Размещено на http://allbest.ru

Вступ

автоматизація пастерізація схема управління

Автоматизація виробництва завжди була однією з основних складових прискорення техніко-економічного прогресу в промисловому комплексі. Зараз вона набула нових рис у зв'язку з бурхливим розвитком технічних засобів - мікропроцесорної техніки і персональних комп'ютерів, функціональні можливості яких дають змогу використовувати найдосконаліші методи в рамках сучасних складних систем управління. Мікропроцесорні пристрої та ПК, пов'язані між собою обчислювальними й керуючими мережами з використанням загальних баз даних, дозволяють впроваджувати комп'ютерні технології у нетрадиційні сфери діяльності підприємства, що проявляється в інтеграції виробничих процесів та управлінні.

Таким чином головним напрямом автоматизації в промисловому комплексі на сучасному етапі є створення комп'ютерних технологій управління. Основою систем автоматизації нині стали функціональні можливості мікропроцесорних систем управління, при створенні яких вирішальну роль відіграють такі фактори, як використання принципів інтеграції, розподіленого управління, програмних комплексів. Слід додати, що при автоматизації виробництва об'єктом є не окремий технологічний процес чи агрегат, а технологічний комплекс із складними взаємозв'язками між його підсистемами. Сучасні системи автоматизації на базі мікропроцесорних пристроїв та ПК мають широкі функціональні можливості й досконалі технічні характеристики, які забезпечують підвищення надійності, швидкодію, оперативність управління, збільшення кількості входів-виходів, поліпшення комфортності праці оператора.

На сучасному етапі практично жоден складний виробничий технологічний процес не може обійтись без повної чи часткової автоматизації. Це пов'язано із складністю процесів, які протікають, швидкозмінністю і динамічністю режимів, необхідністю точного та своєчасного керування технологічним процесом. Тому автоматизація таких технологічних процесів є необхідною умовою для успішного проведення технологічного процесу.

Повна чи часткова автоматизація виробничих процесів передбачає контроль, регулювання, та сигналізацію технологічних параметрів за допомогою відповідних автоматичних пристроїв. Сукупність технологічного процесу та автоматичних засобів її реалізації називається автоматизованою системою керування (АСУ).

Система АСУ взаємодіє із зовнішнім середовищем і кількісно її можна оцінити за допомогою входів та виходів. Входами можуть бути: температура пару, який надходять в апарат. Виходами, як правило, є температура продукту. Контроль і регулювання саме цих параметрів і має забезпечувати автоматична система керування технологічним процесом.

Автоматизація технологічних процесів на сучасному етапі пропонує широке впровадження обчислювальної техніки в системи управління, які повинні вирішувати задачі основного технологічного обладнання, допоміжних операцій, контролю, аналізу і управління технологічними процесами на основі математичних методів і застосування ПК, автоматизації проектування автоматизованих процесів.

Впровадження комп'ютерних технологій управління дає можливість підвищити техніко-економічні показники виробництва, збільшити випуск високоякісних продуктів, ефективніше використовувати трудові і матеріальні ресурси, а також поліпшити якість, достовірність і своєчасність обробки технологічної і оперативної інформації для оптимального управління підприємством. Рівень автоматизації виробництва при використанні комп'ютерних технологій досягає 90 - 95%.

Мета проекту - автоматизація технологічного процесу пастеризації молока із застосуванням сучасних приладів і засобів контролю.

Завданнями роботи є: вибір об'єктів управління; визначення параметрів для контролю, управління, сигналізації; розробка функціональної схеми автоматизації та іншої документації.

1. Аналіз технологічного процесу, як об'єкта автоматизації

автоматизація пастерізація схема управління

Опис технологічного процесу.

Процес пастеризації полягає в нагріванні молока або інших рідин для знищення хвороботворних мікроорганізмів, що викликають псування молока і молочних продуктів, а деяким продуктам надають специфічний смак і запах, а також збільшення терміну зберігання продуктів.

