Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

Данная бакалаврская работа посвящена автоматизации процесса производства теста.

Бакалаврская работа включает описание технологического процесса, анализ его как объекта управления, синтез системы автоматического регулирования температуры. В работе осуществлен расчет настроек регулятора методом расширенных амплитудно-фазных характеристик. А также выбор приборов и средств автоматизации, расчет погрешности канала измерения.

Целью работы является систематизация, углубление, применение знаний и практических навыков, полученных в процессе обучения, на конкретной схеме автоматизации.

Бакалаврская работа состоит из пояснительной записки и графической части. Пояснительная записка выполнена на 60 листах формата А4 и содержит 7 таблиц и 18 рисунков.

Графическая часть выполнена на 4 листах формата А1. Библиография содержит 9 источников.

Содержание

• Аннотация
• Введение
• 1. Описание технологического процесса
• 2. Анализ технологического процесса как объекта управления
• 3. Синтез системы автоматического регулирования
• 3.1 Анализ процессов, протекающих в объекте
• 3.2 Составление системы допущений
• 3.3 Составление математической модели объекта
• 3.4 Составление математической модели САР влажности
• 3.5 Модель первичного преобразователя (ПП)
• 3.6 Модель регулятора
• 3.7 Модель исполнительного устройства
• 3.8 Модель САР влажности
• 3.9 Построение модели с помощью математического пакета MATLAB
• 3.10 Получение передаточной функции объекта
• 3.11 Параметрическая оптимизация системы методом РАФХ
• 4. Выбор приборов и средств автоматизации
• 4.1 Выбор технических средств низовой автоматики
• 4.2 Выбор контроллера и станции оператора
• 5. Расчет погрешности измерительного канала
• 5.1 Основные сведения для расчета
• 5.2 Основная погрешность датчика
• 5.3 Температурная погрешность датчика
• 5.4 Погрешность датчика от колебаний напряжения питания
• 5.5 Погрешность коэффициента усиления унифицированного преобразователя при измерении напряжения питания
• 5.6 Погрешность смещения нуля унифицированного преобразователя при колебаниях температуры
• 5.7 Основная погрешность аналого-цифрового преобразователя
• 5.8 Погрешность смещения нуля аналого-цифрового преобразователя при колебаниях температуры
• 5.9 Суммирование погрешностей
• 5.9.1 Сложение алгебраически коррелированных погрешностей
• 5.9.2 Суммирование аддитивных погрешностей для начальной части шкалы
• 5.9.3 Расчет погрешности в конце диапазона канала
• 6. Смета расходов на автоматизацию
• Вывод
• Список литературы

Введение

Процесс приготовления теста является одним из основных и наиболее продолжительным этапом, во многом предопределяющим качество будущего хлеба. К основным операциям, качество выполнения которых значительно влияет на технологические свойства теста, относят дозирование сырья и полуфабрикатов, их смешивание и замес, а также брожение.

От свойств теста в значительной степени зависит как дальнейшее его поведение при делении, формовке, расстойке и выпечке, так и качество готовой продукции. В зависимости от установленного на хлебозаводе оборудования и выпускаемого сорта изделий тесто может приготавливаться порционно с применением тестомесильных машин и дозирующей аппаратуры периодического действия, а также непрерывно с использованием тестомесильных машин, дозирующей аппаратуры и бродильных устройств непрерывного действия.

Автоматизация технологических процессов является одним из решающих факторов повышения производительности и улучшения качества производимой продукции, а также ее себестоимости. Внедрение специальных автоматических устройств способствует безаварийной работе оборудования, исключает случаи травматизма.

Целью данной работы является разработка системы автоматического регулирования процесса приготовления теста, приборов и средств автоматизации. Кроме того, необходимо рассчитать оптимальные настройки регулятора наиболее ответственного контура регулирования.

1. Описание технологического процесса

Для замеса теста на предприятиях хлебопекарной промышленности применяют тестомесильные машины. Процесс замеса заключается в смешивании муки, воды, дрожжей, соли, сахара-песка, масла и других продуктов в однородную массу, придании этой массе необходимых физических и механических свойств и насыщении ее воздухом с целью создания благоприятных условий для брожения.

Существуют два способа приготовления теста - порционный и непрерывный. При порционном тестоприготовлении применяют машины периодического действия со стационарно закрепленными или подкатными дежами. Тесто в этих машинах замешивают отдельными порциями через определенные интервалы. При непрерывном способе приготовления теста применяют тестомесильные машины непрерывного действия. В этих машинах замес теста происходит одновременно на всех стадиях и участках, по которым тесто продвигается, и выходит оно из машины непрерывным потоком.

Дрожжевое тесто можно приготовить опарным и безопраным способами.

Значение опары:

- в ней активизируются и размножаются дрожжи;

- гидратируются и пептизируются белковые вещества;

- накапливаются кислоты, ароматообразующие, водорастворимые вещества;

- технологический процесс более гибкий.

Технология приготовления опары зависит от сорта муки, ее хлебопекарных свойств, рецептуры изделия и многих других факторов. При производстве пшеничного хлеба влажность опары должна быть 47--50%, булочных изделий -- 44--46%, что объясняется различной нормой влажности теста для этих изделий. Влажность опары снижают при переработке слабой муки, чтобы задержать дезагрегацию клейковины. Если клейковина муки короткорвущаяся, влажность опары повышают на 2--3%. Количество прессованных дрожжей для приготовления опары (по рецептуре) составляет 0,5--4%.

Дрожжевое тесто всегда теплее опары. Температура опары в 28--29°С оптимальна для размножения дрожжевых клеток. В жаркое время года (особенно в южных районах) температуру снижают на 2--4°С, в зимнее время -- повышают. При переработке слабой муки и муки с повышенной автолитической активностью снижают температуру опары (и теста) на 2--3°С, для того чтобы задержать гидролитические процессы.

Дрожжевое тесто содержит в себе соль по рецепту. Она снижает активность ферментов и укрепляет клейковину. Если необходимо повысить кислотность опары, то в нее добавляют молочную сыворотку, порцию спелой опары или теста. Если дрожжевое тесто готовят для сдобных изделий, то в опару вносят молоко и яйца (согласно рецептуре).

