Размещено на http://www.allbest.ru

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация технологического процесса -- совокупность методов и средств, предназначенная для реализации системы или систем, позволяющих осуществлять управление самим технологическим процессом без непосредственного участия человека, либо оставления за человеком права принятия наиболее ответственных решений.

Автоматизация производства рассматривается как один из наиболее мощных факторов развития пищевой промышленности. Развитие автоматизации предусматривает комплексное совершенствование производства, направленное на экономию трудовых, материальных и топливно-энергетических ресурсов.

Для того чтобы повысить выше перечисленные показатели, на производстве усовершенствуется старая, и вводится новая система автоматизированного управления. На рынке средств производства в данное время присутствует высокое разнообразие средств автоматизации технологических процессов, выпускаемых как отечественными, так и зарубежными производителями.

Одни из важнейших направлений повышения эффективности производства и улучшения качества продукции масло-жировой отрасли -- создание рациональной структуры предприятий отрасли, механизация и автоматизация производственных процессов на базе новейших технологий.

Решение основных задач научно-технического прогресса в масло-жировой отрасли тесно связано с разработкой современных технологий, автоматизированных приборов для контроля свойств сырья и качества готового продукта. подсолнечный масло рафинация автоматизация

Цель курсовой работы в том, чтобы получить навыки по составлению схемы автоматизации, изучить датчики для измерения и контроля заданных параметров, определить устойчивость системы на основе математических расчётов.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

1.1 Краткое описание технологического процесса производства масла подсолнечного

Сырьем для приготовления подсолнечного масла являются семена подсолнечника, ясли необходимо приготовить другие виды растительных масел применят различные масляные культуры, такие как рапс, соя, арахис, оливку, кунжут и другие.

Технология производства подсолнечного масла может быть представлена следующей технологической блок-схемой.

Рисунок 1 - Технологическая блок-схема производства масла подсолнечного

Процесс очистки семян подсолнечника представляет собой освобождение от металлических и сорных примесей. На ситовом и магнитном сепараторах очищают семена, после чего происходит процесс взвешивания и отправление в шахтную сушилку на сушку, в результате которой исходная влажность семян (10-15 %) снижается до 2-7%.

После сушилки семена охлаждаются до +35°С. Далее на дисковой мельнице производится процесс шелушения (обрушивание и отделение оболочки семян). На аспирационной веялке (иначе воздушно-ситовая машина) происходит отделение оболочки от ядра.

При помощи методов раздавливания на специальных станках или вальцовых машинах добиваются разрушения клеточных структур семени. После обработки на этих станках из исходного сырья получается мятка. Мятка проходит процесс гидротермической обработки (в данном случае увлажнение насыщенным паром), после чего, одновременно подсушиваясь, она обжаривается в специальных жаровнях.

Процесс обжаривания придает мятке требуемую для качественного отжима масла на прессе эластичность. В результате обжаривания влажность мятки снижается до 5-7%, а температура увеличивается до +105-115°С. Мятка постепенно превращается в мезгу.

Следующим этапом, который включается в себя технология производства подсолнечного масла, является экстракция. Мезга может быть подвергнута в экстракторе прямой экстракции с введением растворителей (обычно гексан либо бензин марок А и Б), либо прессованию прессом с целью получения масла.

В первом случае получается смесь масла и растворителя (так называемая жидкая фаза), а также шрот - остатки семян (иначе твердая фаза). Во втором случае, после процедуры прессования на прессе, имеем два продукта:

- масло, которое содержит частицы ядра (масло фильтруется на пресс фильтре);

- жмых, в котором содержится около 15% масла, для извлечения которого он дробится на молотковой дробилке, тонко измельчается, далее формируют лепестки и подвергают процессу экстракции.

Далее полученное масло подвергается процессу рафинации. Завершающим этапом будет розлив масла в тару и маркировка.