Пастеризація - це теплова обробка молока нагріванням від 63 °С до температури, близької до точки кипіння його. Розрізняють тривалу, короткочасну і миттєву пастеризацію. Тривала низькотемпературна пастеризація - нагрівання молока до 63-65 °С з витримкою при цій температурі до 30 хвилин. Короткочасна високотемпературна пастеризація - нагрівання молока до 72-76 °С з витримкою 15-20 секунд. Цей режим гарантує майже повне (99,98%) знищення мікроорганізмів. Миттєва пастеризація - нагрівання молока до температури 85-98 °С без витримки.

В даному технологічному процесі використовується миттєва пастеризація. Якщо розглянути найпростіший варіант, то молоко в спеціальному теплообміннику-пастеризаторі підігрівається водяною парою до потрібної температури, витримується так якийсь час, а потім направляється на подальшу обробку, мал.1. От тільки температура молока в розглянутому варіанті на практиці «гуляє» у досить великих межах, що неминуче позначається на якості кінцевого продукту.

Мал. 1. Структура контуру пастеризації з одним теплообмінником.

Суть у тому, що подача пари з котельні на установку є нерівномірною, тому що, проміжною ланкою такого ланцюга є гребінка, куди підключені і інші установки-споживачі. Тиск пари в магістралі змінюється, і як результат - міняється температура молока. Тому застосування швидкодіючих контурів регулювання тут не допоможе.

Виходом із сформованої ситуації є використання проміжної ланки у вигляді ще одного теплообмінника Т-1, мал.2. В такому випадку пара гріє воду, а вода, у свою чергу, гріє молоко в пастеризаторі, тобто, отримуємо свого роду буфер, який додасть інерційності в систему. Такий контур значно легше автоматизувати, як із використанням звичайних регуляторів, так і з застосуванням мікроконтролерів.

Мал. 2. Структура контуру пастеризації з двома теплообмінниками.

Структура контуру пастеризації молока наведена на мал.2. Молоко з резервуару Р-1 насосом Н-3 подається в буферну ємність Б-1, з якої через насос Н-2 надходить у теплообмінник-пастеризатор Т-2. Якщо температура молока на виході пастеризатора становить від + 88 до +98 °С, то автоматика повинна перемкнути клапан кільця К-2 у положення «1», при якому кінцевий продукт (пастеризоване молоко) буде поданий на вихід з установки. Якщо температура продукту вище або нижче за норму - клапан автоматично перемикається в положення «0», і молоко повертається в буферну ємність Б-1 на повторний цикл проходження через пастеризатор.

Таблиця 1. Карта технологічних параметрів

Вимоги до системи автоматизації

Система автоматичного управління зазначеним контуром повинна враховувати безліч нюансів його роботи. Перш за все, точне і швидке регулювання температури молока на виході пастеризатора. Обмеження на відкриття клапана К-1 при низькій температурі води, що захищає пластичний теплообмінний Т-1 від різкого збільшення дисбалансу температур пари і води, що може пошкодити пластини теплообмінника. Крім того, система автоматичного управління повинна забезпечувати виконання коректних дій при аварійних ситуаціях на об'єкті. Сюди входять реакція на обрив лінії зв'язку датчиків температури пари і води, аварійний перегрів молока або води, перевищення заданої швидкості наростання температури води на вході в пастеризатор.

2. Розроблення функціональної схеми автоматизації

Обґрунтування і вибір параметрів контролю, реєстрації, керування, регулювання, захисту, блокування та сигналізації.

Регулювання

Для отримання якісного продукту (молока) на виході з пастеризатора, потрібно регулювати проміжний параметр - температуру гарячої води t_в на вході у пастеризатор, який є менш інерційним. Відповідно до цього також регулюється температура молока t_м на виході з пастеризатора.

Індикація

Температура теплоносія на вході в теплообмінник «пастеризатор» t_в і температура продукту на виході пастеризатора, t_м.

