодержащего сырья. В зависимости от технологии переработки сырья производство глюкозы подразделяется на получение следующих продуктов: кристаллической гидратной глюкозы, медицинской гидратной и ангидридной, пищевой кусковой, брикетированной, гранулированной и порошкообразной глюкозы, технической глюкозы и глюкозно-фруктозных сиропов.

По степени сладости и физиологическому действию фруктоза превосходит глюкозу и сахарозу. Метаболизм фруктозы в организме человека, в отличие от глюкозы, проходит по иному механизму, что позволяет в умеренном количестве употреблять ее даже больным сахарным диабетом.

Существует несколько способов получения фруктозы: гидролиз сахарозы, изомеризация глюкозы, гидролиз фруктозосодержащих полимеров.

В промышленных условиях кристаллическую фруктозу получают из гидролизатов сахарозы или глюкозно-фруктозных сиропов, полученных изомеризацией гидролизатов крахмала.

Принципиальная схема получения фруктозы и глюкозы из сахарозы и крахмала приведена на рис.1.

Рис. 1. Схема получения фруктозы и глюкозы

Согласно приведенной схеме, раствор сахара 50% концентрации вначале подвергают ионообменной очистке для удаления главным образом минеральных несахаров. Очищенный раствор затем подвергают инверсии и хроматографическому разделению. Для проведения этих операций целесообразно использовать хроматографическую колонку с катионитом, который не полностью насыщен Са₂+. Если инверсия осуществляется отдельно, то хроматографическое разделение проводят на катионите, полностью переведенном в Са-форму. Отбор глюкозной и фруктозной фракций с колонки проводят так, чтобы они имели чистоту 95 %.

Среднюю смешанную фракцию используют для приготовления раствора сахарозы. После фильтрования и обесцвечивания растворы глюкозы и фруктозы сгущают до получения сиропов с концентрацией СВ 50-70%. Из фруктозной фракции получают фруктозные сиропы с содержанием 90 и 95% фруктозы на СВ. Кристаллизацией из фруктозного сиропа можно получить 50% кристаллической фруктозы. Если же кристаллизация проводится с применением метанола, то выход кристаллической фруктозы возрастает до 80%. Для увеличения выхода фруктозы глюкозный сироп может быть подвергнут изомеризации с получением изосиропа. Этот сироп в отличие от глюкозы обладает такой же сладостью, как сахароза, и может применяться как ее заменитель или может быть подвергнут хроматографическому разделению.

Для получения 1 кг фруктозы с 100% содержанием СВ необходимо 2,1 кг сахарозы, если не проводится изомеризация глюкозы, а если она проводится, то 1,5 кг.

Применение фруктозы, полученной из сахарозы в качестве подслащивающего вещества, позволяет заменить 3/4 сахарозы. Из сахарозы кроме фруктозы получается также глюкоза с выходом 50 %. Глюкоза может быть использована, например, для производства витамина С. Переработка крахмала с получением фруктозосодержащих растворов рассмотрена далее.

Глюкозно-фруктозные сиропы

В качестве полноценного заменителя сахарозы в пищевой промышленности широко используют глюкозно-фруктозные сиропы (ГФС). Их получают из крахмала путем многостадийного ферментативного процесса с применением б-амилазы, амилоглюкозидазы и глюкоизомеразы. Производят ГФС с 42, 55 и 90% содержанием фруктозы.

В качестве субстрата для изомеризации используют растворы глюкозы концентрацией 35-50%. Каждый ферментный препарат имеет свой оптимум рН, определяемый экспериментально, в основном, в пределах 7,5-8,2. Оптимальное значение температуры для большинства препаратов лежит в области 58-65 °С.

Изомеризация глюкозы во фруктозу является обратимой реакцией. Равновесное состояние характеризуется содержанием 48-52 % фруктозы и зависит от температуры реакции.

Влияние температуры на процесс изомеризации глюкозы

Температура, °С	Концентрация фруктозы после изомеризации, %
30	46,5
40	47,5
45	48,2
60	49,9
70	52,4
75	53,1
80	54,2
85	54,7

Процесс получения фруктозосодержащих продуктов из крахмала представлен в виде схемы на рис. 2. Он включает этапы гидролиза крахмала, изомеризации глюкозы, выделения фруктозы.

1.1 Гидролиз крахмала

В соответствии с разработанной технологией 38-40% суспензию кукурузного крахмала смешивают с рециркулирующей частью разжиженного крахмала и проводят двухстадийное разжижение крахмала ферментным препаратом (основной фермент -- б-амилаза) из расчета 0,02 масс. % препарата от массы СВ. Крахмальное молоко шнековым насосом из сборника подается в инжектор, предназначенный для быстрого нагревания суспензиии острым паром. Нагретый крахмальный клейстер (110°С) подается в выдерживатель, где поддерживается давление 0,3-0,4 МПа, затем в емкость-разжижитель, где из-за вскипания происходит дополнительная деструкция крахмала. Продолжительность выдерживания в разжижителе -- 15-30 мин (100°С). Степень гидролиза на первой стадии составляет 2-3% РВ.