В процессе непрерывного замеса можно выделить три источника ошибок, приводящих к отклонению качественных показателей теста: погрешность работы дозирующего оборудования, колебания качества муки, поступающей в производство, несоблюдение условий проведения замеса. Компоненты, подаваемые в смеситель, дозируются весовыми дозаторами непрерывного действия. Погрешности дозирования изменяют соотношение компонентов, предусмотренное рецептурой, и вызывают изменение качественных показателей теста.

К условиям проведения замеса теста можно отнести такие факторы, как колебания температуры и влажности окружающей среды, концентрация и влажность компонентов теста, частота вращения рабочих органов, продолжительность замеса и степень механической обработки теста в машине и ряд других характеристик тестомесильного оборудования.

Входными (управляющими) переменными замеса теста являются расходы компонентов (муки, опары, соли, сахара, жира), подаваемых соответствующими дозаторами. Выходными (управляемыми) переменными могут быть выход теста, влажность, вязкость, температура, кислотность теста и др. Это наиболее важные показатели процесса, рекомендуемые технологическими инструкциями.

Рассмотрим теперь схему автоматизации процессов тестоприготовления с использованием машины непрерывного действия типа РЗ-ХТО, отвечающую наиболее современным технологическим соображениям.

Тестомесильная машина непрерывного действия РЗ-ХТО входит в состав тестоприготовительного агрегата РЗ-ХТН. В этой машине предусмотрены две рабочие месильные камеры: камера предварительного смешивания компонентов и камера интенсивной механической обработки. Мощность электродвигателя для камеры предварительного смешивания 2,2 кВт, а для камеры интенсивной обработки теста -- 17 кВт, что обеспечивает удельную работу, затрачиваемую на замес теста до 15 Дж/г. Частота вращения рабочих органов камеры интенсивной механической обработки теста от 15 до 180 об/мин.

Технологический процесс непрерывного процесса приготовления теста заключается в следующем. Мука, жидкий полуфабрикат - опара и добавки с помощью дозаторов непрерывно подаются в месильную машину, перемешиваются в ней до образования однородной массы - теста, которое затем поступает на транспортер для теста. Процесс непрерывного приготовления теста имеет некоторые специфические особенности, влияющие на качественные показатели теста. Прежде всего, это жестко фиксированная последовательность технологических операций, исключающая возможность их повторения с целью исправления дефектов полуфабрикатов или конечного продукта. Так, если при порционном замесе параметры теста вышли за пределы, то можно повторить замес, добавить необходимое количество требуемого компонента и довести их до нормы. При непрерывном замесе это исключается; тесто, которое уже вышло из месильной машины с отклонениями по каким-либо параметрам, исправить нельзя. Поэтому приготовить тесто с требуемыми свойствами в процессе непрерывного замеса можно лишь регулированием подачи в машину одного из компонентов, например опары. Использование жидкой первой фазы (опары), на которую расходуется 30--35% рецептурного количества муки, упрощает ее транспортирование, повышает стабильность работы оборудования, облегчает управление процессом тестоприготовления и снижает затраты муки на брожение. От объема и консистенции продукта, находящегося в производственном процессе на разных стадиях готовности, зависят вместимость и тип аппаратуры, а, следовательно, габаритные размеры и масса всего комплекса тестоприготовительного агрегата. Кроме того, чем больше продукта и чем выше вязкость, тем больше энергии требуется затратить на его перемещение по технологической цепи машин и аппаратов. С этой точки зрения двухфазное приготовление теста на жидкой опаре влажностью 65--67% имеет также бесспорное преимущество по сравнению со схемой, использующей густую первую фазу влажностью 42 -- 45%. Так, при равной производительности потребная рабочая емкость для брожения жидкой опары значительно меньше емкости, необходимой в случае работы на густой опаре. С учетом этих преимуществ лучше применять схему двухфазного приготовления теста из различных сортов на жидкой опаре с возможностью использования жидкой закваски при замесе теста из ржаной или ржано-пшеничной муки.

Схема автоматизации непрерывного процесса приготовления теста предусматривает контроль температуры муки и опары, сигнализацию уровня муки в, контроль и регулирование влажности теста в месильной машине. А также местное и дистанционное управление работой электроприводов оборудования и исполнительных механизмов в зависимости от изменения влажности теста. Температура опары и теста является одним из основных параметров, влияющих на их качество, и в начале процесса их приготовления поддерживается обычно путем стабилизации температуры, ингредиентов, поступающих на замес. Поскольку основную массу опары и теста составляют мука и вода, а количество остальных компонентов -- дрожжей, соли и др. - сравнительно невелико и, кроме этого, температура последних регулируется в процессе их приготовления, то регулирование температуры опары и теста сводится к регулированию температуры воды, подаваемой на замес, с учетом температуры замешиваемой муки. Температура воздуха в тестоприготовительных отделениях обычно соизмерима с температурой опары и теста, величина температуры в процессе брожения изменяется незначительно и не выходит за пределы, допускаемые технологическими требованиями. Поэтому в производственных условиях ограничиваются лишь измерением температуры муки, опары и теста, стараясь не допускать отклонения ее от заданных пределов.

Контроль температуры осуществляется термометрами сопротивления, а контроль уровня в бункере дозатора муки - с помощью ультразвуковых уровнемеров.

Влажность теста является наиболее важным технологическим параметром и для её определения используется сверхвысокочастотный влагомер.

Приготовленное тесто подается на ленту транспортера, по которой оно направляется на дальнейшие стадии производства. Технологический режим приготовления теста настраивается таким образом, чтобы производительность тестомесильной машины была соизмерима производительностью печи. Это позволяет исключить частые остановки тестомесильной машины.



2. Анализ технологического процесса как объекта управления

Основным регулируемым параметром данного процесса является поддержание требуемой влажности теста на выходе из тестомесительной машины. Влажность определяется с помощью сверхвысокочастотного влагомера. Этот параметр регулируется изменением расхода подаваемой в аппарат опары с добавками из станции дозирования.

