Автоматизация процесса производства безалкогольных напитков

  Содержание

  

    стр.

Введение…………………………………………………………..…………...........3

1 Анализ  существующей СУ…………………………………………......…......5

1.1 Описание технологического процесса……………………………………...6

1.2 Постановка задачи...........................................................................................8

2 Синтез АСУТП производства безалкогольных напитков..................................9

2.1 Структура  АСУТП…................................………………………………….10

2.2 Выбор  датчиков...........................................................……………………...13

2.3 Выбор  исполнительных механизмов.....................………………………...16

2.4 Выбор  контроллера..................……………………………………………...16

2.5 Выбор  SCADA - системы…............…………………….…………………..18

3 Синтез САР температуры колера.........................................................................21

    3.1  Выбор принципа регулирования..................................................................22

3.2 Построение  математической  модели  ТОУ................................................23

3.3 Построение переходной функции объекта управления...............................24

3.4 Выбор  закона регулирования.........................................................................27

3.5 Расчет  оптимальных настроечных параметров............................................27

3.6 Оценка  устойчивости разомкнутой САР с ПИ-регулятором......................28

3.7 Оценка  устойчивости разомкнутой САР с ПИД-регулятором...................30

3.8 Расчет показателей качества замкнутой САР с ПИ-регулятором..............32

3.9 Расчет показателей качества замкнутой САР с ПИД-регулятором............33

Заключение…………………………………………………………..........………..35

Список  используемых источников……………………………….....…….............36 
 
 

Введение

     

    Автоматизация производства – это такой процесс  его развития, при котором функции  управления и контроля, ранее выполнявшиеся  человеком, передаются техническим  средствам.

    Общими  задачами автоматизации производства являются повышение эффективности труда, улучшение качества выпускаемой продукции, создание условий для оптимального использования ресурсов производства, улучшение условий труда, охрана природы и окружающей среды.

    Проводимое  в отраслях промышленности техническое  перевооружение, направленное на увеличение производственных мощностей, экономию материальных и трудовых ресурсов, повышение качества продукции за счет совершенствования технологического оборудования, автоматизации технологических процессов, создание автоматизированных агрегатов, участков, цехов, определяет новые задачи и цели в области создания автоматизированных систем управления (АСУ). Основная цель создания АСУ  - значительное повышение эффективности производства. Это достигается в результате комплексной автоматизации производства и управления, процессов проектирования с широким использованием современных средств вычислительной техники.

      При этом субъективные визуальные  методы технохимического и микро-  биологического контроля заменяют скоростными объективными методами для анализа и непосредственного автоматического управления технологическими процессами.

      Переход к созданию АСУ на  уровне цеха и производство  с использованием вычислительной  техники для управления технологическими  процессами стал возможен благодаря  повышению общего уровня автоматизации  пищевых производств и внедрению экономически эффективных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). В области автоматизации технологических процессов дальнейшие перспективы связаны с созданием на базе использования управляющих вычислительных комплексов (УВК) головных образцов АСУТП.

      В перспективе при создании  безотходных технологических процессов  химических производств, работающих по замкнутому непрерывному циклу, появится возможность создания технических процессов-автоматов с централизацией контроля и управления цехом на центральном диспетчерском пункте, оснащенном вычислительной техникой. 

    

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 Анализ существующей  системы 

               управления

 
 

   1.1 Описание технологического процесса  

     Характеристика  продукции, сырья и полуфабрикатов.

     Безалкогольные  фруктовые воды представлены двумя  группами напитков: общего назначения (водные растворы купажных смесей сахарного сиропа, фруктово-ягодных соков и морсов, натуральных экстрактов, пищевых кислот и красителей) и больных диабетом (сахароза заменена ксилитом, сорбитом или сахарином).

     Стадии  технологического процесса. Приготовление  газированных безалкогольных напитков состоит из следующих стадий:

 -  кондиционирование воды:

 - приготовление сахарного и инвертного сиропов;

 - получение колера;

 - приготовление купажных сиропов;

 - фильтрация и охлаждение купажных сиропов;

 - фасование и хранение безалкогольных напитков.