Рис. 2. Принципиальная технологическая схема получения из крахмала глюкозно-фруктозного сиропа

Частично гидролизованный крахмал подается в инжектор, в котором сироп нагревается до 140°С и впрыскивается в испаритель. Температура в испарителе устанавливается 85-90°С, и оттуда сироп подается на вторую ступень разжижения, иногда называемую стадией декстринизации. В сироп после испарителя подается фермент б-амилаза; обычно на эту стадию дается 2/3 всей нормы фермента. В конце второй ступени разжижения (1,5-3 ч) степень осахаривания достигает 14-17% РВ.

После разжижения крахмала гидролизат содержит 34-35% СВ, не дает синего окрашивания с иодом, глюкозный эквивалент его составляет 18-20%, вязкость -- 20-25 МПа Ч с. Осахаривание амилоглюкозидазой (0,3 масс % препарата от массы СВ) осуществляют при 50-60°С, рН = 4,5 (4,2-4,7), 48-72 ч. Осахаривание сиропа ведут до достижения РВ 97-98%, что соответствует содержанию глюкозы в сиропе 93-94%. По достижении глюкозного эквивалента 97-98% (содержание глюкозы 96-97%) осахаривание крахмала прекращают, нагревая сироп до 90°С.

Осахаренный сироп направляют на станцию механического фильтрования для удаления нерастворимых примесей.

От растворимых примесей раствор очищают угольной и ионообменной очисткой. Угольная очистка проводится обычно в две стадии. Общий расход порошкообразного угля составляет 10-15 кг/1 т СВ. На стадии очистки глюкозных гидролизатов используется около 40% общего количества угля, для очистки фруктозосодержащих сиропов -- 60%. При использовании гранулированного угля сорбент может быть регенерирован водяным паром при 600-800°С и использован повторно.

Очищенный от красящих веществ и части растворимых примесей глюкозный сироп поступает на ионообменную очистку. Обычно используются сульфостирольные катиониты и слабоосновные аниониты, например КУ-2-8 и АНТ-Э21. Колонны с ионитами обычно работают попарно -- сироп последовательно проходит катионо- и анионообменник.



1.2 Изомеризация глюкозы

Основной операцией производства ГФС является изомеризация глюкозы во фруктозу, которую проводят с использованием ферментных препаратов глюкоизомеразы, закрепленных (иммобилизованных) на твердой основе, например оксид титана -- 30%, ДЭАЭ-целлюлоза -- 30%, полистирол -- 40%. Оптимальными условиями для изомеризации являются: 55-57°С, рН = 7,5ч7,8. Ингибиторами глюкоизомеразы являются кислород, ионы кальция, меди, никеля, цинка и некоторые другие примеси. Для стабилизации фермента добавляют соли магния и гидросульфит натрия. Обычно на изомеризацию подается сироп концентрацией 40-45% СВ.

Продолжительность контактирования сиропа с ферментом составляет 20-24 ч, расход фермента -- 0,07-0,1 масс. % от массы СВ. Для активации фермента перед изомеризацией в сироп добавляют MgSO4 (0,025-0,015 моль/л) или CoSO4 (0,0003-0,003 моль/л), а для подавления микрофлоры -- бисульфит натрия или калия (0,008-0,016 масс. % от массы СВ).

Вследствие обратимости реакции равновесие устанавливается при эквимолярном соотношении глюкозы и фруктозы; на практике реакцию прекращают по достижении концентрации фруктозы, равной 40-42% от массы СВ. Глюкоизомеразу используют в течение 28-30 сут., после чего она теряет свою активность, и ее выводят из производства. После изомеризации сироп очищают ионитами (катионит ® анионит) от солей жесткости и обесцвечивают активным углем; затем раствор фильтруют, концентрируют до 70-74% СВ под вакуумом и охлаждают до 25-30°С.

Применение ГФС-42 в некоторых случаях затрудняется образованием осадка глюкозы. Для предотвращения кристаллизации глюкозы сироп обогащают фруктозной фракцией и получают ГФС-55. По сладости ГФС-55 несколько превышает сахарозу, и образования осадка глюкозы в нем в период хранения при обычных условиях не происходит.