Производительность тестомесительной машины будет поддерживаться изменением расхода муки на входе при помощи многооборотного электрического исполнительного механизма и двигателя. Номинальное значение должно составлять - 800 кг/ч.

Достаточно отслеживать показания температуры во всех аппаратах процесса, т.к. регулирование температуры опары и теста сводится к регулированию температуры воды, подаваемой на замес, с учетом температуры замешиваемой муки. Необходимо также обеспечить дистанционное управление всеми двигателями, а также реализовать показание такого параметра, как уровень в бункере весового дозатора муки.

Таким образом, задача регулирования в данном случае состоит в поддержании на заданном уровне таких параметров как: производительность тестомесильного аппарата и влажность теста.

Основными источниками возмущения служат изменение производительности тестомесительного аппарата и влажности опары.

Таблица 1

Основные регламентные ограничения процесса

Аппарат	Параметр	Функции системы автоматизации
	Наименование и размерность	Номинальное значение	Предельное значение
Весовой дозатор муки	Вес, кг	0,7	0,1-1	Показание, сигнализация
	Температура, С	25	23-27	Показание, сигнализация
	Уровень, м	2	2,1	Показание, сигнализация
Станция дозирования	Температура, С	29	34	Показание, сигнализация
	Расход, м3/с	0,9	1	Показание, сигнализация
Тестомесильная машина	Влажность, %	28	25-40	Показание, сигнализация, регулирование
	Расход, кг/ч	800	840	Показание, сигнализация, регулирование
	Температура, С	36	33-38	Показание, сигнализация



3. Синтез системы автоматического регулирования

В качестве ответственного контура регулирования возьмем контур регулирования влажности теста на выходе тестомесильной машины, так как этот параметр во многом будет определять качество изготавливаемой из этого теста продукции.

3.1 Анализ процессов, протекающих в объекте

Структурная схема нашего объекта будет выглядеть следующим образом (рисунок 1):

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 - Структурная схема объекта моделирования

Где - Qо - объемный расход опары, м³/с;

с_О - влажность опары, %;

Qм - объемный расход муки, м³/с;

Qт - объемный расход теста на выходе, м³/с;

С_Т - влажность теста на выходе, %;

В емкости происходит конвективный перенос тепла от входа к выходу. Балансовое соотношение в общем виде выглядит следующим образом:

Уприх - Уух = ,(1)

где: Уnpux - поток вещества или энергии, приходящей в объект;

Уyx- поток вещества или энергии, уходящей из объекта;

- производная по времени от количества вещества или энергии, находящейся в объекте.

3.2 Составление системы допущений

Для написания математической модели объекта необходимо ввести следующую систему допущений:

- считаем емкость объектом с сосредоточенными координатами;

- в моделируемом объекте концентрация распределена равномерно.

3.3 Составление математической модели объекта

Уравнение материального баланса может быть заменено балансом объемов:

,(2)

Где V - объем теста в емкости.

, (3)

где S - площадь поперечного сечения смесителя, примем S=3,5 м²;

H - уровень жидкости, м.

В качестве данного объема примем объем камеры предварительного смешения тестомесильной машины, так как практически весь объем камеры интенсивной обработки занят валами;

Объемный расход теста на выходе рассчитывается по формуле:

, (4)

Где S_O - площадь отверстия в днище тестомесильной машины, м² (S_O=0,1 м²);

g - ускорение свободного падения, м/сек² (g=9,8 м/с²);

H - уровень жидкости, м (начальное значение принимаем H=1,5м).

Начальное условие, т.е. значение в момент времени, равный нулю находится из модели статики объекта.

Материальный баланс по одному компоненту - опара - выглядит следующим образом:

,(5)

Где с_О - влажность опары, % (с_О = 66%);

с_Т - результирующая влажность теста, % (также находим из уравнений модели статики).

С учетом уравнений (2), (3), (4), (5) и начальных условий, получаем математическую модель динамики объекта:

.(6)

В синтезируемой САР влажности заданное значение влажности поддерживается изменение расхода опары, подаваемой в смеситель.



3.4 Составление математической модели САР влажности

Кроме объекта регулирования САР влажности содержит первичный преобразователь, ПИ-регулятор и исполнительное устройство в виде клапана (рисунок 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2 - Структурная схема САР

ОР - объект регулирования (смеситель);

ПП - первичный преобразователь;

Р - регулятор (ПИ-регулятор);

ИУ - исполнительное устройство (клапан);

x(t) - расход опары на входе в тестомесильную машину;

y(t) - влажность теста (регулируемый параметр);

Y(t) - приведенная влажность теста (обезразмеренная величина 0...1)

u(t) - управляющее воздействие (0…1);

z(t) - изменение влажности опары на входе в объект (возмущающее воздействие).

3.5 Модель первичного преобразователя (ПП)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 - Структурная схема ПП

Где y(t) - влажность теста (регулируемый параметр);

Y(t) - выходной сигнал с ПП (0...1).

Инерционность первичного преобразователя бесконечно мала по сравнению с инерционностью объекта. На выходе первичного преобразователя имеется электрический сигнал. Электрический сигнал может быть по току, по напряжению, с разными диапазонами, цифровой и т.д., но в любом случае минимальному значению измеряемой величины соответствует минимальное значение выходного сигнала, а максимальному - максимальное значение выходного сигнала. Для единообразия модели выходной сигнал в модели представляется безразмерной переменной, изменяющейся в пределах от 0 до 1. Описание статической характеристики:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4 - Статическая характеристика ПП

(7)

y_max, y_min - пределы измерения конкретного преобразователя.

Таким образом, математическое описание модели ПП будет иметь следующий вид:

(8)

3.6 Модель регулятора

Зависимость, по которой выходной сигнал ПП Y(t) преобразуется в регулирующее воздействие U, называется законом регулирования.

Управляющее воздействие регулятора определяется законом регулирования.

Для ПИ-закона регулирования:

,(9)

где К_у - коэффициент усиления регулятора;

Т_и - время интегрирования;

- ошибка регулирования.

Условимся, что в начальный момент времени регулирующее воздействие равно нулю.