     

 

     Рисунок 1 - Машинно-аппаратурная схема линии  производства безалкоголь -

     ных напитков       

     Характеристика  комплексов оборудования. Линия начинается с комплекса оборудования для обработки воды (дефферезаторы, песочные и керамические фильтры, бактерицидные установки и ультрафильтрационные аппараты). Следующим идет комплекс оборудования для приготовления сахарного и купажного сиропов, состоящий из системы сироповарочных аппаратов, насосов, теплообменников, сироповарочной станции и колероварочного аппарата.

     Далее следует комплекс оборудования для  приготовления купажных сиропов, состоящий из купажных аппаратов, фильтр-прессов и теплообменников.

     Завершающим является комплекс оборудования  для  фасования.

     Машинно-аппаратурная схема линии производства безалкогольных напитков представлена на рисунке 1.

     Устройство  и принцип действия линии. Вода, являющаяся основным компонентом  напитка, сначала фильтруется в песочном фильтре 9 грубой очистки. Тонкая обеспложивающая фильтрация воды осуществляется в керамическом свечном фильтре 8.

     Для тонкой очистки воды используют фильтр-пресс  7, также работающий под давлением. Осветленная вода насосом 6 подается в катионитовый фильтр 5 для умягчения. Регенерация фильтров осуществляется с помощью солерастворителя 3 путем изменения тока воды. Умягченная вода подвергается обеззараживанию ультрафиолетовыми лучами в бактерицидной установке 4. Насосом 1 вода подается в холодильник 2, где охлаждается до температуры 4...7 °С и направляется в производство.

     Сахар по мере надобности очищают от посторонних  примесей, взвешивают и загружают в сироповарочный аппарат 12. Туда же наливают воду в количестве 40 % к массе сахара, подают исправимый брак из цеха и кипятят в течение 20...25 мин.

     Готовый сахарный сироп насосом 13 подают на охлаждение в теплообменник 14.

     В целях предотвращения кристаллизации сахарозы и придания сахарному сиропу мягкого и приятного вкуса его направляют в сироповарочный аппарат 15 для инверсии. Инвертный сахарный сироп после охлаждения в теплообменнике 17 до 25 ^СС насосом 16 перекачивается в сборник 22.

     

        Соки и настои из сборника 19, отфильтрованные при необходимости  в фильтр-прессе 20, насосом 18 подаются в стальной эмалированный сборник 21. Для растворения лимонной кислоты и эссенции, а также для приготовления разных добавок на предкупажной площадке размешены сборники 24 и 25.

     Колер, используемый для окраски напитков, готовят путем нагревания сахара до 180...200 °С в колеровочном аппарате 10, куда наливают воду в количестве 1 ...3 % к массе сахара. Из колеровочного аппарата 10 колер насосом 11 направляется в сборник 23,

     Купажный  сироп готовится в вертикальных купажных аппаратах 26...28, снабженных мешалками якорного типа. Все компоненты купажа поступают в аппарат самотеком из сборников 21, 23…25, смонтированных на предкупажной площадке. Готовый купажный сироп фильтруется на фильтре 29, охлаждается до температуры 8..10 °С и насосом 30 подается в напорный сборник 31, откуда самотеком подастся: на непрерывно действующую установку для смешивания купажа с водой. 

  1.2 Постановка задачи

     При анализе технологической системы  было установлено, что действующая  АСР морально и технически устарела. Применение в действующей АСР  централизованной системы  управления приводит к неудовлетворительному регулированию качества  безалкогольных  напитков. Также данная АСР устарела из-за использования  морально и технически устаревших технических средств автоматизации.   

    В специальной части данного проекта  будет рассмотрена САР температуры колера в колеровочном. В данном проекте необходимо:

  - выбрать структуру АСУТП;

  - исследовать динамические  и статические характеристики ТОУ;

  - выбрать структуру САР;

  - выбрать закон регулирования (ПИ, ПИД);

  - выполнить расчет настроечных параметров регулятора;

  - исследовать качество регулирования САР.