Сигналізація

Сюди входять реакція на обрив лінії зв'язку датчиків, температури пари і води, аварійний перегрів молока або води, перевищення заданої швидкості наростання температури води на вході в пастеризатор.

Функціональні ознаки системи автоматизації

Таблиця 2

Проектування та опис ФСА

На основі вимог до системи автоматизації, визначених функціональних ознак та аналізу структури контуру пастеризації з двома теплообмінниками проектуємо функціональну схему автоматизації.

Мал. 3. Функціональна схема автоматизації процесу пастеризації.

Молоко з резервуару Р-1 насосом Н-3 подається в буферну ємність Б-1, з якої через насос Н-2 надходить у теплообмінник-пастеризатор Т-2. Якщо температура молока на виході пастеризатора становить від + 88 до +98 °С, то автоматика повинна перемкнути клапан кільця К-2 у положення «1», при якому кінцевий продукт (пастеризоване молоко) буде поданий на вихід з установки. Якщо температура продукту вище або нижче за норму - клапан автоматично перемикається в положення «0», і молоко повертається в буферну ємність Б-1 на повторний цикл проходження через пастеризатор.

Для нагрівання молока до вказаної температури в пастеризаторі використовується послідовний контур. Суть його роботи полягає в наступному. На утановку подається водяна пара, що надходить у теплообмінник «пар-вода» (Т-1) і передає тепло воді, що циркулює по замкнутому контуру: насос Н-1 - теплообмінник Т-1 - пастеризатор Т-2 - насос Н-1. Вода, у свою чергу, нагріває молоко за допомогою пастеризатора Т-2. Ступінь нагрівання молока визначається положенням регулюючого клапана К-1, встановленого на лінії подачі пари в теплообмінник Т-1.

3. Вибір технічних засобів автоматизації і розроблення структурної схеми системи управління

Вибір і обґрунтування технічних засобів автоматизації.

Для регулювання температури процесу пастеризації виберемо універсальний мікропроцесорний регулятор МІК-51. Це мало канальний багатофункціональний мікропроцесорний контролер, призначений для автоматичного регулювання і логічного керування технологічними процесами. Контролер забезпечує локальне, каскадне, програмне, супервізорное, багато зв'язане регулювання.

Контролер МІК-51 дозволяє користувачу вибрати потрібний комплект модулів і блоків згідно числу і виду вхідних-вихідних сигналів. Залежно від замовленої конфігурації контролер може мати 4 аналогові (4AI) входи, до 19 дискретних входів (19DI), до 4 аналогових (4AO) і до 21 дискретного (21DO) виходу. Прилад має вбудовані засоби самодіагностики: сигналізація і ідентифікація несправностей, сигналізація при виході сигналів за допустимі межі, при збоях в ОЗУ, порушенні обміну по мережі і т.д.

Програмування контролера виконується за допомогою клавіш передньої панелі або по інтерфейсу RS-485 з підтримкою протоколу ModBus за допомогою спеціального програмного забезпечення - візуального редактора FBD-програм АЛЬФА. Редактор має вбудований відладчик програм, систему логічного контролю стану програми, можливості документування програм, друку, представлення програми у вигляді таблиці і ін. Контролер МІК-51 містить бібліотеку функціональних блоків, достатню для того, щоб вирішувати порівняно складні задачі автоматичного регулювання і логіко-програмного управління.

Більш докладна інформація про можливості контролера МІК-51 наведена у технічній документації на виріб.

Для перетворення сигналів від датчиків температури в уніфікований сигнал постійного струму використаємо БПО-32.

Блок БПО-32, призначений для перетворення зміни опору резисторних датчиків (термоперетворювачів, опору реохордів) по трьох провідній схемі підключення в уніфікований сигнал постійного струму 0-5 мА, 0-20 мА, 4-20 мА, 0-10В.