.(10)

Ошибка регулирования или рассогласование находится по следующей формуле:

(11)

3.7 Модель исполнительного устройства

Допущения: пренебрегаем инерционностью ИУ.

Степень открытия клапана считаем:



А = А₀ + U,(12)

Где U - регулирующее воздействие;

А₀ - начальная степень открытия клапана. Принимаем А₀=0,5.

Расходную характеристику в нашем случае будем считать линейной.

(13)

где А - степень открытия клапана;

k_p - коэффициент передачи клапана. Находим из начальных условий:

(14)

3.8 Модель САР влажности

Учитывая уравнения (6), (8), (11), (12), (13), (14) получим модель динамики САР влажности:

(15)



3.9 Построение модели с помощью математического пакета MATLAB

Для построения математической модели с помощью математического пакета МАТLАВ по уравнениям математической модели необходимо в Simulink составить блок-схему модели.

Для построения схемы моделируемого объекта в подприложении Simulink(приложение, ориентированное на моделирование динамических систем с использованием функциональных блоков) воспользуемся следующими блоками:

- Constant - константа;

- Gain - умножение на константу или переменную;

- Sum - суммирование;

- Integrator - интегрирование сигнала;

- Scope - просмотр результата (визуализация графиков);

Размещено на http://www.allbest.ru/

- Product - умножение сигналов

- Fcn - преобразование входного сигнала в выходной в соответствии с заложенной в блоке функцией.

Для определения всех констант создаем М-файл «isx.m» (рисунок 5):

В этом файле описываем все заданные константы, а также начальные значения, найденные из моделей статики.

Далее в окне МАТLАВ нажимаем левой кнопкой мыши ссылку Simulink, после чего открывается окно Simulink Libгагу Вгоwsег, где в меню File выбираем строку New/Моdel. В появившемся диалоговом окне в меню File выбираем строку Model Properties, после чего появляется следующее окно, в котором выбираем вкладку Callbacks и в строке Model Initialization Function записываем нашего М-file без расширения и нажимаем кнопку ОК.

Рисунок 5 - Создание М-файла

Для построения блок-схемы в Simulink (рисунок 6) необходимо скопировать блоки из библиотеки Simulink Libгагу Вгоwsег в рабочее окно. Сначала строим блок-схему для модели объекта.

Рисунок 6 - Модель объекта в MATLAB



Возмущающим воздействием в нашей системе является изменение влажности поступающей в емкость опары.

Переходная характеристика объекта при ступенчатом изменении влажности опары на 20% будет выглядеть следующим образом (рисунок 7):

Рисунок 7 - Переходная характеристика объекта при ступенчатом изменении влажности опары

Созданный нами объект маскируем в подсистему (рисунок 8):

Рисунок 8 - Маскированная подсистема «Объект»

Вход «Vozm» необходим для подачи возмущения.

На вход «Qo» поступает сигнал от исполнительного устройства, изменяющий расход опары.

Выход «Ct» служит для передачи сигнала, выходного параметра, влажности в контур регулирования.

Аналогично создаем модель ПИ-регулятора и маскируем в подсистему «ПИ-Регулятор» (рисунок 9):

Рисунок 9 - Маскированная подсистема «ПИ-Регулятор»

где блоки: «KU» - для умножения ошибки регулирования на коэффициент

усиления;

«VI» - для учета времени интегрирования;

«Ogranichitel'» - необходим для предотвращения выхода значения величины управляющего воздействия за допустимые границы(0…1);

«Integrator» - в свойствах задаем начальное регулирующее воздействие равное нулю.

Модель исполнительного устройства создаем по аналогии (рисунок 10).

Выходной сигнал ИУ - новый расход опары Q_O при уточненной (новой) степени открытия регулирующего органа А.

При помощи функций блока «Fcn» создаем модель первичного преобразователя.

Рисунок 10 - Модель исполнительного устройства

После объединения всех созданных нами подсистем, объединяем их в соответствии со структурной схемой САР влажности (рисунок 2).

Рисунок 11 - Модель САР влажности

Процесс моделирования проводим в интервале времени от 0 до 300 с.

В результате получаем следующие графики переходного процесса при настройках регулятора К_у=1 и Т_и=2(рисунок 12):

Рисунок 12 - Переходный процесс в САР влажности

3.10 Получение передаточной функции объекта

Для работы со схемой необходимо знать передаточную функцию объекта. Находим передаточную функцию для тестомесильной машины по известной кривой разгона.

Приводим экспериментальную кривую разгона (Рисунок 6) к единичному ступенчатому воздействию A по формуле

,(16)

Где y(t) - экспериментальные значения влажности теста, %;

y(t₀) - экспериментальное значение влажности в начальный момент времени, %;

с_max = 100% - максимальное возможное значение влажности теста на выходе из смесителя, %;

с_min = 0% - минимальное значение влажности теста на выходе из смесителя, %;

A = 0,2 - амплитуда входного ступенчатого сигнала, выраженная в долях.

Тогда кривая разгона, приведённая к единичному ступенчатому воздействию по формуле (17) имеет вид:

(17)

Будем аппроксимировать тестомесильную машину как объект с самовыравниваемой характеристикой, представляющей собой два апериодических звена первого порядка без запаздывания. Тогда передаточная функция имеет следующий общий вид:

,(18)

гдеk - коэффициент усиления объекта;

T₁,T₂ - постоянные времени апериодического звена.

Для определения параметров необходимо воспользоваться номограммой, определив заранее коэффициент b:

(19)

Получаем следующие значения для постоянных времени апериодического звена: ,

Определим коэффициент усиления объекта:

(20)

Переходная характеристика определяется формулой:



(21)

Площадь Sa под этой кривой вычисляется по формуле:

(22)

Площадь S под экспериментальной кривой вычисляется по формуле:

(23)

Погрешность аппроксимации е должна соответствовать условию:

(24)

Производим проверку условия и получаем е=, что удовлетворяет (24).