1.3 Получение фруктозы

Хроматографическое разделение глюкозы и фруктозы проводится в колонне, заполненной смолой с размерами частиц 0,3-0,35 мм. В верхнюю часть колонны вводится ГФС-42, который вытесняется водой. Для разделения используют сульфополистирольную смолу, для сшивки которой используют 4-6% дивинилбензола. Сульфокислотные группы содержат ионы кальция. Фруктоза, образуя комплексы с ионами кальция, медленнее проходит через слой сорбента, чем глюкоза. Поэтому глюкоза вымывается первой из колонны и направляется на изомеризацию; затем выводится фракция, обогащенная фруктозой. Разделение проводят при 60°С, концентрация сиропа 40-60%. Фруктозная фракция с содержанием фруктозы около 90% (ГФС-90) добавляется к ГФС-42 с получением ГФС-55. Обогащенный фруктозой сироп дополнительно очищается на ионитах и активным углем, концентрируется до 75-77% СВ и в виде продукта ГФС-55 отправляется потребителям. ГФС-42 называют сиропами 1-го поколения, ГФС-55 -- сиропами 2-го поколения.



2. Технические и программные средства управления технологическим процессом

Система управления перемещением Siemens SIMOTION. Система управления перемещением Siemens SIMOTION - это инновационная платформа для простого и гибкого решения разнообразных задач, в которых требуется управление движением.

Отличительной особенностью платформы Siemens SIMOTION является слияние функций Motion Control с функциями управления, которые можно найти в большинстве промышленных установок: технологического регулирования и программно-логического управления. SIMOTION включает в себя три аппаратные платформы: на базе ПЛК; на базе ПК; и на базе привода.

2.1 Аппаратные платформы

К машинам разного типа предъявляются разные технологически и конструктивные требования. Каждая из предлагаемых аппаратных платформ Siemens SIMOTION имеет свои преимущества для конкретной области применения. Эти платформы могут легко комбинироваться и взаимодействовать друг с другом, что особенно выигрышно при использовании модульной концепции машин. Все платформы имеют одинаковые системные свойства, т.е. функциональность и программирование всегда идентичны и унифицированы в независимости от выбранной Вами платформы.

? Siemens SIMOTION D - аппаратная платформа базе привода.

? Siemens SIMOTION C - аппаратная платформа на основе ПЛК.

? Siemens SIMOTION P - аппаратная платформа на основе ПК.



2.2 Технологическое программное обеспечение

C увеличением гибкости и вычислительной мощности систем управления увеличиваются и требования к простоте пользования ими, поэтому при разработке инжиниринговой системы Siemens SIMOTION SCOUT особое внимание было уделено именно аспектам дружественности пользователю. Конфигурирование, программирование, диагностика и другие задачи решаются в основном графически. В дополнении, SCOUT содержит интеллектуальную систему подсказок, контекстно-зависимое меню и автоматическую систему проверки проекта на консистентность. С Siemens SIMOTION задачи управления движением для разного рода машин решаются просто и унифицировано. Для достижения этого была разработана специальная многоуровневая архитектура runtime системы. Базовая функциональность в виде ПЛК функциональности с набором команд в соответствии с IEC 61131-3 и cam контроллер доступны для всех устройств SIMOTION. Эта функциональность может расширяться за счет технологических программных пакетов и функциональных библиотек. Они представлены пакетами:

? Runtime (программное обеспечение);

? технологическими программными пакетами;

? функциональной библиотекой Siemens SIMOTION.

2.3 Инженерное программное обеспечение Siemens SCOUT

Инженерное программное обеспечение Siemens SCOUT поддерживает разработчика на каждом шаге проектирования машины, что делает работу простой и эффективной. Разработчик может пользоваться одним из четырех языков, поддерживаемых SIMOTION: графическим Motion Control Chart (MCC), ladder logic (LAD)/function block diagram (FBD) или тестовым языком высокого уровня Structured Text (ST). При желании можно пользоваться всеми языками одновременно. Каждый из языков содержит, помимо команд управления движением (например, команда «Реферирование оси»), команды для прямого и косвенного доступа к периферии, команды логики, сложные математические команды, команды вызова системных и пользовательский функций, команды расчета сложных профилей движения и т.д.

Все параметры и данные машины управляются из одного проекта, а именно: данные конфигурации, программы, профили движения, параметры приводов и т.д. При необходимости ввода новых значений параметров, вызывается соответствующее графическое окно.

Siemens SCOUT имеет так же мощную систему тестирования, отладки и диагностики программ, а именно: статус программы с выводом текущих значений всех переменных (Program status), управление переменными при выполнении команд в реальном времени (Control variables), электронный осциллограф, панель управления осями и приводами и т.д.

Навигатор проекта SCOUT содержит все необходимые средства разработки и является навигационным центром, откуда производятся все этапы проекта.

Дерево навигатора проекта содержит:

- все устройства, участвующие в проекте (котроллер, привода и т.д.);

- все технологические объекты (оси, профили, температурные каналы и т.д.);

- все пользовательские программы.

Навигация внутри структуры позволяет открыть окно параметризации или программирования, связанное с выбранным объектом.

