Разработка функциональной схемы автоматизации процесса производства жидкой шоколадной массы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Автоматика, автоматизация, устойчивость системы, система контроля и управления, схема автоматизации, аппаратура автоматики.

Тема: «Разработка функциональной схемы автоматизации».

Объект: процесс производства жидкой шоколадной массы

Цель: составить функциональную схему автоматизации и выбрать аппаратуру автоматики.

Рассмотрены основные условные обозначения, используемые при составлении функциональных схем автоматизации, аппаратура автоматики, используемая на предприятии в процессе производства жидкой шоколадной массы.

Содержание

Введение

1. Расчет устойчивости одноконтурной системы регулирования

1.1 Преобразования структурных схем

1.2 Алгебраический критерий устойчивости Гурвица

1.3 Частотный критерий устойчивости Михайлова

2. Проектирование одноконтурной системы регулирования

2.1 Описание технологического процесса

2.2 Описание схемы автоматизации

2.3 Выбор и обоснование средств контроля и регулирования

Заключение

Спецификация

Список используемой литературы

Введение

Цель проекта - автоматизация технологического процесса производства жидкой шоколадной массы с применением современных приборов и средств контроля.

Задачами курсового проекта является: выбор объекта управления; определение параметров для контроля, управления, сигнализации; разработка функциональной схемы автоматизации и другой документации.

В настоящее время все большее внимание уделяется вопросам автоматизации и созданию автоматизированных систем управления (АСУ). Эксплуатация таких систем может быть эффективной только при всесторонних глубоких знаниях в области автоматического управления не только персонала, обслуживающего системы, но и всех работников сферы управления предприятием, цехами, вспомогательными службами.

Развитие промышленного производства продолжается по пути роста разнообразия производимый продукции, усложенения технологических процессов и процедур управления. Сегодня ни одно производство не может обойтись без использования автоматизированных системах управления. В них осуществляется контроль и регулировка параметров процессов, разработка и исполнение программ для технологического оборудования с числовым управлением, сбор статистики по технологическим параметрам и загрузке оборудования и т.п.

1. Расчет устойчивости одноконтурной системы регулирования

W_p(p), W_c (p), W_o(p), W_и(р) - передаточные функции: регулятора, исполнительного механизма, объекта регулирования, измерителя (датчика) соответственно;

?_з, ?, ?_и - заданное, действительное, и измеренное значения регулируемой величины соответственно;

? - возмущающее воздействие.

Вид передаточных функций:

W_и(р) = K_u

W_c (p) = 1/Т_ср

W_p(p) = К_p

W_o(p) = K₀/(Т_ор+1)(Tp+1)

Коэффициенты передаточных функций

К_о = 2 Т_д = 30

Т_о = 70 К_с = 0,5

Т = 40 Т_с = 20

К_р = 13 К_и = 1

Т_и = 100 Т_I = 35

Рисунок 1.1 - Схема автоматической системы регулирования

Для этих звеньев можно записать соотношение:

1.1 Преобразование структурной схемы

Система автоматического управления будет называться устойчивой, если, выведенная из состояния равновесия и представленная самой себе, она возвращается в исходное состояние, т.е. при снятии внешнего воздействия САУ возвращается в то состояние, в котором она находилась до возмущения.

Последовательное соединение звеньев: звенья системы автоматического управления, описывающие динамику отдельных элементов, могут соединяться последовательно, когда выход предыдущего звена является входом последующего. При этом результирующая передаточная функция будет равна произведению передаточных функций отдельных звеньев (Рис. 1.2).

Рисунок 1.2 - Последовательное соединение звеньев АСР

Результирующая передаточная функция есть отношение операторных изображений выходной величины к входной при нулевых начальных условиях.

Встречно - параллельное включение звеньев: при встречно-параллельном включении звеньев результирующая передаточная функция равна частному от деления передаточной функции прямой связи на единицу плюс/минус передаточная функция разомкнутого контура, в котором звенья включены встречно - параллельно (Рис. 1.3). При этом знак плюс соответствует отрицательной, а минус - положительной обратной связи.

Рисунок 1.3 - Встречно - параллельное включение звеньев

Под прямой связью понимается передаточная функция между искомыми переменными по направлению прохождения сигнала без учета главной обратной связи. Для системы, изображенной на рисунке 1, передаточная функция прямой связи и есть , а между и есть . Передаточная функция прямой связи между и равна единице, поскольку между переменными в прямой связи нет динамических звеньев, а есть динамическая непосредственная связь и . на этом основании можно записать:

где - передаточная функция разомкнутой САУ. В нашем случае:

W_pаз(р) = W_p(p) W_c (p) W_o(p) W_и(р) = (K_и·K_p·K₀)/(T_cp·(T₀p+1)·(Tp+1))=

= (Kи·Kp·K0 / (T_cT₀Tp³+T_cT₀p²+T_cTp+T_cp)

Используя общее правило записи передаточных функций замкнутой системы, можно записать ее между любыми переменными, при этом знаменатель будет неизменным, изменяться будет только числитель.