В результате получаем передаточную функцию объекта в виде:

.(25)

Рисунок 13 - Аппроксимирующая и экспериментальнаяпереходные характеристики

3.11 Параметрическая оптимизация системы методом РАФХ

Расширенная амплитудно-фазовая характеристика (РАФХ), обозначаемая как W(m, iщ), получается из передаточной функции W(S) при замене

,(26)

Где m - степень колебательности; - частота.

РАФХ является отображением прямой на плоскость АФХ (рисунок 14).

Рисунок 14 - Изображение АФХ и РАФХ

РАФХ охватывает АФХ. Касательная в точке щ=0 всегда вертикальна, а угол б между АФХ и РАФХ в этой точке равен arctg(m).

Если разомкнутая система имеет степень колебательности не ниже заданного m^*, то замкнутая система будет обладать m^*, если РАФХ разомкнутой системы W_раз(m^*, iщ) проходит через критическую точку (-1; i0). Если РАФХ разомкнутой системы не охватывает критическую точку, то степень колебательности замкнутой системы выше, чем m^*.

Таким образом, чтобы замкнутая система обладала заданной степенью колебательности, при m=m^* должно выполняться условие

.(27)

Уравнение (27) равносильно системе уравнений

, (29)

где - расширенная амплитудно-частотная характеристика (РАЧХ);

- расширенная фазо-частотная характеристика (РФЧХ).

В оноконтурной системе объект-регулятор РАФХ разомкнутой системы W_раз(m, iщ) определяется как:

(30)

Тогда система (29) перепишется в виде

(31)

При известных характеристиках объекта (,) из системы (31) можно рассчитать оптимальные настройки промышленного регулятора.

РАФХ пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора определяется по формуле:

, (32)

где С₁ - коэффициент усиления регулятора;

С₀ - передаточный коэффициент интегральной составляющей.

Расчётные формулы для настроек ПИ-регулятора:

,(33)

Где - рабочая частота.

В итоге имеем систему уравнений (33) с тремя неизвестными: С₁, С₀, щ_Р. Это значит, что существует множество пар (С₁, С₀), которые обеспечивают требуемое значение степени колебательности в данной системе. При этом каждая пара значений (С₁, С₀) соответствует рабочей частоте щ_Р.

Для нахождения оптимальных настроек необходимо выбрать рабочую частоту, а затем по формулам (33) рассчитать оптимальные С₁, С₀. С этой целью строят кривые равной колебательности в осях С₁, С₀ (рисунок 16).

В соответствии с рисунком 15 кривая равной колебательности при m=0 разбивает плоскость настроек на область устойчивой (под кривой) и неустойчивой (над кривой) работы системы. При движении по кривой равной колебательности слева направо, т.е. от точки , значения рабочей частоты растут от до (частота соответствует П-регулятору, т.к. С₀=0).

Рисунок 15 - Кривые равной колебательности

Минимуму интегрального квадратичного критерия соответствует точка на кривой равной колебательности вблизи её вершины по правой ветви (рисунок 16, точка А). Рекомендуется выбирать рабочую частоту из соотношения (34), где щ^о соответствует вершине кривой m=const:

. (34)

В промышленных ПИ-регуляторах в качестве настроек используются коэффициент усиления регулятора (К_Р) и время интегрирования (Т_И) или время изодрома (Т_ИЗ), связанные с величинами С₁, С₀ следующими формулами:

,(36)

,(37)

.(38)

Из диапазона степеней колебательности m[0,221; 0,366] выбираем значение 0,36. При выбранном значении m строим кривую равной колебательности.

Рисунок 15 - Кривая равной колебательности

По (34) находим рабочую частоту:

Определяем значение щ, при котором С₀ кривой достигает максимума, в соответствии с рисунком 15 и находим по формуле (33) необходимые коэффициенты. Подставляем известные значения С₀ и С₁ в (35), (36) и (37), получаем искомые значения К_Р =55,022 и Т_И =0,05, Т_ИЗ =2,751. Полученные значения К_Р и Т_И подставляем в формулу передаточной функции ПИ-регулятора W_Р(S):

(38)

и получаем передаточную функцию регулятора:

(39)

Находим частоты, лежащие по обе стороны от найденной ранее рабочей частоты. Находим коэффициент усиления регулятора и время интегрирования для каждой из частот

щ_р1 = 2.26 Кр₁ = 50.879 Tu₁ = 0.045

щ_р2 = 2.498 Кр₂ = 59.305 Tu₂ = 0.058

Строим переходные характеристики замкнутой системы в безразмерной величине h(t) и в процентах H(t) для трех вариантов настроек (рисунок 16), т.е. реакцию системы на единичное воздействие. h(t) находим с помощью обратных преобразований Лапласа, перевод в проценты осуществляем по формуле

(40)

Рисунок 16 - Переходные характеристики в процентах

Определим критерии качества процессов регулирования для трёх рабочих частот.

Интегральный квадратичный критерий равен

(41)

Прямые (временные) критерии качества:

- статическая ошибка

,(42)

где Yу = 28 % - установившееся значение,

Yз = 28% - заданное значение.

Следовательно, Yc=0 (наличие интегральной составляющей гарантирует отсутствие статической ошибки).

- динамическая ошибка - максимальное отклонение от установившегося значения

- степень затухания - разница соседних амплитуд одного знака, отнесенная к первой амплитуде

,(43)

где

Отсюда . Тогда степень колебательности равна:

(44)

m = 0,206

Эти же критерии вычисляем для двух других частот.

В результате получим настройки регулятора, отраженные в виде таблицы 2.

Таблица 2

Настройки регулятора

щ	Ikv	Ydin	ш	m	Kp	Tu
2.26	0.000542	0.021	0.792	0.25	50.879	0.045
2.379	0.00054	0.02	0.726	0.206	55.022	0.05
2.498	0.0049	0.021	0.258	0.047	59.305	0.58

При щ_Р =2.379 достигается минимум интегрального квадратичного критерия Iкв=0.00054, а степень колебательности не ниже заданной. Поэтому принимаем за оптимальные именно эти настройки (вторая строка таблицы 2).

автоматизация тестомесильный датчик контроллер



4. Выбор приборов и средств автоматизации

4.1 Выбор технических средств низовой автоматики

Для достижения цели управления (поддержание качества целевого продукта на постоянном уровне) необходимо регулировать ряд параметров.