   
 
 
 
 
 
 

   
 

 

2 Синтез АСУТП производства

              безалкогольных напитков 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   2.1 Структура АСУТП

       Проектируемая система имеет иерархическую 3-х уровневую структуру.

Иерархия  системы следующая (рисунок 2):

                                   Рисунок 2 – Структурная схема  АСУТП

    - нижний уровень – уровень датчиков и исполнительных механизмов;

       - средний уровень – уровень микропроцессорного комплекса ТКМ 52;

       - верхний уровень – уровень оперативного управления.

     К приборам и средствам автоматизации  нижнего уровня относятся все  первичные и вторичные преобразователи, магнитные пускатели и усилители.

      Средний уровень (уровень контроля) представлен  промышленным

контроллером  ТКМ 52.

      Приборы нижнего уровня подсоединяются к  ТКМ 52 по электрическим проводам; сигнал у преобразователей унифицированный.

      Под верхним (SCADA-уровнем) понимается автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора, реализованное на базе персонального компьютера. АРМ выполняет следующие функции:

  - обеспечение круглосуточного обмена информацией с контроллерами;

    - обработка полученной информации, формирование баз данных 

замеров, а также предысторий текущих  событий;

    - отображение полученной информации в виде таблиц и мнемосхем с 

возможностью  показа, как полного перечня параметров, так и  параметров по конкретной технологической подсистеме;

    - построение графиков тенденций развития технологических  процессов;

    - дистанционное управление оборудованием;

       - формирование и печать отчетно-учетных документов.

      К SCADA-уровню также относятся компьютеры главного инженера, главного технолога и других специалистов, имеющих доступ к единой сети предприятия.

      Система контроля и управления предназначена  для оперативного учета, поддержания  заданных значений параметров технологического процесса и предотвращения возникновения аварийных ситуаций.     

       Для   измерения давления, уровня, расхода  и температуры в сироповарочном аппарате СА-1 используются манометр МПАК-15 4-1, датчик уровня ДУУ5 2-1,   расходомер PROline Promass 40E 1-1и термопреобразователь ТХK-0192 3-1. Температура в  сироповарочном аппарате СА-1 регулируется с помощью клапана серии 240 30. В целях предотвращения кристаллизации сахарозы и придания сахарному сиропу мягкого и приятного вкуса его направляют в сироповарочный аппарат СА-2 для инверсии.

       

       Для   измерения давления, уровня, расхода  и температуры в сироповарочном аппарате СА-2 используются манометр МПАК-15 8-1, датчик уровня датчик уровня ДУУ5 6-1, вихревой  расходомер PROline Promass 40E 5-1и термопреобразователь ТХK-0192 7-1. Температура в  сироповарочном аппарате СА-2 регулируется с помощью клапана серии 240 23.

       Инвертный сахарный сироп после охлаждения в теплообменнике Т-3 до 25 °С   насосом 24 перекачивается в стальной эмалированный сборник Е-2. Температура в  сборнике Е-2 регулируется с помощью клапана серии 240 25.

       Колер, используемый для окраски напитков, готовят путем нагревания сахара до 180...200 °С в колеровочном аппарате КА-1, куда наливают воду в количестве 1 ...3 % к массе сахара. Температура в колеровочном аппарате регулируется в теплообменнике Т-4.

       Для   измерения давления, уровня и температуры  в колеровочном аппарате КА-1 используются манометр МПАК-15 14-1, датчик уровня датчик уровня ДУУ5   12-1 и термопреобразователь ТХK-0192 13-1. Температура в  колеровочном аппарате КА-1 регулируется с помощью клапана серии 240 26.

       Купажный  сироп готовится в вертикальных купажных аппаратах 26...28, снабженных мешалками якорного типа. Готовый купажный сироп фильтруется на фильтре , охлаждается до температуры 8..10 °С  в теплообменнике Т-5 и насосом 30 подается в напорный сборник Е-3.