1.2 Выбор и обоснование современных средств автоматизации

Сигнализатор уровня TermoFH

Рисунок 2 - Сигнализатор уровня TermoFH

Таблица 1 - Основные технические характеристики

Характеристики	Значения
Напряжение питание DC	+20...30
Ток потребления в рабочем режиме	< 100 мА
Типы технологических соединений	Резьбовое соединение G3/4", Clamp - соединение 2", молочное соединение DIN Ду50,
Разъем для подключения,	Коннектор Hirschmann IP65
Материал корпуса датчика	Нержавеющая сталь AISI 304 (08Х18Н10)
Температура измеряемой жидкости,	-10...90 °С
Максимальное рабочее давление,	10 атм
Габаритные размеры,	122,5 х 35х 35 мм
Пыле-влаго-защищенность	IP65
Внешняя индикация	Светодиод, с индикацией 3-х цветов
Выход сигнализатора	твердотельное реле

В комплект сигнализатора входят три электрода-датчика и релейный блок. Прибор предназначен для сигнализации уровня продукта в трех различных точках. Релейный блок содержит три транзисторных релейных каскада с выпрямителями, работающих независимо друг от друга. Электрическая схема релейного каскада для сигнализации уровня в одной точке. Транзисторный релейный каскад собран на двух транзисторах Т1и Т2-по схеме усилителя с коллекторной и изеттерной (комбинированной) обратной связью. Нагрузкой усилителя служит электромагнитное реле Р1. Усилитель питается от выпрямительного блока В1, напряжение на который подается от понижающей обмотки 1 трансформатора ТР.

При погружении электрода датчика ДВУ в контролируемую среду на базу транзистора Т1усилителя поступает напряжение положительной полярности, снижаемое понижающей обмоткой 2 трансформатора. Транзистор Т1выходит из режима насыщения, переводя транзистор Т2 в режим насыщения и при этом срабатывает электромагнитное реле Р1.

Когда уровень продукта ниже электрода датчика, сигнал на базе транзистора Т1отсутствует, транзистор Т2 находится в режиме отсечки и катушка электромагнитного реле Р1 обесточена.Электромагнитное реле Р1имеет два переключающих контакта Р1-1 и Р1-2, подключенных к штепсельному разъему релейного блока сигнализатора.

При удельной электрической проводимости контролируемой жидкости: 0,05 до 0,25 См/м электрод датчик подключается к точке а релейного каскада, а когда свыше 0,25 См/м -- электрод датчика подключается к точке.

Рисунок 3 Электрод датчика сигнализатора уровня



Электрод датчика сигнализатор (рис. 4) состоит из составного электрода, представляющего собой изолированный металлический стержень постоянной длины и неизолированный металлический стержень 2, длину которого выбирают в соответствии уровнем продукта, штуцера 3, фиксирующего пластмассового колпачка. Стержни 1 и 2 соединены с помощь наконечника 5 и гайки 6. Пружина служит для компенсации усадки фторопластового изолятора стержня 1. Резиновый колпачок 9 изолирует место присоединения соединительного провода к электроду. Провод прикреплен электроду гайками 10. К лепестку подсоединен провод от корпуса резервуара.

Термометр сопротивления медный ТСМ 0618-0

Рисунок 4 - Термометр сопротивления ТСМ 0618-0

Комплекты термометров сопротивления предназначены для измерения разности температур и значений температур.

Назначение. Комплекты термометров сопротивления применяются в составе теплосчетчиков и других приборов учета и контроля тепловой энергии.



Таблица 3 - Технические характеристики ТСМ 0618-0

Нормируемый параметр	Значение
Диапазон измеряемых температур, °C	0...+150
Номинальная статическая характеристика преобразования	50М
Класс допуска	В
Предел допускаемого отклонения от НСХ, °C	±[0.25+0.0035(t)]
Показатель тепловой инерции, с	17 (в жидкости); 180 (в газе)
Устойчивость к механическим воздействиям	виброударопрочное исполнение гр.5 по ГОСТ 13800
Рабочее давление, МПа	6.3
Степень защищенности от внешних воздействий	IP54
Материал защитной гильзы	12Х18Н10Т

Регулирования расхода и давления

Рисунок 5 - Регуляторы расхода и давления РР, РД, РДС

Регуляторы расхода и давления прямого действия РР, РД, РДС предназначены для поддержания постоянного давления, перепада давлений (расхода) жидких и газообразных сред (воды, пара и т.п.) на вводах в жилые и промышленные здания, а также в различных отраслях промышленности.