Для того, чтобы приступить к анализу устойчивости САУ определим вид характеристического уравнения замкнутой системы, для чего приравняем знаменатель передаточной системы к нулю:

Пусть

,

тогда здесь

В(Р) = K_и·K_p·K₀,

А(Р) = T_cT₀Tp³+T_cT₀p²+T_cTp+T_cp

Если сравним это выражение со знаменателем передаточной функции замкнутой системы, то обнаружим их тождественность. Подставив в это выражение численные значения, получим характеристическое уравнение вида:

T_cT₀Tp³+T_cT₀p²+T_cTp²+T_cp + K_и·K_p·K₀= 0

a₀P³+a₁P²+a₂P+a₃=0

где: a₀=56000

a₁=2200

a₂=20

a₃=26

1.2 Алгебраический критерий устойчивости Гурвица

Если характеристическое уравнение САУ имеет вид С₀ рⁿ + С₁ р^n-1 + … +С_n-1 р + С_n = 0, то САУ будет устойчива, если С₀ · 0, будут положительны все главные диагональные миноры определителя Гурвица до n-1 порядка.

Определитель Гурвица составляется следующим образом: по диагонали записывают коэффициенты от а₁ до а_n, над диагональю записываются коэффициенты с возрастающими индексами, под диагональю - с убывающими, недостающие коэффициенты заменяются нулями.

Критерий Гурвица удобен для исследования систем с характеристическими уравнениями невысокой степени (до пятой). При высокой степени характеристического уравнения или при наличии звена чистого запаздывания, когда характеристическое уравнение становится трансцендентным из-за члена вида е^-р?, удобнее, а при трансцендентном характеристическом уравнении единственно возможным, являются частотные критерии, обладающие простой геометрической интерпретацией.

Составим определители:

?₃ =

?₂ =

?₁ = а₁

?₃ = -2235200000 < 0

?₂ = -1016000<0

?₁ = 2200· 0

Вывод: после расчета алгебраического критерия Гурвица можно сделать вывод, что АСР является неустойчивой, т.к. ?₂ и ?₃ < 0

1.3 Частотный критерий устойчивости Михайлова

Если в характеристическое уравнение С₀ рⁿ + С₁ р^n-1 + … +С_n-1 р + С_n = 0 подставить выражение р = j?, то получим годограф Михайлова:

G (j?) = С₀ (j? - р₁) (j? - р₂) … (j? - р_n) = С₀ (j?)ⁿ + С₁ (j?)^n-1 + … + С_n

САУ будет устойчива, если годограф Михайлова, начинаясь на положительной вещественной полуоси, последовательно проходит в положительном направлении (против часовой стрелки) n квадрантов при изменении ? от 0 до + ?, где n - степень характеристического уравнения.

Если годограф Михайлова проходит через начало координат, то САУ находится на границе устойчивости. При этом если он начинается с нуля, то это указывает на наличие нулевого корня, если годограф начинается на положительной вещественной полуоси, но затем проходит через начало координат, то это означает наличие мнимых корне в характеристическом уравнении.

Если годограф Михайлова не последовательно проходит квадранты комплексной плоскости или не проходит n квадрантов, то САУ не устойчива.

Таким образом, критерий устойчивости Михайлова позволяет не только анализировать устойчивость замкнутых и разомкнутых САУ, но и находить число неустойчивых корней.

Расчет частотного критерия Михайлова:

Запишем выражение годографа Михайлова

G(j?) = 56000(j?)³ + 2200(j?)² + 20(j?) + 26

Для облегчения построения G(j?) при изменении ? от 0 до + ?, найдем точки его пересечения с вещественной и мнимой осями комплексной плоскости. Для этого представим G(j?) в виде вещественной и мнимой частей:

G(j?) = x (?) + jy(?) = 26 - 2200 ?² + j(20? - 56000?³),

поскольку j² = -1, j³ = - j

Для определения точек пересечения годографа Михайлова с вещественной осью приравниваем нулю мнимую его часть:

20? - 56000?³ = 0, отсюда

?₁ = 0, ?₃ = v20/ 56000 ? 0,00597 с^-1

Подставив значения ?₁ и ?₃ в вещественную часть G(j?), находим

x (?₁) = x (0) = 26

x (?₃) = x (0,00597) = 26 - 2200(0,00597)² = 25,9

Вещественную часть принимаем равной нулю:

26 - 2200 ?² = 0;

? ₂ = v26/2200 = 0,1086 с^-1

Подставив значение ? ₂ в мнимую часть G(j?), получим

y(?₂) = 2200?0,1086 - 56000(0,01086)³ = 167,22

Поскольку ? ₂ > ?₃ чередуемость корней не соблюдается, значит, система управления неустойчива.