Выгода заказчика при использовании инженерного программного обеспечения Siemens SCOUT:

- дружественный, интуитивно понятный интерфейс за счет интегрированных функционально-ориентированных инструментов;

- централизованное управление данными и программами проекта (даже в распределенных системах);

- быстрый доступ к индивидуальным инструментам конфигурирования, программирования, параметрирование и т.д.



3. Выбор критериев качества

Основное назначение критерия качества управления - численно оценить качество управления и успешность решения задачи управления. Выбор критерия управления обычно осуществляется в зависимости от характера решаемой задачи, статистических сведений о входных сигналов, а также на основании опыта и интуиции разработчиков автоматических систем.

К критериям управления предъявляются два общих требования: во-первых, он должен соответствовать поставленной задаче управления, т.е. служить действительной мерой успешности ее выполнения; во-вторых, он должен быть достаточно прост, чтобы можно было математически решить поставленную задачу.

Наиболее употребительным и простым критерием качества управления является средний квадрат ошибки системы. Поскольку выходной сигнал односвязной системы управления обычно является случайным процессом, то ошибку системы характеризуют в статистическом смысле. Наиболее простой статистической характеристикой является математическое ожидание. Поэтому средний квадрат ошибки весьма часто используется на практике.

Средний квадрат ошибки связан с дисперсией и математическим ожиданием ошибки соотношением,

,

которое показывает, что он учитывает и чисто случайную составляющую (через ) и ее систематическую (среднюю) составляющую (через ).

Положительный корень из среднего квадрата ошибки называется средней квадратической ошибкой, которая имеет размерность выходного сигнала системы и поэтому при практических расчетах является более удобной характеристикой, чем средний квадрат ошибки.

Система, обладающая минимальной средней квадратической ошибкой, называется оптимальной по минимуму средней квадратической ошибки.

Критерий среднего квадрата ошибки обобщается на случай, когда сигнал ошибки управления является векторным . В этом случае из координат , вектора образуется скалярная случайная функция

,(3.1)

называемая обобщенной ошибкой. Как видно из (3.1), она представляет собой сумму координат вектора , взятых со своими весовыми коэффициентами , , значения которых выбираются, исходя из существа задачи.

В качестве статистического критерия качества управления можно использовать математическое ожидание среднего квадрата обобщенной ошибки, т.е.

.

Данный скалярный критерий компактно выражается через вектор и вектор весовых коэффициентов в виде квадратичной формы, что делает его весьма удобным в математическом отношении.

,



Критерий среднего квадрата ошибки (или средней квадратической ошибки) получил распространение благодаря тому, что он прост в математическом отношении и во многих практических задачах управления является удовлетворительной мерой успешности их решения.

Однако в ряде задач управления этот критерий не соответствует их условиям, т.к. он придает большим и маловероятным ошибкам больший вес, чем малым ошибкам, т.е. большие ошибки оказываются более нежелательными, чем малые. Но в некоторых задачах одинаково нежелательны, т.е. равноценны по своему влиянию на успешность решения задачи управления все значения ошибок, превышающие определенный предел.

Такая ситуация имеет место, например, при управлении давлением газа или жидкости в трубопроводах, когда происходит их разрыв при выходе давления за установленный верхний предел. Кроме того, при управлении электрическим напряжением, даже кратковременное превышение им предельно допустимых максимальных значений крайне нежелательно, ввиду существующей опасности пробоя изоляции, выхода из строя микросхем и других элементов электрической аппаратуры.

Поэтому критерий среднего квадрата ошибки далеко не всегда целесообразно использовать при решении ряда задач оптимального управления.

Кроме того, в случае использования обобщенной ошибки (3.1) выбор значений весовых коэффициентов в значительной мере осуществляется субъективно, что также нежелательно, т.к. получаемые при этом «оптимальные» решения также субъективны.

Таким образом, обоснованный выбор критериев качества управления в значительной мере способствует успешности решения поставленных задач и должен осуществляться исходя из цели управления.

Поскольку при завершении управляемых технологических процессов создается продукция, предназначенная для продажи, то цель управления должна иметь экономическое содержание, которое можно определить как минимизацию экономических потерь, связанных с отклонением управляемых технологических параметров от их заданных значений. Ввиду того, что эти отклонения характеризуются величиной ошибки управления , экономические потери при управлении технологическими процессами зависят от .

Рассмотрим проблему выбора и обоснования критериев управления.

Введем функцию , значения которой соответствуют экономическим потерям в единицу времени при выпуске продукции, т.е., по существу, она определяет интенсивность экономических потерь. Тогда значения определяют интенсивность экономических потерь при идеальном управлении технологическим процессом, когда . Эти потери не связаны с управлением, а зависят, например, от качества сырья, своевременности его поставок, правильности выбора технологом заданного значения и множества других факторов. Поэтому среднюю интенсивность экономических потерь , зависящих лишь от точности управления технологическим процессом, можно выразить с помощью следующего критерия:

, (3.2)

где - оператор математического ожидания.