Регуляторы расхода и давления прямого действия РР, РД, РДС могут быть собраны с нормально открытым (регулирование давления "после себя") или с нормально закрытым (регулирование давления "до себя") регулирующим клапаном.

Таблица 4 - Основные технические характеристики

Параметры	Значения для РР, РД	Значения для РДС
DN, мм	25, 32, 40, 50, 80	15, 20, 25, 32, 40, 50, 65, 80, 100, 125, 150
Условная пропускная способность Kv, м3/ч	6,3; 10; 16; 25; 60	2,5; 4; 6,3; 10; 16; 25; 40; 63; 100; 160; 250
Диапазоны настройки, МПа	0,04 - 0,16; 0,1 - 0,4; 0,16 - 0,63	0,025 - 0,63; 0,4 - 1,0
Зона пропорциональности, не более	20% от верхнего предела настройки	10% от верхнего предела настройки
Зона нечувствительности, не более	4% от верхнего предела настройки	1% от верхнего предела настройки
Относительная нерегулируемая протечка, не более	0,1% от Kv	0,5% от Kv
Температура регулируемой среды, oС	0 - 180	0 - 225

РТП-100М - Регулятор температуры прямого действия недистанционный

Рисунок 6 - Регулятор температуры прямого действия РТП-100М

Регулятор предназначен для автоматического поддержания заданной температуры регулируемой среды путём изменения расхода жидких газо- и парообразных сред, неагрессивных к материалам регулятора в условиях эксплуатации, установленных ГОСТ 12997.

Таблица 5 - Основные технические характеристики

Наименование	Значения
Диаметр условного прохода, мм	65; 80; 100; 125; 150
Значения фиксированной настройки, °C	35; 45; 50; 55; 60; 65; 70; 75; 80; 85; 90; 95
Условное давление регулируемой среды, МПа	1,0
Зона пропорциональности, °C, не более	10
Зона нечувствительности, °C, не более	3
Постоянная времени, с, не более	100
Масса, кг, не более, соответственно	33; 42; 50; 75; 100

ПР3.31-М1 устройство регулирующее

Рисунок 7- Устройство регулирующее ПР3.31-М1

Предназначен для получения непрерывного пропорционально-интегрального регулирующего воздействия давления сжатого воздуха на исполнительный механизм или какое-либо другое устройство системы регулирования с целью поддержания измеряемого параметра (расхода, давления, температуры и других) на заданном уровне.



Таблица 6 - Технические характеристики пневматического регулирующего устройства ПР3.31-М1

Характеристики	Значения
Предельные значения рабочего диапазона измерения регулируемой величины, задания и выходного сигнала, кПа (кгс/см2):	нижнее: 20 (0,2) верхнее: 100(1)
Граничные значения выходного пневматического сигнала, кПа (кгс/см2):	нижнее: от 0 до 5 (0,05) верхнее: от 100 (1)
Давление питания ПР3.31-М1, кПа (кгс/см2)	от 300 до 600 (от 3 до 6)
Расход воздуха, приведенный к нормальным условиям, в установившемся режиме, л/мин, не более	4,5

Регулятор обеспечивает передачу пневматических сигналов на расстояние по трассе до 300 м при внутреннем диаметре трубопровода линий передачи 6 мм.

Регулятор может быть использована в пожаро- и взрывоопасных помещениях.



1.3 Автоматизация процесса рафинации растительного масла

Рисунок 8 - Схема автоматизации рафинации растительного масла

Растительное масло поступает через теплообменник II в нижнюю часть нейтрализатора I, заполненного мыльно-щелочным раствором. В нижней части внутри нейтрализатора расположен трубчатый распылитель, через который масло, имеющее меньшую плотность, чем мыльно-щелочной раствор, в виде капель поступает в верхнюю часть нейтрализатора. При этом происходит химическая реакция омыления щелочью содержащихся в масле жирных кислот и переход их в мыльно-щелочной раствор, а нейтрализованное масло собирается в верхней части и оттуда отводится в бак VI для дальнейшей обработки и использования. В результате нейтрализации жирных кислот содержание щелочи (NaOH) уменьшается, а содержание мыла в растворе увеличивается. Для поддержания стабильных параметров мыльно-щелочного раствора по содержанию NaOH и мыла в верхнюю часть нейтрализатора через трубчатый распылитель подают водный раствор NaOH определенной концентрации, а избыток мыльно-щелочного раствора отбирают из нижнего конуса нейтрализатора в бак VII. Нижняя часть нейтрализатора имеет кожух-рубашку, в которую подается пар для поддержания постоянной температуры процесса. Раствор щелочи определенной концентрации непрерывно готовится в баке-смесителе III, куда подаются из расходного бачка IV концентрированная щелочь, вода и барботирующий пар для перемешивания. Подача концентрированной щелочи обеспечивается из напорного бака V самотеком.