2. Проектирование функциональной схемы автоматизации

Функциональная схема автоматизации даст представление о функционально-блочной структуре системы автоматического управления, регулирования, контроля, сигнализации, защиты технологического процесса или установок и определяет объем оснащения автоматического объекта аппаратурой автоматики.

2.1 Описание технологического процесса

Шоколадные массы без добавок в зависимости от рецептуры имеют различное соотношение сахара и какаопродуктов. В настоящее время в шоколадном производстве уделяется большое внимание рациональному использованию какао бобов, т. е. возможности получения максимального количества шоколада из 1 т какао бобов. Шоколадные массы изготавливают с содержанием жира 35-37%, а шоколадную глазурь -35,4+2-3%. Какао масло снижает вязкость шоколадных масс, сообщает шоколаду приятный вкус. Нагретые шоколадные массы обладают высокой текучестью и хорошо отливаются в формы. После охлаждения шоколад приобретает свойства твердого тела. Чем больше вводится по рецептуре изделия какао тертого, тем меньше требуется добавлять какао масла.

Для данного технологического процесса, используют специальную турбо-шоколадную коншмашину Macintyre типа А3.

Машина состоит из четырех прямоугольных емкостей 1 (корыт), снабженных для подогрева и поддержания определенной температуры рубашкой 11, к которой подведены вода и пар. Некоторые конструкции машин оборудуют электрообогревном. Дном у этих емкостей служат массивные гранитные или металлические плиты 10, по которым совершают возвратно-поступательное движение массивные гранитные или стальные катки 9, делая 26--30 ходов в минуту. Кроме возвратно-поступательного движения каток вращается вокруг собственной оси 8.

Рис. 1. Схема горизонтальной коншмашины.

В нижней части емкостей имеется спускное отверстие 12. Сверху емкости прикрыты крышками 7, в которых сделаны прорези для свободного движения шатунов 6, получающих движение от кривошипа 4 и приводного шкива 3. Подлежащая обработке шоколадная масса загружается в корыта через отверстие в крышках. Под действием катка масса перемешивается и отбрасывается на стенки емкости. При этом масса разбрызгивается и стекает обратно в емкость, вновь перемешивается и разбрызгивается.

Для контроля температуры вмонтированы термометры: для контроля температуры массы 2 и для контроля температуры воды в рубашке 5.

Продолжительность обработки массы в горизонтальной коншмашине составляет 72 ч. Для шоколадных масс без добавок температура обработки составляет 65--70° С, а шоколадных масс с добавками -- 45--55° С.

2.2 Описание схемы автоматизации

Схема автоматизации управления технологическим процессом конширования в турбо-шоколадной коншмашине включает в себя два контура.

Контур управления вязкостью в коншмашине реализован с помощью вискозиметра (поз. 1-1), ПИД-регулятора ОВЕН ТРМ212 (поз.1-2) и соленоидного клапана TORK (поз. 1-3) Вискозиметр преобразует унифицированный сигнал, который фиксируется ПИД-регулятором ОВЕН ТРМ212 установленным на щите управления, регулятор в свою очередь при отклонении от заданного давления формирует управляющее воздействие по закону ПИ-регулирования. ПИ-регулятор оказывает воздействие на регулирующий орган пропорционально отклонению и интегралу от отклонения регулируемой величины. Этот регулятор при отклонении регулируемой величины от заданного значения мгновенно срабатывает пропорциональная статическая часть регулятора, а затем воздействие на объект постепенно увеличивается под действием интегральной астатической части регулятора.

Для контроля температуры в машине установлен датчик температуры ТС-1088Л (позиция 2-1), который преобразует измеряемую температуру в аналоговый электрический сигнал. Этот сигнал фиксируется измерителем температуры 2ТРМО, (позиция 2-2) установленном на щите управления, обеспечивая непрерывную индикацию текущего значения измеренной температуры в коншмашине.

2.3 Выбор и обоснование средств контроля и регулирования

Позиция 1-1 Вискозиметр Lemis DC-41

Стационарный вискозиметр DC-41 предназначен для непрерывных измерений динамической вязкости и температуры жидких продуктов в резервуарах на глубине до 30 метров.

Прибор работает со средами с вязкостью до 1200 мПа LEMIS DC-41 использует резонансный метод измерения. Основа датчика - цилиндрический резонатор, полностью погруженный в рабочую жидкость. Применение чувствительного элемента такого типа гарантирует высокую точность и стабильную работу прибора. Использование нержавеющих сталей и сталей особого назначения позволяет измерять вязкость агрессивных жидкостей в широком диапазоне температур.

Рис. 2

Позиция 1-2 ПИД-регулятор ОВЕН ТРМ212

Измерение температуры или другой физической величины (давления, влажности, расхода, уровня и т.д.). Автонастройка ПИД-регулятора для конкретного объекта. Дополнительное реле для сигнализации о выходе измеренного значения за установленные границы (или для двухпозиционного регулирования). Регулирование мощности (например, для управления инфракрасной лампой) в модификации с аналоговым выходом 4…20мА. Сохранение настроек при отключении питания. Защита настроек от несанкционированных изменений.

Рис. 3

Технические характеристики:

- номинальное напряжение питания 90…245 В

- частота напряжения питания 47…63Гц

- допустимое отклонение номин.напряжения -15…+10%

- количество входов для подключения датчиков 2

- предел допустим. осн. погрешности измерения вход. параметра (без учета погреш. датчика) ±0,5 %

- время опроса входа не более 1 с

Позиция 1-3 Соленоидные клапаны TORK

Соленоидные клапаны T ORK производятся на полностью автоматизированном конвейере с контролем качества каждой детали, что делает каждый соленоидный клапан совершенным изделием с высокими рабочими характеристиками. Соленоидные клапаны TORK предназначены для управления потоками нейтральных и агрессивных жидкостей и газов, пара, природного газа, бензина, дизельного топлива, светлых нефтепродуктов, гидравлических масел, СО₂, N₂, H₂.

Рис. 4

Технические характеристики:

· Двухходовые и трехходовые

· Условный диаметр от 1,8 мм до 100 мм

· Материалы корпуса: латунь, никелированная латунь, чугун

· Материалы уплотнения: NBR, EPDM, FPM, PTFE

· Типы присоединения: резьбовое, фланцевое

· Различные напряжения питания

Позиция 2-1 Измеритель температуры 2ТРМО

Измеритель 2ТРМ0 предназначен для измерения температуры теплоносителей и различных сред, а также для измерения других физических параметров (веса, давления, влажности и т. п.).

Рис. 5

Заключение

Автоматизация производства - процесс, при котором функции управления и контроля, передаются приборам и автоматическим устройствам.

В данной курсовой работе была разработана схема автоматизации управления технологическим процессом приготовления жидких шоколадных масс; описана технология процесса, а также описана система контроля и управления; рассчитана АСР, проанализирована устойчивость системы.

Была произведена проверка устойчивости системы по алгебраическому критерию устойчивости Гурвица и частотному критерию устойчивости Михайлова. Так как оба метода показали одинаковые результаты, то можно сделать вывод о том, что система является неустойчивой.

Разработанная автоматизированная система управления технологическим процессом может функционировать в локальном режиме, с помощью регуляторов, установленных на щитах управления, и в режиме цифрового управления с использованием ЭВМ. Управление процессом осуществляется автоматически, с возможностью полного контроля технологом-оператором всех основных технологических параметров, значения которых отображаются на индикаторах вторичных приборов, на щите или на экране ЭВМ.

Главная цель автоматизации производства заключается в повышении производительности труда, улучшения качества выпускаемой продукции, создании условий для оптимального использования всех ресурсов производства.

Широкое применение автоматизированных систем управления обуславливается значительным экономическим эффектом, который достигается благодаря: уменьшение потерь ценных продуктов, снижение трудоемкости процессов производства, повышению культуры производства.

Спецификация

Позиционное обозначение	Наименование, тип измерительного прибора	Кол-во	Примечание
1-1	Вискозиметр Lemis DC-41	1	Прибор работает со средами с вязкостью до 1200мПа
1-2	ПИД-регулятор ОВЕН ТРМ212	1	2 входа + 1 виртуальный
1-3	Соленоидные клапаны TORK	1	Подходит для работы с агрессивными средами
2-1	Измеритель температуры 2ТРМО	1	Максимальный допустимы ток источника питания 80 мА
2-2	Датчик температуры ТС-1088Л	1	Диапазоны измерения температуры: -50…+200°С

устойчивость автоматизация управление

Список литературы

1. Задания и методические указания на курсовую работу по курсу «Автоматика и автоматизация производственных процессов», под редакцией В.И. Пугачева, Краснодар, издательство КПИ, 1989 г.

2. Каталог ОВЕН 2013-14 г.

3. Каталог запорной арматуры TORK 2014 г.

4. Справочник инженера по АСУТП. Проектирование и разработка Инфра-Инженерия, 2008 г.

5. Каталог Оникс 2014 г.

Размещено на Allbest.ru

...