Воспользовавшись критерием цель управления можно определить как выполнение требования

. (3.3)



Однако непосредственно использовать критерий при управлении технологическими процессами оказывается весьма затруднительным, т.к. в большинстве случаев не удается определить зависимость . Поэтому необходимо искать другие критерии, при оптимизации которых обеспечивается выполнение требования (3.3).

Чтобы определить критерии, обладающие указанным свойством, сделаем достаточно обоснованные допущения о виде функции . Примем во внимание, что ввиду ограниченности экономических потерь при управлении любым технологическим процессом она может изменяться лишь в конечных пределах. В таком случае, даже при наличии у функции конечных скачков (разрывов первого рода), ее сколь угодно точно можно приблизить некоторой непрерывной функцией. Учтем также, что всегда существуют ограничения на пределы изменения величины , т.к. входной и выходной сигналы системы управления принимают конечные значения.

Поскольку функцию можно считать непрерывной и заданной на конечном отрезке, то ее можно с любой заданной точностью аппроксимировать полиномом степени . В таком случае она принимает вид

, (3.4)

где , - вещественные коэффициенты.

Воспользовавшись выражениями (3.2) и (3.4) критерий представим в виде:

. (3.5)

Поскольку

,

то с учетом (3.5) получим неравенство

. (3.6)

Следовательно, выполнению требования (3.3) способствует выполнение условий

. (3.7)

Таким образом, вместо одного универсального, но неконтролируемого критерия , получено множество критериев, значения которых можно определить, если имеется достоверная информация о функции распределения случайного процесса .

, , (3.8)

Чтобы получить такую информацию необходимо определить статистические характеристики всех возмущающих воздействий и располагать достаточно точной математической моделью управляемого объекта.

На основании условий (3.7) приходим к выводу, что задача оптимального управления технологическими процессами должна ставиться и решаться как задача многокритериальной оптимизации, т.к. в условиях оптимальности управления (3.7) используется не один, а несколько критериев (3.8).

Однако, выполнить условия (3.7) на практике оказывается весьма затруднительным, хотя бы по причине требуемого для этого объема информации о статистических характеристиках ошибки управления . Поэтому необходимо определить критерии, которые было бы проще контролировать в процессе управления, чем статистические моменты величины .

Доказано, что при управлении непрерывными стационарными системами в условиях статистической неопределенности критерии (3.8) одновременно приближаются к своим минимальным значениям, если обеспечено выполнение требования

, (3.9)

где - свободный член характеристического уравнения замкнутой системы.

Это уравнение можно представить в виде

, (3.10)

где - комплексная переменная; -целое положительное число (порядок характеристического уравнения); , - постоянные вещественные коэффициенты; , - корни характеристического уравнения; - характеристический полином (функция) замкнутой системы.

Чтобы обеспечить необходимый запас устойчивости используют следующие ограничения на расположение корней характеристического уравнения (3.10):

; (3.11)

, (3.12)

где и - показатели относительного и абсолютного демпфирования свободного движения замкнутой системы соответственно, а и - их предельно допустимые значения.

Учет ограничения (3.11) обеспечивает заданную скорость затухания всех гармонических составляющих свободного движения системы, а использование ограничения (3.12) позволяет устранить высокочастотные составляющие в этом движении.

Величины и безразмерны, причем на практике значение обычно выбирается из интервала 0,221 ... 0,366.

Величины и имеют размерность частоты и их значения выбираются, исходя из возможностей каждой конкретной системы управления.

Отметим, что наряду с обеспечением заданного демпфирования свободного движения системы ограничения (3.11) и (3.12) гарантируют требуемый запас устойчивости.

Чтобы система была технически реализуемой необходимо учесть существующие ограничения на мощность управляющих воздействий, т.е. с высокой вероятностью обеспечить выполнение неравенства



, (3.14)

где - управляющее воздействие; - заданная постоянная величина, характеризующая предельно допустимую мощность управляющих воздействий. В том случае, если с высокой вероятностью выполняется неравенство (3.14) регулирующий орган весьма редко достигает своих предельных положений, что позволяет считать систему управления линейной.

Выполнению неравенства (3.14) способствует введение следующего ограничения на расположение корней характеристического уравнения устойчивой замкнутой системы:

, (3.15)

где - заданная постоянная величина, значение которой выбирается так, чтобы обеспечить выполнение (3.14).

Таким образом, для непрерывных линейных систем достижение цели управления обеспечивается при выполнении требования (3.9) с учетом ограничений на расположение корней характеристического уравнения замкнутой системы (3.11), (3.12) и (3.15).