       Для   измерения давления, уровня, расхода  и температуры в напорном сборнике Е-3 используются манометр МПАК-15 18-1, датчик уровня датчик уровня ДУУ5 16-1,  расходомер PROline Promass 40E  15-1и термопреобразователь ТХK-0192 17-1. Температура в  напорном сборнике  Е-3 регулируется клапана серии 240 28.

       Далее продукт самотеком подастся: на непрерывно действующую установку для смешивания купажа с водой и насыщения напитка диоксидом углерода. Для измерения расхода используется расходомер PROline Promass 40E 19-1.

   

     

   2.2 Выбор датчиков 

     Массовый (кориолисовый) расходомер PROIine Promass 40 Е

     Назначение:

     Массовый (кориолисовый) расходомер PROIine Promass 40 Е применяется для технологического и коммерческого учета массового или объемного расхода, дозирования жидкостей, масел, красок, кислот и щелочей, густых растворов, пульп и различных газов в нефтехимической, химической, энергетической, пищевой, алкогольной и других отраслях промышленности как в автономном режиме, так и в системах автоматического управления, контроля, и регулирования технологическими процессами.

     Принцип измерения:

     

     Принцип измерения расхода основан на измерении силы Кориолиса, возникающей в трубах первичного преобразователя расхода в процессе протекания через них потока измеряемой среды, значение которой пропорционально массе и скорости потока. Результирующее воздействие колебаний на измерительную трубку вычисляется и обрабатывается измерительным преобразователем. Сбалансированность измерительной системы имеет решающее влияние на точность и надежность измерений и реализуется посредством генерации колебаний трубок в противофазе (подобно камертону).

     Особенности и преимущества расходомера PROline Promass 40 Е :

        - Результат измерения не зависит от свойств жидкости (в отличие от расходомеров других типов), таких как электропроводность, плотность, вязкость, температура;

         - Межповерочный интервал 4 года.

      - Стандартный токовый выход с HART-протоколом позволяет дистанционно   производить настройку расходомера, считывание данных измерения и текущих настроек без прямого контакта с прибором;

      - Компактное исполнение, требует минимум места для установки;

    - Широкий выбор диаметров датчика и монтажных частей, большой диапазон измерения расхода и широкий динамический диапазон дают возможность выбрать оптимальный вариант расходомера для каждого конкретного применения;     

     Манометр  абсолютного давления типа МПАК-15

     Манометр  предназначен для измерения  и  градуировки  абсолютного и избыточного  давления.

     Технические характеристики:

     Класс точности: 0,01.

     Диапазон измерения, Па (мм.рт.ст.): 0…4х10^5(0…3000).

     Пределы допускаемой основной погрешности  в диапазоне:              

    - 0…2х10^4 Па (0…150 мм.рт.ст.) - ±6,65 Па (±0,05 мм.рт.ст. ).  

    - 2х10^4…1,33х10^5 Па (150…1000 мм.рт.ст.) - ±13,8 Па (±0,1 мм.рт.ст.)

        - 1,33х10^5…4х10^5(1000…3000 мм.рт.ст.) - ±0,01% от  действительного               значения измеряемого давления.

     Порог чувствительности, Па (мм.рт.ст.): 2,7 (0,02).

     Рабочая жидкость: масло приборное МВП ГОСТ 1805-75.

     Температура окружающего воздуха, °С: от +15…+25

     Относительная влажность воздуха ,%: до 80.

     

     Потребляемая мощность, ВА: <2,5.

     Габариты, мм: 390х265х600.

     Масса, кг: 30.     

     Датчик  уровня ультразвуковой ДУУ5

     Назначение:

       - Датчик уровня ультразвуковой ДУУ5 (далее "датчики") предназначен для измерения уровня и температуры чистых продуктов, а также других жидких неагрессивных жидкостей различных производств.

     Технические данные:

    - Максимальная длина чувствительного элемента (ЧЭ) датчика равна 4 м.

       - Верхний неизмеряемый уровень не более (0,24+Нп-Нпогр), м, где Нп - высота поплавка, Нпогр – глубина погружения поплавка. Конкретное значение определяется геометрическими размерами поплавка и значением параметра "Зона нечувствительности от импульса возбуждения", задаваемого при регулировании;

    - нижний неизмеряемый уровень не более (0,08+Нпогр), м;

    - рабочее избыточное давление не более 2,0 МПа;

    - температура среды от минус 45 до +65 °С;

    - плотность среды от 540 до 1500 кг/м³, не менее.

     Вязкость  не ограничивается при отсутствии застывания контролируемой среды на элементах конструкции датчика и отсутствии отложений на датчике, препятствующих перемещению поплавка.

     Метрологические характеристики:

       - Абсолютная основная погрешность измерения уровня для поплавков типа  состовляет   ±1 мм;

        - Дополнительная погрешность измерения уровня вызывается изменением плотности жидкости в рабочем диапазоне температур. Ее величина определяется геометрическими размерами поплавка и разницей плотностей поплавка и продукта.

       Диапазон измерения температуры: от минус 45 до +75 °С.

       Абсолютная основная погрешность  измерения температуры:

    - в диапазоне температур от минус 45 до минус 10 °С не более ±2 °С;

     - в диапазоне температур свыше минус 10 до +75 °С не более ±0,5 °С.

       Надежность:

        - Средняя наработка на отказ датчика с учетом технического обслуживания не менее 50000 ч;

    - Срок службы датчика составляет 10 лет.

     Конструктивные  параметры:

    - Габаритные размеры датчика не превышают 145х15х 130 мм;

    - Масса датчика не более 3,6 кг.

     Термопреобразователь  ТХК- 0192

     Измеряемые  среды:            

       - газообразные и жидкие, химически агрессивные и неагрессивные среды, не взаимодействующие с материалом термоэлектродов и не разрушающие материал защитной арматуры.

     Диапазоны измерения: от -40…600 °С (Тном=450 °С).

     Номинальные статические характеристики: по ГОСТ 8.585.

     Основная  погрешность измерения:        

   - ±3,25 °С, при -40…300 °С;

   - ±0,0087Тсреды, при 300…600 °С.

     Устойчивость  к внешним воздействиям: 

       - по  устойчивости  к механическим воздействиям: вибропрочное группа №2 по ГОСТ 12997;

      - по устойчивости в температуре и относительной влажности: С4 по ГОСТ 12997. 

   2.3 Выбор исполнительных  механизмов

     Регулирующие  клапаны серии 240 и 250 с электрическими приводами типов 3274, SAM, AUMA

     Проходные и трехходовые плунжерного типа для жидких и газообразных продуктов. Исполнения по стандартам DIN, ANSI, JIS. Условный проход от Ду 15 до Ду 500. Условное давление от Ру 16 до Ру 400. Соединение: фланцевое, под приварку. Характеристика: линейная, равнопроцентная. Температура среды: от -250 до +550°С. Материал: чугун, сталь.

            2.4 Выбор контроллера

          В данном проекте использован контроллер серии ТКМ52 фирмы Тэкон, в полной мере отвечающий критерию цена/надежность.

          Один из самых дешевых по конфигурации из отечественных контроллеров – ТКМ52 обладает рядом неоспоримых преимуществ перед другими аналогами, такими как лёгкость программирования и возможность быстрого внесения изменений в готовый программный продукт; адаптация всей системы к внесенным изменениям; возможность развития системы; совместимость с предыдущими версиями; поддержка до 1000 точек ввода/вывода, сети DH-485, RS-232 (используя специальные модули, включаются в сети Remote I/O и DeviceNet, СontrolNet); гибкость при настройке модульной системы; объём памяти до 60К слов.

     Контроллер  ТКМ52 в модульном исполнении представляет собой шасси, блок питания, модуль процессора и набор модулей ввода/вывода для объекта, определяемый количеством  входных и выходных сигналов. В  состав модульных программируемых контроллеров серии ТКМ52 входит 12 модификаций процессоров, более 80 типов модулей ввода/вывода, специальные модули, 4 типоразмера шасси для установки модулей (4,7,10,13 мест).