Температура масла, поступающего на нейтрализацию, поддерживается терморегулятором прямого действия (2а), установленным на линии подачи пара в теплообменник.

Расход масла контролируется расходомером (7а), регистрируется вторичным прибором (16), регулируется изодромным регулятором ПР3.31 (1в) и клапаном (1г).

Концентрированная щелочь подается насосом VI по сигналу системы, состоящей из уровнемера (7а) и вторичного показывающего прибора с электроконтактным устройством (76), сигнализирующим о достижении нижнего уровня. Подача прекращается при достижении верхнего уровня в баке V.

В расходном бачке IV стабилизируется уровень концентрированной щелочи регулятором уровня прямого действия (6а). Из бачка IV щелочь подается в бак-смеситель III через регулирующий клапан (9г) в зависимости от концентрации, контролируемой кондуктометрическим концентратомером (9а), от кислотного числа масла, контролируемого титрометром (14а), и от содержания свободной щелочи и мыла в мыльно-щелочном растворе, что контролируется лабораторными методами (на схеме показаны отборные устройства).

Уровень в баке-смесителе III стабилизируется уровнемером (11а), прибором 11б, регулятором и клапаном (11г), установленным на линии подачи воды для приготовления раствора.

Температура раствора NaOH стабилизируется регулятором температуры прямого действия (За), установленным на линии подачи пара.

В нейтрализаторе I уровень мыльно-щелочного раствора (уровень раздела фаз масло -- мыльно-щелочной раствор) стабилизируется системой, состоящей из датчика -- буйкового межфазового уровнемера (5а, б), вторичного прибора 5в, регулятора 5г и регулирующего клапана, установленного на сливном трубопроводе мыльно-щелочного раствора.

Температура в нейтрализаторе стабилизируется регулятором прямого действия (Sa), регулирующий орган которого установлен на магистрали, подающей пар в рубашку нейтрализатора. Масло по переливной трубе сливается самотеком в бак VI. Качество процесса нейтрализации контролируется автоматическим титрометром (15а, 156).

Система автоматизации процесса рафинации облегчает обслуживание установки, позволяет значительно снизить потери жиров и масел с отходами при рафинации, а также сократить расход щелочи на 1 т готового рафинированного продукта.



2. АНАЛИЗ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Задание: Составить структурную схему системы. Определить передаточные функции системы по задающему, возмущающему воздействиям и для ошибок по этим воздействиям. Выполнить анализ устойчивости системы по критериям Найквиста, Гурвица, Михайлова. Определить запас устойчивости. Оценить качество управления по переходным характеристикам.

Исходные данные:

2.1 Составление структурной схемы системы и определение передаточных функций системы

Структурной схемой называется наглядное графическое изображение математической модели (математического описания) системы.

При математическом описании систему разбивают на отдельные звенья направленного действия, передающие воздействия только в одном направлении - с входа на выход.

На структурной схеме каждое звено изображается прямоугольником, внутри которого записывается математическое описание звена. Связи между звеньями структурной схемы изображаются линиями со стрелками, соответствующими направлению прохождения сигналов.

Элементы, осуществляющие сложение и вычитание сигналов на структурной схеме, изображают в виде окружностей. Над стрелкой проставляется знак сигнала. Иногда окружность разбивают на сектора. Тогда сектор, к которому подходит вычитаемый сигнал, затушёвывается.