автоматизация глюкозный паточный программный



4. Интегрированная система управления глюкозо-паточным

Управление проектом (англ. project management) -- область деятельности, в ходе которой определяются и достигаются четкие цели при балансировании между объемом работ, ресурсами (такими как время, деньги, труд, материалы, энергия, пространство и др.), временем, качеством и рисками в проекта, направленный на достижение определенного результата при указанных ограничениях. Ключевым фактором успеха проектного управления является наличие четкого заранее определенного плана, минимизации рисков и отклонений от него (в отличие от процессного, функционального управления, управления уровнем услуг).

В основе современных методов управления проектами лежат методики структуризации работ и сетевого планирования, разработанные в конце 50-х годов 20 века в США.

Тройственная ограниченность описывает баланс между содержанием проекта, стоимостью, временем и качеством. Качество было добавлено позже, поэтому изначально именована как тройственная ограниченность.

Как того требует любое начинание, проект должен протекать и достигать финала с учетом определенных ограничений. Классически эти ограничения определены как содержание проекта, время и стоимость. Они также относятся к Треугольнику Управления проектом, где каждая его сторона представляет ограничение. Изменение одной стороны треугольника влияет на другие стороны. Дальнейшее уточнение ограничений выделило из содержания качество и действие, превратив качество в четвертое ограничение.

Ограниченность времени определяется количеством доступного времени для завершения проекта. Ограниченность стоимости определяется бюджетом, выделенным для осуществления проекта. Ограниченность содержания определяется набором действий, необходимых для достижения конечного результата проекта. Эти три ограниченности часто соперничают между собой. Изменение содержания проекта обычно приводит к изменению сроков (времени) и стоимости. Сжатые сроки (время) могут вызвать увеличение стоимости и уменьшение содержания. Небольшой бюджет (стоимость) может вызвать увеличение сроков (времени) и уменьшение содержания.

Иной подход к управлению проектом рассматривает следующие три ограниченности: финансы, время и человеческие ресурсы. При необходимости сократить сроки (время) можно увеличить количество занятых людей для решения проблемы, что непременно приведет к увеличению бюджета (стоимость). За счет того, что эта задача будет решаться быстрее, можно избежать роста бюджета, уменьшая затраты на равную величину в любом другом сегменте проекта.

Во многих случаях в проекте выделяют роли заказчика, исполнителя (и иногда инвестора) с целью повышения эффективности при разделении труда и для устранения конфликта интересов при приемке результатов, определения зон ответственности. Заказчик определяет цель и ограничения проекта и его финансирование. Исполнитель выполняет проект согласно утвержденному плану. Часто заказчик не является потребителем (выгодополучателем) результатов проекта. В этом случае заказчик несет ответственность за постановку целей и полезность результата для потребителя. В крупных организациях для этого выделяют специальную службу заказчика. Если заказчик и исполнитель находятся в разных организациях, то составляется договор на исполнение проекта. В случае выделения роли заказчика, управление проектом ставит целью стабилизацию работ и минимизацию отклонений от утвержденного заказчиком плана. При изменении требований заказчика может быть подписано дополнительное соглашение к договору в рамках ограничений суммарного бюджета программы проектов, оговоренных основным договором.

Традиционная методология (в том числе PMBOK для проектов не входящих в программы работ): проект успешен, если выполнен полностью и в срок с требуемым качеством. Т.е. проект успешен, если закрыт договор между Заказчиком и Исполнителем (вне зависимости являлся ли он юридическим документом для внешних проектов или определялся иначе для внутренних проектов). Оценка успешности единая как для заказчика так и для исполнителя.

Гибкие методологии, проекты сильно зависимые в рамках программ работ, процессно-ориентированные методики: проект успешен, если заказчик удовлетворен. Здесь делается акцент на продолжение сотрудничества Исполнителя с Заказчиком в рамках последующих проектов и иного взаимодействия. Оценка успешности только с точки зрения заказчика.

Проект успешен при сбалансированности по крайней мере по трем категориям - бизнеса, ориентации на пользователя и технологической зрелости. Здесь делается акцент на финансовую успешность проекта, удовлетворенность пользователей и развитие (косвенная польза для самого исполнителя). Оценка успешности может различаться с точки зрения бизнеса, пользователя и исполнителя.



5. Охрана труда и промышленная экология

Раздел «Безопасность и экологичность разработки» является неотъемлемой частью дипломного проекта при автоматизации производственных процессов.

Цель этого раздела заключается в необходимости отразить автоматическую систему управления с точки зрения улучшения условий и обеспечения безопасности труда работающих. Раздел состоит из двух подразделов:

1.Анализ опасных и вредных факторов, характеризующих технологический процесс производства;

2. Создание здоровых и безопасных условий труда после осуществления АСУ ТП производства.