Всю систему управления приготовления теста я решил проектировать на оборудовании фирмы SIEMENS, в том числе и нижний уровень.

Для контроля температуры в весовом дозаторе муки и в тестомесильной машине предлагается использовать приборы из серии «SITRANS T» - ввинчивающиеся термометры сопротивления низкого давления с соединительной головкой, без консоли.

Ввинчивающийся термометр сопротивления низкого давления с соединительной головкой (без консоли) подходит для диапазона температур -50 ... +400°C и может поставляться также со встроенным измерительным преобразователем температуры. В этом датчике измерительные резисторы заключены в керамический кожух.

Предлагается выбрать термометр сопротивления с одним измерительным резистором Pt100, в этом случае он будет подключен по 3-х проводной схеме.

В данном производстве не предъявляются жесткие требования к взрывобезопасности, поэтому используемый термометр сопротивления будет иметь измерительную вставку без взрывозащиты, а также обладать монтажной длиной 360 мм. Заказной номер - 7MC1 0 0 6 - 4DA14.

Для преобразования сигнала от термометра сопротивления в унифицированный сигнал 4…20мА используем измерительный преобразователь для монтажа в головку зонда «SITRANS TK-L», который, благодаря отказу от гальванического разделения и универсальному подключению сенсоров, представляет собой недорогую альтернативу.

Подаваемый с Pt100 (двух-, трех- или четырехпроводная схема) сигнал измерения усиливается на входном каскаде. Пропорциональное входной величине напряжение после этого преобразуется в аналого-цифровом преобразователе в цифровые сигналы. В микропроцессоре они пересчитываются в соответствии с характеристикой сенсора и прочими параметрами (демпфирование, сопротивлении линии и т.п.). Подготовленный таким образом сигнал преобразуется в цифро-аналоговом преобразователе в подводимый постоянный ток от 4 до 20 мА. Источник питания находится в контуре выходного сигнала. Заказной номер - 7NG3120-0JN00.

Для контроля температуры в трубопроводе для подвода опары с добавками предлагается использовать приборы из серии «SITRANS T» - термометры сопротивления для монтажа в трубопроводы и резервуары.

Термометр сопротивления предусмотрен для установки в резервуары и трубопроводы для измерения температуры с соблюдением гигиенических требований. Имеются распространенные подсоединения к процессу. Благодаря прочной конструкции, он может использоваться во многих технологических процессах в пищевой, фармацевтической и биотехнической промышленностях. Термометр сопротивления может поставляться также со встроенным измерительным преобразователем. Для этого случая имеется серия измерительных преобразователей с головками различной конструкции. Заказной номер - 7MC8005-1AB20-1CF0.

В качестве измерительного преобразователя и источника питания используем те же приборы, что и для термометров сопротивления, представленных выше.

Для измерения уровня в бункере весового дозатора муки применяем компактный прибор для непрерывного измерения «The Probe» - компактный ультразвуковой уровнемер для небольших диапазонов измерения, идеально подходит для жидкостей и взвесей в открытых и закрытых резервуарах. Благодаря сенсору из ETFE или PVDFа прибор может использоваться в различных областях. The Probe отличается простой установкой и обслуживанием, а также быстрым демонтажом для чистки в пищевой и фармацевтической промышленности. Надежность измерения уровня основывается на алгоритмах обработки сигналов Sonic Intelligence. Фильтр выделяет эхо-сигнал от уровня среды, отделяя его от ложных отражений, которые возникают из-за акустических или электрических шумов и мешалок. Время прохождения ультразвуковых импульсов от материала и обратно проходит температурную компенсацию. Для индикации, аналогового выхода и включения реле оно преобразуется в величину расстояния.

Преимущества:

* простой монтаж, программирование и обслуживание;

* точность и надежность;

* имеются сенсоры из PVDFа или ETFE;

* гигиеническое исполнение;

* обработка сигнала с помощью запатентованной программы

Sonic Intelligence®;

* встроенная температурная компенсации.

Диапазон измерения 0,25 до 5 м. Выходной сигнал - 4…20 мА, что позволяет не использовать унифицированный преобразователь. Заказной номер - 7ML1201 - 1AE00.

Для измерения расхода используется магнитно-индуктивные расходомеры семейства MAGFLO предназначены для измерения расхода электропроводящих веществ.

Магнитно-индуктивные расходомеры предназначены для измерения практически всех электропроводящих жидкостей, взвесей, паст и суспензий.

Единственным условием является наличие минимальной электропроводности в 5 мS/см. Температура, давление, вязкость и плотность не влияют на результат измерения.

Основными сферами применения магнитно-индуктивных расходомеров являются:

* воды и сточные воды;

* химическая и фармацевтическая промышленность;

* пищевая промышленность и промышленность безалкогольных напитков;

* горное дело, цемент и полезные ископаемые;

* целлюлоза и бумага;

* сталеплавильная промышленность;

* энергетика и холодная вода.

Благодаря многообразию комбинаций и конструкций модульная система обеспечивает идеальное согласование с любой задачей измерения.

В общем случае расходомер MAGFLO в комплекте состоит из измерительного датчика и соответствующего измерительного преобразователя SITRANS F M MAGFLO MAG 5000, 6000 или 6000 I.

Как в случае измерения расхода теста на выходе тестомесительной машины, так и в случае контроля расхода в трубопроводах для подвода опары и добавок целесообразно обратить внимание на магнитно-индуктивный измерительный датчик MAGFLO MAG 1100 Food специально разработан для использования в пищевой и пивобезалкогольной промышленности.

Основными сферами применения магнитно-индуктивных измерительных датчиков SITRANS F M MAGFLO являются:

* пищевая промышленность;

* пиво-безалкогольная промышленность;

* фармацевтическая промышленность.

Основной особенностью MAG 1100 Food является его уникальные пищевые конструкция и исполнение.

Принцип измерения расхода основывается на законе электромагнитной индукции Фарадея, при котором измерительный датчик преобразует расход в пропорциональное скорости протока электрическое напряжение.

Для данного расходомеры имеются диаметры от 10 до 100 мм. Для измерения расхода теста на выходе тестомесительной машины выберем диаметр 80 мм, а для контроля расхода в трубопроводах для подвода опары добавок - 25 мм. Кроме того целесообразно будет заказать измерительный датчик со встроенным измерительным преобразователем MAG 6000 I. Данное модульное исполнение позволяет работать при температуре окружающей среды, находящейся в диапазоне -20… +60 °C.

Заказной номер расходомера на тестомесильной машине - 7ME6140-3MA10-1CA1; на трубопроводе - 7ME6140-2ВA10-1CA1.

Для измерения влажности теста я предлагаю использовать Поточный микроволновой влагомер MICRORADAR - 114С, так как он обладает наиболее высокой точность и широким диапазоном измерения.

Поточный СВЧ - влагомер MICRORADAR-114С предназначен для непрерывного измерения влажности/плотности бетонных растворов и влажности других жидких, сыпучих и пластических материалов в мешалках, емкостях, бункерах, шнеках и трубопроводах, в условиях абразивных и агрессивных сред. Прибор выполнен из стойких к истиранию и коррозии материалов, имеет шину связи с компьютером и управляется микропроцессором. Простота градуировки и обслуживания обеспечивается ясным и удобным интерфейсом. Принцип действия влагомера основан на измерении величины поглощения СВЧ энергии влажным материалом и преобразовании этой величины в цифровой код, соответствующий влажности материала. Влагомер обеспечивает автоматическую коррекцию результатов измерения при изменении температуры материала, имеет токовый выход и последовательный канал связи с ЭВМ RS-485.

Сигнал сенсора поступает в микропроцессорный блок обработки, в котором происходит вычисление влажности. Величина влажности показывается на индикаторном табло микропроцессорного блока и преобразуется в аналоговые выходы 4-20мА и 0-5В. По каналу RS485 влажность, температура и сигналы сенсора могут передаваться в компьютер. В комплект поставки прибора входит программа накопления и отображения влажности в реальном масштабе времени, что позволяет записывать на компьютер, наблюдать, хранить и печатать информацию о влажности за любой период времени. Точность измерения влажности от 0,1 до 1% в зависимости от диапазона влажности, с учетом погрешности пробоотбора и погрешности измерения влажности стандартным методом, например, сушкой в сушильном шкафу.

Мука в тестомесильную машину подается автоматическим весовым дозатором непрерывного действия. Для данного процесса наиболее подходит высокоточный весовой дозатор для малой подачи MILLTRONICS Weighfeeder 400 фирмы Siemens. Он разработан для взвешивания небольших количеств материала с высокой точностью. Предотвращает образование отложений материала. Стандартные и сантехнические версии. Простой демонтаж ленты для замены или чистки. Быстрый монтаж. Оригинальное натяжное устройство ленты.

Особенности:

* расход: 0.45 ... 9 т/ч

* скорость ленты: 0.005 ... 0.2 м/сек

* ширина ленты (номин.): 300 мм

* длина загрузки/выгрузки материала: 838 мм

* точность: ± 0.25 ... 0.5%

* диапазон: 10:1 (на нагрузку), 30:1 (на скорость)

* весоизмерительный элемент: весоизмерительная платформа, отдельная весоизмерительная ячейка

* опции: специальные ленты, сантехническое исполнение

* двигатель: 0.19 кВт AC или DC двигатели и редукторный двигатель с прямым сцеплением, монтаж на вал или через фланец

С целью регулирования влажности теста на линии подачи опары в тестомесильную машину ставим регулирующий пневматический клапан, а для подвода к нему унифицированного пневматического сигнала необходимо установить электропневмопреобразователь ЭП3211 со входным сигналом - 4…20мА.

Для питания всех датчиков и унифицированных преобразователей используем модульный блок питания SITOP modular =24В/10A для применения в различных областях промышленности во всех регионах мира. Линейное или фазное входное напряжение с широким диапазоном допустимых отклонений -~120/230 ... 500 В. Заказной номер - 6EP1 334-3BA00.

4.2 Выбор контроллера и станции оператора

Для управления технологическим процессом предлагается применить микропроцессорный контроллер фирмы SIEMENS.

Функциональные возможности автоматизированной системы должны обеспечивать удобство обработки информации и высокую надежность.

Исходными данными при выборе контроллера является информационная нагрузка на канал. Общая информационная нагрузка представлена в таблице 3.

Таблица 3

Информационная нагрузка на систему управления

Вид информационного сигнала	Количество сигналов
Аналоговый вход	8
Аналоговый выход	2
Дискретный вход	4
Дискретный выход	4
Всего:	16

Для решения конкретной задачи я выбрал микропроцессор SIEMENS серии S7-300, а именно 312 модель. Максимальное количество каналов ввода-вывода: дискретных-256, аналоговых-64. CPU 312 имеет рабочую память в объеме 32 кб, что будет достаточно для данного технологического процесса.

Все центральные процессоры (CPU) S7-300 характеризуются следующими показателями:

- высокое быстродействие;

- загружаемая память в виде микрокарты памяти ММС емкостью до 8Mb. (ММС используется для загрузки программы, сохранения данных при перебоях в питании CPU, хранения архива проекта с символьной таблицей и комментарии, а также для архивирования промежуточных данных);

- развитые коммуникационные возможности;

- работа без буферной батареи.

Заказной номер CPU - 6ES7 312-1AE13-0AB0.

Заказной номер MMC на 2Мб - 6ES7 953-8LL20-0AA0.

Необходимо также подобрать сигнальные модули (SM), предназначенные для ввода и вывода дискретных и аналоговых сигналов, в том числе и со встроенными Ex-барьерами. Поддерживаются отечественные градуировки термометров сопротивления и термопар. Для фиксации подводимых кабелей в сигнальных модулях используются фронтальные штекеры.

Выбираем:

- один модуль ввода аналоговых сигналов (AI, 8 каналов) SM 331 с входным унифицированным сигналом 4…20мА, заказной номер - 6ES7 331-7NF00-0AB0;

- один модуль вывода аналоговых сигналов (AO, 4 канала) SM 332 с выходным унифицированным сигналом 4…20 мА, заказной номер - 6ES7 332-5HD01-0AB0;

- один модуль ввода дискретных сигналов (DI, 8 каналов) SM 321 с входом по напряжению =24В, и с минусом на общей точке, заказной номер - 6ES7 321-1BH50-0AA0;

- один модуль вывода дискретных сигналов (DO, 8 каналов) SM 322 с выходным сигналом по напряжению =24В, релейный выход, заказной номер - 6ES7 322-1HF10-0AA0.

Для фиксации проводов, по которым поступает сигнал к модулям ввода/вывода используется 2 фронтальных штекера на 20 клемм с контактами-защелками (заказной номер - 6ES7 392-1BJ00-0AA0) и 2 на 40 клемм (заказной номер - 6ES7 392-1BM01-0AA0).

Для питания модулей принимаем блок питания PS 307/5A. Заказной номер - 6ES7 307-1EA00-0AA0.

В условиях нестабильности напряжения на производстве целесообразно поставить блок бесперебойного питания фирмы SIEMENS - DC-UPS 6 А (заказной номер - 6EP1 931-2DC21) с модулем батареи на 12 Ач (заказной номер - 6EP1 935-6MF01).

Для питания контроллера принимаем блок питания PS 307 на 5А со входным напряжением ~120/230В и выходным =24В (заказной номер - 6ES7 307-1EA00-0AA0). Для обеспечения связи со станцией оператора служит коммуникационный процессор Industrial Ethernet CP 343-1 Lean 10/100Мбит/с, TCP+UDP, RJ-45 (заказной номер - 6GK7 343-1CX10-0XE0).

CPU, блок питания, коммуникационный процессор и все модули монтируются на DIN-рейке длиной 830 мм (заказной номер - 6ES7 390-1AJ30-0AA0). Выбранная длина DIN-рейки позволяет в случае необходимости расширить линейки модулей ввода/вывода и тем самым оставляет запас для расширения производства или для устранения неполадок.

Для разработки логики технологического процесса используется инжиниринговый пакет программного обеспечения STEP 7 v. 5.4 с плавающей лицензией (заказной номер - 6ES7 810-4CC08-0YA5), а для визуализации и управления со станции оператора используется SCADA-система SIMATIС WinCC v. 6.2 RunTime на 128 переменных (заказной номер - 6AV6 381-1BC06-2AX0).

В соответствии с рекомендуемыми системными требованиями для вышеупомянутых программных пакетов в качестве СО выбираем промышленный компьютер 19” стоечного исполнения SIMATIC Rack PC 547B. В стандартном исполнении этот компьютер имеет следующую конфигурацию:

- процессор - Core 2 Duo E6600(2.4 ГГц);

- ОЗУ - DDR SDRAM Dual channel 1024 Мб(расширенная, заказной номер - 6ES7 648-2AF30-0HA0);

- жесткий диск - 250 Гб serial ATA;

- графическая карта встроенная в материнскую плату;

- DVD/CD-RW - 16/48-скоростной;

- встроенный Ethernet 10/100 Мбит/с (RJ 45);

- floppy дисковод.

Rack PC полностью отвечают специальным требованиям промышленных применений:

- высокая степень электромагнитной совместимости;

- соответствие национальным и международным стандартам;

- PC99 совместимость и оптимизация для Microsoft приложений;

- непрерывная круглосуточная работа.

Заказной номер - 6AG4 104-0AA01-0XX0.

Кроме системного блока заказываем: монитор 19'' Fujitsu-Siemens SCENICVIEW P19-3, USB клавиатуру PS/2 TK 200 (заказной номер - 6GF6 710-1BА), USB мышь c PS/2 адаптером (заказной номер - 6ES7 790-0AA01-0XA0) и источник бесперебойного питания IPPON Smart Power Pro 1400ВА.

Операционная система на станции оператора - Microsoft Windows XP Professional SP2.

В случае необходимости представить информацию на бумаге на СО имеется черно-белый лазерный принтер HP LaserJet 1200.

5. Расчет погрешности измерительного канала

5.1 Основные сведения для расчета

Измерительный канал состоит из нескольких приборов обработки, передачи данных, что неизбежно приводит к накоплению погрешностей. В общем случае измерительный канал можно представить как последовательное соединение датчика, унифицированного преобразователя и аналогово-цифрового преобразователя микропроцессорного контроллера (рисунок 17).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 17 - Блок-схема измерительного канала

Исходные данные для расчета погрешности запишем в таблице 4.

Таблица 4

Исходные данные для расчета погрешности канала измерения

Вид узла	Вид погрешности	Числовоезначение
Датчик	Основная погрешность Температурная погрешность Погрешность от влияния изменений напряжения сети	0.5% 15%
Унифицированный преобразователь	Погрешность коэффициента усиления при изменении напряжения питания Погрешность смещения нуля при колебании температуры
Аналогово-цифровой преобразователь	Основная погрешность Погрешность смещения нуля при колебании температуры	0,4 %

При расчете результирующей погрешности канала каждой из составляющих погрешности необходимо приписать соответствующий закон распределения, найти среднеквадратическое отклонение и разделить погрешности на аддитивные и мультипликативные.

5.2 Основная погрешность датчика

Основная погрешность датчика нормирована по паспорту максимальным значением:

Для того чтобы от этого значения перейти к СКО, необходимо знание вида закона распределения погрешности.

Примем равномерный закон распределения. Находим по табл. 2.2[9] параметры распределения.

(45)

5.3 Температурная погрешность датчика

Соотношение (-0,1/10%/К) означает, что погрешность изменяется на 0,1% при изменение температуры на 10 К. Температура в помещение по условию (20±15 С).

(46)

Примем нормальный закон распределения. Находим по табл.2.4[9] параметры распределения:

(47)

5.4 Погрешность датчика от колебаний напряжения питания

Эта погрешность является чисто мультипликативной и распределена по тому же закону, что и отклонения напряжения сети от своего номинального значения 220В. Стабилизатор снижает размах колебаний напряжений в K = 25раз.

...