Блок перетворення сигналів термоопорів БПО-32

- Призначений для перетворення сигналів термоперетворювачів опору ТСМ 50М, ТСМ 100М, ТСМ 23 гр., Cu 50, Cu 100 ТСП 50П, ТСП 100П, ТСП 21гр., Pt 50, Pt 100 у вихідний уніфікований сигнал постійного струму.

- Діапазони вимірюваних температур -200...+200°С для мідних термоперетворювачів і -200...+850°С для платинових термоперетворювачів (залежно від типу термоперетворювача опору, що використовується).

Технічні характеристики

- Кількість каналів: 2 ідентичних, мають однакову настройку- Гальванічна ізоляція: між каналами, по живленню- Схема підключення датчика: - 3-х провідній - Компенсація не лінійності характеристики: для платинових термоперетворювачів опорів ТСП

- Регулювання початкового значення опору (відповідне нульовому вихідному сигналу) і діапазону зміни опору (відповідне зміні вихідного сигналу)- Струм живлення датчика: 2 ± 0,5 мА- Початкове значення вхідного сигналу: від 0 до 150 Ом- Діапазон зміни вхідного сигналу: від 2,5 до 200 Ом- Вихідний сигнал: 0-5 мА (Rн<2кОм), 0-20 мА, 4-20 мА (Rн<0,5кОм)- Основна приведена погрішність перетворення: ±0,25%- Температура навколишнього середовища: від +5°С до +50°С- Живлення: не стабілізовані 24В±15%- Струм споживання: не більше 90 мА- Корпус (ВхШхГ): 44х92х123 IP30, кріплення: рейка DIN35х7.5 EN50022, маса: не більш 0,24кг.

Danfoss датчик температури MBT 3260

MBT 3260 - датчик температури, призначений для полегшених умов експлуатації, який можна використовувати для вимірювання і регулювання в трубопровідних і вентиляційних системах, а також в інших областях промисловості, де відсутня агресивна дія на засоби вимірювання.

Завдяки тому, що захисна трубка виготовлена з міді, датчик MBT 3260 відрізняється малою інерційністю (постійна часу для води до t 0,5 = 2 сек.). В цьому датчику використовується стандартизований термометр опору Pt100 або Pt1000, що забезпечує надійне і точне вимірювання.

Деталі, що контактують з робочими середовищами, виготовлені з міді або латуні. В стандартний комплект поставки MBT 3260 входить штекер типа DIN 43650.

· Термопретворювачі опору Pt100 або Pt1000

· Діапазон температур від -50 до 120 °С

· Мідна захисна гільза

· Мала постійна часу

· Різьбове приєднання G Ѕ A

· Позолочені електричні контакти

· Незамінний чутливий елемент

· Різні довжини зануреної частини: 50, 100 або 250 мм.

Для регулювання подачі пари у теплообмінник Т-1 використаємо шаровий кран АРТ. 720000 з пневмоприводом. Серія WAFER

Характеристика

- Шаровий кран з пневмоприводом. - Корпус: неіржавіюча сталь AISI 304, AISI 316- Шар: неіржавіюча сталь AISI 304, AISI 316- Ущільнення: PTFE (може поставлятися з ущільненням, що

повністю охоплює шар) PTFE+graphite(виконання для пари) - Управляючий орган шарового крана: пневмопривод- Робоча температура: -20С - +160С- Ду: 15 мм - 200 мм- Максимальний робочий тиск: до 50 бар залежно від моделі

Характеристика пневмопривода

- Комплектуються пневмоприводом двох типів: простої дії (відкриття повітрям/закритя

пружиною), подвійної дії (відкриття повітрям/закритя повітрям)

- Управляючий тиск 5-8 бар

- Можлива установка блоку кінцевих вимикачів з додатковою візуальною індикацією

- Можлива установка електропневматичного позиціонера для регулювання робочого середовища

- Температура навколишнього середовища для нормальної роботи пневмопривода повинна бути

від -20 до +90°С

- Можливе приєднання електромагнітних пневморзподільників (пілотних клапанів)

- Матеріали корпусу пневмопривода - алюмінієвий сплав.

Для керування вихідним продуктом використаємо соленоїдний клапан прямої дії триходовий з диском в сердечнику від 1/8" до 1/4", серія 327. Компанії АДЛ.

- Триходовий соленоїдний клапани прямої дії з вихлопом зверху

- Клапан призначений для роботи під відносно високим для 3/2 функції

тиском

- Клапан не вимагає мінімального робочого тиску

- Клапан може бути встановлений в будь-якому положенні, що не

впливає на його роботу

- Використовування високоякісних матеріалів і ретельне тестування клапанів забезпечують високу надійність.

Загальна характеристика

Перепад тиску 0-20 бар [1 бар = 100кПа]

Максимальна в'язкість 65 сСт (мм2/c)

Час спрацьовування 5-25 мс

Система 6000 електропневматичний перетворювач для сигналів постійного струму регулюючий І/Р - перетворювач типу 6111 виробництва SAMSON AG.

Опис

Прилади призначені для перетворення сигналу постійного струму в пневматичний вимірювальний і регулюючий сигнал, особливо підходять як проміжна ланка для переходу від пристроїв електровимірювань до пневматичних регуляторів.

На вхід цих приладів подається сигнал постійного струму 4…20 мА, а для типу 6111 також і 0…20 мА.

Таблиця 3. Специфікація на технічні засоби автоматизації

Розробка структурної схеми системи регулювання

Дана система є класичним прикладом необхідності використання каскадного регулювання. Саме таке регулювання використовується для контурів, які мають велику транспортну затримку по каналу регулювання і в яких є можливість вимірювати проміжну координату, що має меншу інерційність.

У такому випадку, оптимальним є формування контуру регулювання температури молока зміною подачі пари в теплообмінник Т-1 з урахуванням температури води на вході в пастеризатор Т-2. Приклад контуру каскадного регулювання наведено на мал. 4. Потрібно враховувати також необхідність обмеження виходу регулятора, щоб клапан К-1 відкривався поступово, а в ідеалі - за заданою кривою.

Размещено на http://allbest.ru

Мал. 4. Структурна схема регулювання

4. Реалізація програм для ПЛК

Розробка алгоритму управління

Проаналізувавши хід процесу і вимоги до системи автоматизації приступаємо до розробки блок-схеми, та алгоритму програми. Алгоритм містить певну кількість кроків, які визначаються в залежності від зміни заданих параметрів. Програма виконується крок за кроком. Якщо при виконанні кроку умова буде виконана, то програма переходить до наступного кроку.

Мал. 5. Блок-схема алгоритму програми

Створення програми керування для ПЛК

На мал. 6 наведено FBD-програму для контролера, складену в редакторі «Альфа». Основним елементом програми є блок каскадного ПІД-регулятора PID_CAS (61). Блок має 2 входи: PV.M (вхід провідного регулятора) і PV.S (вхід веденого регулятора).

Вхід PV.M підключений до виходу OUT.SCAL функціонального блоку аналогового входу № 1 AIN (05), тобто значення температури молока після пастеризатори подається на вхід провідного ПІД-регулятора. Вхід PV.S підключено до відповідного виходу блоку аналогового входу № 2, що забезпечує подачу величини температури води після теплообмінника Т-1 на вхід веденого ПІД-регулятора. Вихід регулятора подається на аналоговий вихід № 1 (блок AOT (08)) і на дисплей «ВИХІД» першої панелі індикації (блок USER (63)). Крім того, при падінні температури нижче встановленої межі, на виході dMIN блоку регулятора з'являється логічна "1", яка інвертується і забезпечує подачу «0» на дискретний вихід 1 контролера, забезпечуючи тим самим повернення молока в буферну ємність Б-1.Обмеження виходу регулятора забезпечується використанням блоку формування кусково-лінійної функції LINEAR (52).

Мал. 6. Програма курування

Для визначення швидкості нагріву води використовується блок диференціювання DERIV (18). Значення швидкості порівнюється із заданим (10 °С/с) у компараторі CMP (37). У разі перевищення заданого значення на виході компаратора dGR з'являється логічна "1", що надходить на вхід блоку багатовхідних АБО (OR_M (22)), і в остаточному підсумку, забезпечує повне закриття клапана К-1 регулятором і формує світлову сигналізацію. Аналогічно функціонують і інші контури аварійного захисту (обрив лінії датчиків температури, перегрів молока більше 98°С і води вище 105°С). Сигналізація при наявності будь-якої з блокувань забезпечується використанням функціонального блоку мультівібратор OSC_M (41), який за логічного сигналу високого рівня з виходу блоку АБО формуватиме подачу 1 на дискретний вихід DO2 (блок DOT (09)) тривалістю в 1 с з таким же інтервалом паузи. На першій панелі індикації крім значення виходу регулятора відображається також температура молока (дисплей «ПАРАМЕТР») і температура води (дисплей «ЗАВДАННЯ»).

5. Розроблення структури системи управління

Розробка структурної схеми системи управління

Всі зазначені вимоги, що пред'являються до системи автоматичного управління, з легкістю забезпечуються автоматизацією об'єкта з використанням контролера МІК-51. Для включення контролера в контур управління необхідно задіяти 2 аналогових входи, 1 аналоговий і 1 дискретний виходи. Через блок перетворення сигналів БПО - 32 до аналоговому входу AI1 підключається датчик температури молока на виході з пастеризатори, до входу AI2-датчик температури води на виході з теплообмінника Т-1. Дискретний вихід DO1 визначає положення клапана кільця К-2. Пневматичний виконавчий механізм, керуючий становищем клапана К-1 на лінії подачі пари в теплообмінник Т-1, через електро-пневмо перетворювач І/Р - 6111 підключається до аналогового виходу AO1 контролера.

Мал. 6. Структурна схема управління.

Висновок

В процесі виконання курсової роботи були одержані знання і навички по постановці задач керування, проектування функціональних схем АСУТП, вивчений технологічний процес пастеризації, вибрано структуру і тип АСУТП, засоби автоматизації і описано функціональні схеми, надходження сигналів в АСУТП і їхня обробка.

Спроектована система забезпечує оптимальний режим роботи технологічного процесу. Для побудови системи запропоновані відповідні технічні засоби автоматизації. Розроблена програма керування для ПЛК мовою FBD блоків.

Отже, результатом даного курсового проекту є розроблена автоматизована система керування пастеризації молока. Досвід створення АСУТП показав, що при впровадженні у виробництво автоматизованих систем зростає ефективність виробництва, знижується собівартість продукції, підвищується її якість. Тому створення таких систем є дуже важливим і перспективним напрямком розвитку.

Література

1. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие / А. С, Клюев, Б. В. Глазов, А. Х. Дубровский, А. А. Клюев; Под ред. А. С. Клюева. - М.: Энергоатомиздат, 1980. - 464 с.

2. Федоров Ю. Н. Справочник инженера АСУТП: Проекти-рование и разработка. Учебно-практическое пособие. - М.: Инфра-Инженерия, 2008. - 928 с.

3. Справочник проектировщика автоматизированных систем управления производственными процессами. (Под ред. Г.Л.Снялянского)-М.: Машиностроение. 1983 - 528 с.

4. Стефани В.П. Основы построения АСУТП - М.: Энергия.1982 - 852 с.

5. ГОСТ 21.404-85. Автоматизация технологических процессов. Обозначения условных приборов и средств автоматизации в схемах. -М.: Стандартиздат.1985.

6. Автоматизированные системы управления технологическими процессами (справочник)./ Под ред. акад. Б.Б.Тимофеева.- К.: Технiка, 1983.-351 с., ил.

Размещено на Allbest.ru