5.1 Физические опасные и вредные факторы

Микроклиматические условия на производстве

Неблагоприятные условия ухудшают физиологическое состояние, снижают производительность труда, могут привести к различным заболеванием. Характеристика микроклимата в рабочей зоне приведена в табл. 5.1

Таблица - 5.1

Характеристика микроклимата в рабочей зоне

Рабочее место	Категория работ	Период года	Оптимальные показатели микроклимата
			Температура, С	Влажность, %	Скорость движения воздуха, м/с
Ягодно-фруктовый цех	Средней тяжести II a	Теплый Холодный	21-23 18-20	40-60 40-60	0,3 0,2
Конфетный цех	Средней тяжести II a	Теплый Холодный	21-23 18-20	40-60 40-60	0,3 0,2
Склад сырья	Тяжелая III	Теплый Холодный	18-20 16-18	40-60 40-60	0,3 0,4
Административный корпус	Легкая I а	Теплый Холодный	23-25 20-22	40-60 40-60	0,1 0,2

Для поддержания оптимального микроклимата осуществляется кондиционирование и вентиляция воздушной среды. Это актуально в варочных отделениях, где температура помещения доходит до 35^оС. В производственных помещениях устанавливаются отопительные установки, которые поддерживают оптимальную температуру воздуха в холодное время года. В помещении для хранения скоропортящегося сырья должна поддерживаться температура 4^оС, в складе БХС и другого сырья - 18-20^оС.

Нормируется интенсивность теплового облучения на рабочих местах. При 25% облучаемой поверхности тела интенсивность теплового облучения должно быть до 100 Вт/м, при 25-50% - до 70 Вт/м, при 50% - до 35 Вт/м. В целях профилактики тепловых травм температура нагретых поверхностей машин, оборудования или ограждающих их конструкций должна быть не более 45^оС.

Шум и вибрация

Источником шума и вибрации на производстве является работающее оборудование.

Малые механические колебания, возникающие в упругих телах или телах, находящихся под воздействием переменного физического поля, называются вибрацией.

Причиной возбуждения вибраций являются возникающие при работе машин и агрегатов неуравновешенные силовые воздействия, которые возникают:

- при возвратно-поступательных движениях систем (кривошипно-шатунные механизмы, выбойчные устройства и т.п.);

- в результате наличия неуравновешенных вращающихся масс (ручные электрические и пневматические шлифовальные машины, режущий инструмент станков и т.п.);

- при ударах деталей (зубчатые зацепления, подшипниковые узлы).

Значение шума и вибрации, создаваемых при работе различного оборудования, приведены в табл. 5.2

Таблица 5.2

Значение шума и вибрации при работе оборудования

Наименование оборудования	Шум, дБ, (f=250-1000 Гц)	Вибрация, дБ
Смесители	85	118
Темперирующие машины	80	114
Формующие машины	85	118
Заверточные машины	78	118

Для уменьшения воздействия шума на человека принимаются меры.

1) Организационного характера:

- нормирование шума;

- организация предварительных и периодических медицинских осмотров работников;

- сокращение времени работы с шумными машинами и оборудованием - через определенный период времени (Т=2-4 ч) рабочие направляются на малошумные рабочие места, на их место приходят другие

2) Предотвращение образования и распространения шума:

- рациональное планирование помещений. При планировке территории шумные помещения сконцентрированы в одном месте. Помещения для протирки пюре расположены на первом этаже и отгорожены тихими помещениями складов хранения сырья;

- использование звукоизолирующих кожухов и звукопоглощающих материалов. Это позволяет значительно снизить шум в непосредственной близости к источнику. Кожухи могут быть съемными и разборными, иметь смотровые окна. Внутренняя поверхность кожуха обязательно должна облицовываться звукопоглощающими материалами. На данном предприятии кожухами закрыты формующие машины, мельница для получения сахарной пудры;

- использование средств индивидуальной защиты (наушники, ушные вкладыши) - в помещениях для измельчения;

- изменение направления шума ориентированием воздухозаборных и выпускных отверстий систем механической вентиляции и компрессорных установок в сторону от рабочих мест.

Для снижения вибрации на вибротранспортерах используют виброизоляторы. Чтобы снизить вредное воздействие вибрации на организм человека, следует установить регулярные перерывы в работе на местах с повышенной вибрацией.

Шум нормируется в рабочих местах согласно ГОСТ 12.1.2003-83 и СН 2.4/2.1.8.562-96 «Санитарные нормы допустимых уровней шума на рабочих местах». Предельно допустимое значение шума для помещений с постоянными рабочими местами производственных предприятий 90 дБа.

Санитарно-гигиеническое нормирование вибраций регламентирует параметры производственной вибрации и правила работы с виброопасными механизмами и оборудованием, ГОСТ 12.1.012-90 «ССБТ. Вибрационная безопасность. Общие требования», СН 2.2.4/2.1.8.566-96 «Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий».