Математическое описание звеньев составляют на основании законов той области знаний, к которой относится рассматриваемое звено. Если звено описывается линейным дифференциальным уравнением, то его называют линейным. Если звено описывается нелинейным уравнением, то его называют нелинейным. Системы, которые содержат только линейные звенья, являются линейными. Если система содержит хотя бы одно нелинейное звено, то она является нелинейной. Линейное описание звеньев и систем является приближённым и описывает их поведение в отклонениях от установившегося режима.

Определим передаточные функции звеньев:

2.2 Анализ устойчивости системы по критериям Найквиста, Гурвица и Михайлова

Устойчивость - это свойство системы возвращаться в исходный или близкий к нему установившийся режим после снятия воздействия, вызвавшего выход из установившегося режима.

Выходная величина устойчивой системы остаётся ограниченной в условиях действия на систему ограниченных по величине воздействий.

Неустойчивая система является неработоспособной, поэтому проверка устойчивости является обязательным этапом анализа системы.

Условием устойчивости линейной системы является отрицательность действительной части корней характеристического уравнения системы. При нулевых корнях система находится на границе устойчивости. Поскольку решение уравнений высокого порядка сопряжено с определёнными трудностями, то анализ устойчивости линейных систем проводится по алгебраическим и частотным критериям. Наиболее часто используют алгебраический критерий Гурвица и частотные критерии Михайлова и Найквиста.

2.3.1 Анализ устойчивости по критерию Гурвица

Критерий Гурвица формулируется следующим образом: для устойчивости линейной системы необходимо и достаточно, чтобы при все диагональные миноры определителя Гурвица были положительными.

Определим устойчивость САР. Для этого можно воспользоваться любой из полученных ранее передаточных функций системы, из которых следует, что характеристическое уравнение системы:

Для анализа устойчивости воспользуемся основными условиями устойчивости. Так как, найдём значения диагональных миноров. Составим определитель Гурвица.

252	363	36	0	0
48	456	168	0	0
0	252	363	36	0
0	48	456	168	0
0	0	252	363	36

Вывод: система устойчива, так как выполняется необходимое условие: все диагональные миноры матирицы положительны.

2.3.2 Анализ устойчивости по критерию Михайлова

Этот критерий устойчивости был предложен советским учёным А.В.Михайловым и позволяет судить об устойчивости замкнутой системы на основании рассмотрения некоторой кривой.

Формулировка критерия Михайлова сводится к следующему: чтобы замкнутая система автоматического управления была устойчива, необходимо и достаточно, чтобы кривая Михайлова при изменении частоты от 0 до , начинаясь при на вещественно положительной полуоси, обходила только противчасовой стрелки последовательно n квадрантов, уходя в бесконечность в последнем квадранте, где порядок характеристического уравнения.

Определим устойчивость САР:

Выделим вещественную и мнимую части.

Давая различные значения частоте, находим координаты и точек годографа Михайлова. Полученные данные заносим в таблицу 1 и строим по ним годограф.

Таблица 1 --Значения координат и точек годографа Михайлова

	0	0,2	0,5	1	1,5	2	?
	36	21,88	-39	-75	495	2,6Ч10	+?
	0	29,96	28,5	-240	-922,5	-1,78Ч10	-?



Рисунок 9 - Годограф Михайлова

Вывод: система устойчива, так как начинается на положительной полуоси и проходит в положительном направлении 4 квадрата комплексной плоскости.

2.3.3 Анализ устойчивости по критерию Найквиста

Критерий устойчивости Найквиста основан на использовании амплитудно-фазовой частотной характеристики (АФЧХ) разомкнутой системы.

Строится график АФЧХ в координатах. Для этого рассчитываются и при изменении частоты. Длина вектора, соединяющего начало координат с графиком АФЧХ, равна значению при частоте , а угол поворота от оси R равен .

Если система в разомкнутом состоянии устойчива, то для устойчивости замкнутой системы необходимо и достаточно, чтобы АФЧХ разомкнутой системы при изменении частоты от нуля до бесконечности не охватывала точку с координатами

Если система в разомкнутом состоянии находится на границе устойчивости (является астатической), то для устойчивости замкнутой системы необходимо и достаточно, чтобы АФЧХ разомкнутой системы, дополненная дугой бесконечно большого радиуса против часовой стрелки до действительной полуоси, не охватывала точку с координатами).

Если система в разомкнутом состоянии неустойчива, то для устойчивости в замкнутом состоянии необходимо и достаточно, чтобы АФЧХ разомкнутой системы охватывала точку с координатами в положительном направлении к/2 раз, где к - число корней характеристического уравнения с положительной действительной частью.

Найдём координаты точек, которые являются местом пересечения годографа с осью ординат. Для этих точек координата по оси абсцисс равна нулю (=0). То есть годограф пересекает ось, если числитель равен нулю, а именно:

Найдём координаты точек, которые являются местом пересечения годографа с осью ординат. Для этих точек координата по оси ординат равна нулю (=0). То есть годограф пересекает ось, если числитель равен нулю, а именно:

Таблица 7 Ї Значения координат и

	0	0,2	1	1,5	1,8	2	?
	0	-0,096	-0,503	-0,384	-0,313	-0,275	-0,22
	0	0,032	1,231	2,072	2,572	2,816	-?



Рисунок 10 - АФЧХ разомкнутой системы

Вывод: АФЧХ разомкнутой системы при изменении частоты wот 0 до ? охватывает точку с координатами (-1,j0), поэтому замкнутая система является устойчивой.

Определим запас устойчивости: по амплитуде ?А=0,4, по фазе ???=40°С>30°C, значит система работоспособна.

2.3 Оценка качества управления

Устойчивость САУ или САР является необходимым, но ещё не достаточным условием практической полезности системы. К системе должен быть предъявлен ещё целый комплекс требований, который объединяется понятием качества процесса управления. Оценка качества САУ ведётся по так называемым показателям качества, к которым относятся:

1) точность системы в установившемся состоянии;

2) качество переходного процесса (или показатели качества переходной характеристики).

Любая система независимо от своего назначения и конструкции должна осуществлять управление каким-либо объектом с определённой точностью, т.е. качество управления зависит от мгновенных (переходных) величин ошибки , равных разности между заданными g(t) и фактическими y(t) значениями управляемой величины

Возмущающие воздействия представляют собой случайные функции времени, поэтому оценка качества по мгновенным значениям ошибки практически не используется.

Одной из оценок качества регулирования служит оценка качества переходной характеристики САУ относительно задающего воздействия. Показатели качества переходной характеристики называются прямыми. Чем лучше переходная характеристика, тем лучше система будет отрабатывать произвольно задающее воздействие.

Качество САУ по переходной характеристике оценивается обычно по следующим показателям: величине перерегулирования h; статической ошибке, времени переходного процесса t_p; числу колебаний с (колебательность), степени затухания .

Для нашего случая заносим данные в таблицу и строим переходную характеристику.

Таблица 3 - Значения переходной характеристики

Время, мин	0	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20	22	24	26	28
Температура, 0С	65	74	81	93	95	97	96	92	91	89	85	84	90	84	90
Время, мин	30	32	34	36	38	40	42	44	46	48	50	52	54	56	60
Температура, 0С	93	92	91	87	85	85	84	81	84	90	85	92	92	90	84



Рисунок - Переходная характеристика САУ

Перерегулированием оценивают разность между максимальным значением y_1, переходной характеристики и значением задания у₀. Перерегулирование косвенно определяет также запас устойчивости. Допустимое значение перерегулирования может быть установлено на основании опыта эксплуатации подобных систем. В большинстве случаев считается, что запас устойчивости является достаточным, если величина перерегулирования не превышает 10…30%.

Время переходного процесса t_p характеризует быстродействие системы, под которым понимается промежуток времени от начала приложения воздействия до вхождения y(t) в коридор , где - допустимая динамическая погрешность. Обычно принимают =0,01…0,05 иногда до 0,2, т.е. переходной процесс в САУ считают закончившимся, когда y(t) отличается от своего установившегося значения не более чем на 1…5%.

Период колебаний - время между двумя максимумами - Т_к: Т_к=20 мин

Колебательность или число колебаний за время переходного процесса определяется числом максимумов или числом минимумов за время .

Иногда колебательность оценивают отношением соседних максимумов переходной характеристики, где амплитуда второго положительного отклонения.

Размещено на Allbest.ru

...