Электрический ток

Электронасыщенность современного производства формирует электрическую опасность, источником которой могут быть электрические сети, электрофицированное оборудование и инструмент, вычислительная и организационная техника.

Для защиты от электрического ока используются меры:

- заземление оборудования. Используется в формующих, заверточных, темперирующих, сбивальных машинах др.;

- недоступность токоведущих частей оборудования для случайного прикосновения. Установлены ограждения на упаковочных машинах, а также на линии А2-ШЛД;

- двойная изоляция на открытых участках электросетей;

- предупреждающие надписи на токоведущем оборудовании;

- средства индивидуальной защиты (резиновые перчатки) при ремонте и обслуживании электроустановок и электросетей;

Классификация помещений по электробезопасности приведена в табл.7.3.

Таблица 7.3

Категории помещений по электробезопасности

Помещение	Категория опасности	Факторы
Варочное отделение	С повышенной опасностью	Температура более 35 С
Производственные цеха	С повышенной опасностью	Возможность соприкосновения к токопроводящему оборудованию; наличие оборудования с высоким напряжением
Склад готовой продукции	Без повышенной опасности	Сухой, беспыльный
Склад сырья	С повышенной опасностью	Наличие токопроводящей пыли
Административный корпус	Без повышенной опасности	Сухой, беспыльный

Статическое электричество образуется при трении диэлектриков. Его источником являются клиноременные передачи, системы пневмотранспортирования сахара.

Основное средство борьбы со статическим электричеством - заземление оборудования и емкостей. Сопротивление заземления в электроустановках до 1000 В не должно превышать 4 Ом. Металлические шланги должны быть снабжены гильзой из латуни.

Освещение

Комфортные условия труда во многом зависит и от освещения помещения. Освещение рабочего места имеет высокое значение для безопасности труда, степени утомляемости работников и трудоспособности в течение рабочей смены. Всеобщим межотраслевым документом, содержащим нормы естественного и искусственного освещения предприятий, является СНиП 23-05-95 (к.е.о. 1.5%-2.0%, Е_н=200 лк).

Естественный свет имеет высокую биологическую и гигиеническую ценность, т. к. обладает благоприятным для зрения человека спектральным составом и оказывает положительное воздействие на психологическое состояние человека. Отсутствие или недостаток естественного освещения в помещении классифицируется как вредный производственный фактор.

Искусственное освещение нормируют в зависимости от разряда зрительной работы с учетом подразряда, который определяется контрастностью объекта и характеристикой фона. Основными источниками искусственного освещения являются лампы накаливания и газоразрядные (люминесцентные) лампы.

Произведем расчет естественного освещения:

Расчет осуществляется по формуле:

(1)

где S_o - площадь световых проемов, м²;

S_п - площадь пола помещения, м²;

е_н - нормированное значение коэффициента естественного.

освещения (е_н = е₁₀₅ -2);

К₃ - коэффициент запаса, величина, принимаемая в зависимости запыленности производственного помещения;

_о - световая характеристика окна, равная площади светового проема от площади пола;

r₀ - общий коэффициент светопропускания, определяемый по формуле

(2)

r₁ - коэффициент светопропускания материала r₁ = 0,8;

r₃ - коэффициент, учитывающий потери света в несущих конструкциях при боковом освещении r₃ = 1,1;

r₂ - коэффициент, учитывающих потери света в переплетах светопроема r₂ = 0,7

Подставив значения в формулу (2), получим

r₁ - коэффициент, учитывающий повышение к.е.о

благодаря свету, отражаемому от поверхностей помещения r₁ = 1,2.

Формула (1) имеет вид

Подставив значения в формулу, получим

м²

Согласно расчетам, площадь окна в помещении 2,5 м²

Произведем расчет искусственного освещения.

Цель этого расчета сводится к определению оптимальной освещенности рабочих мест помещения с минимальным расходом электроэнергии.

Расчет освещенности сводится к определению светового потока ламп. Определяют необходимый световой поток по формуле:

лм; (3)

где Е_н - нормируемое значение освещенности лк (принимается по отраслевым нормам), Е_н =100 лк;

К_з - коэффициент запаса для люминесцентных ламп, К_з = 2,0;

S - площадь освещаемого помещения, S=9 м²;

Z - коэффициент неравномерности освещения, Z=1,1;

N - число светильников, N=2;

n - число ламп в светильнике, n=2;

- коэффициент использования светового потока.

Коэффициент использования светового потока показывает, какая часть суммарного светового потока светильников попадает на рабочую поверхность. Величина этого коэффициента зависит от типа светильников, коэффициентов отражения стен, потолка, а также индекса помещения i, который характеризует геометрические соотношения в помещении и определяется по формуле: