Размещено на http://allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

АЛМАТИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПОСЛЕВУЗОВСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Кафедра: Механизация и автоматизация производственных процессов

ОТЧЕТ О ВЫПОЛНЕНИИ НИРМ

Автоматизация хлебопекарного производства

Магистрант: Садыков Мурат Кадылбекович

Специальность: 6M070200 - Автоматизация и управление

Период обучения в магистратуре: 01.09.2013-01.06.2015 гг.

Научный руководитель: Ким Е.И. к.т.н., профессор

Алматы, 2015г.



Содержание

Введение

1. Виды хлебопекарных печей

2. Современный метод регулирования теплового режима хлебопекарной печи

3. Конвективный нагрев

4. Анализ современного состояния автоматического регулирование теплового режима

5. Конструкция хлебопекарной печи туннельного типа

6. Разработка функциональной схемы автоматизированной системы регулирования температуры хлебопекарной печи

6.1 Разработка общей структуры системы автоматического регулирования температуры в пекарной камере и выбор типа регулирования

6.2 Описание регулирования температуры по двухпозиционному закону

6.3 Построение динамических характеристик системы автоматического регулирования температуры в пекарной камере печи

6.4 Разработка общей структуры системы автоматического регулирования разрежения в топках печи

6.5 Модель объекта управления САР разрежения в топках печи

6.6 Построение динамических характеристик системы автоматического регулирования разрежения

7. Выбор элементов систем автоматического регулирования

7.1 Выбор элементов системы регулирования разрежения в топке печи

7.1.1 Выбор регулирующего прибора

7.1.2 Выбор первичных преобразователей разрежения в топке

7.1.3 Выбор исполнительного механизма

7.2 Выбор элементов системы автоматического регулирования температуры в пекарной камере печи

7.2.1 Выбор регулятора

7.2.2 Выбор микроконтроллера

7.2.3 Выбор типа центрального процессора

7.2.4 Технические данные CPU 222

7.2.5 Выбор модулей расширения

7.2.6 Выбор первичных преобразователей системы регулирования температуры в пекарной камере печи

7.2.7 Выбор исполнительных устройств

8. Система автоматики безопасности печи

9. Интерфейсная привязка системы к технологическому объекту

10. Разработка алгоритма работы системы

Заключение

Список использованной литературы



Введение

Актуальность: Снижение ресурсов и повышение качество продукции за счет регулирование теплового режима.

Цель: Автоматизация регулирование теплового режима для снижения ресурсов и повышения качества продукции.

Новизна исследований: Разработка системы без контактного контроля температуры на основе ИК - термовизор, которое позволяет оптимизировать автоматическую систему управление тепловым режимом.

Основные задачи:

1. Методы и модели регулирование теплового режима.

2. Методы регулирование теплового режима для снижения ресурсов и повышения качества продукции.

3. Разработка системы без контактного контроля температуры.



1. Виды хлебопекарных печей

Хлебопекарные печи - это высокотехнологичное оборудование, предназначенное для выпекания изделий из теста. Современные печи обеспечивают высокое качество и равномерность выпечки хлебобулочных изделий. Все они оснащены большим количеством контрольно-измерительных приборов, которые позволяют автоматизировать работу печи в значительной степени.

Сегодня хлебопекарное оборудование представлено большим ассортиментом печей. Выбор хлебопекарной печи зависит, в первую очередь, от вида выпекаемых изделий. Для этого стоит разобраться в классификации печей, которые существуют на рынке хлебопекарного оборудования.

Хлебопекарные печи по виду конструкции делятся следующие виды:

1. Конвекционные печи. В таких печах воздух распределяется равномерно по всей площади камеры при помощи циркуляционного вентилятора. В них также действует система пароувлажнения, а пекарная камера освещается световыми приборами.Такие печи позволяют контролировать процесс выпечки визуально, так как их дверцы изготовлены из двойного стекла. Конвекционные печи достаточно компактны и просты в использовании, поэтому отлично подходят для небольших производственных предприятий. В конвекционных печах можно выпекать изделия из замороженного теста, батоны, отдельные виды кондитерских изделий.

2. Подовые печи обычно состоят из нескольких ярусов (от 1-го до 4-х). В под такой печи загружаются противни определённого размера. Если под керамический, то выпекать изделия из теста можно непосредственно на его поверхности, без использования противня.

В некоторых подовых печах применяют масло в качестве промежуточного теплоносителя (циклотермические подовые печи).

3. Ротационные печи. Ротационные печи оснащены электронной программируемой панелью управления. В них горячий воздух от ТЭНов сдувается вентиляторами. В пекарную камеру можно загружать одну или несколько стеллажных тележек, которые держатся на платформенном или крюковом креплениях. В процессе выпечки стеллажная тележка постоянно вращается, то есть совершает ротацию. Отдельные виды ротационных печей оснащены встроенным парогенератором, обеспечивающим непрерывную подачу пара в камеру в процессе выпечки. Это позволяет добиться глянцевой поверхности выпекаемых изделий.

4. Комбинированные печи объединяют в себе подовую печь и конвекционную, поэтому в ней можно выпекать и кондитерские, и хлебобулочные изделия. Такие печи оснащены расстоечной камерой.

Комбинированные печи идеально подойдут для пекарни, в ассортимент которой входят кондитерские и хлебобулочные изделия собственного производства.

5. Туннельные печи используются на достаточно крупных производствах, так как предназначены для непрерывной выпечки всех видов изделий из теста. Хлебобулочные изделия укладываются на металлические пластины, при этом за счёт изменения скорости движения пластин регулируется время выпечки.

По виду энергоносителей, используемых в печах, хлебопекарное оборудование можно разделить на два вида: топливное и электрическое.

Производительность пекарни определяется возможностями хлебопекарного оборудования - это и скорость выпечки, и количество возможного использования противней в печи и многое другое. Выбирать необходимое оборудование следует исходя из ассортимента продукции и планируемого объёма производства. В настоящее время большее предпочтение отдаётся ротационным печам, позволяющим выпекать любые виды хлебобулочных и кондитерских изделий.

хлебопекарный автоматизированный печь



2. Современный метод регулирования теплового режима хлебопекарной печи

Известен способ автоматического регулирования процесса выпечки хлебопродукта, который заключается в измерении температуры в пекарной камере, сравнении ее с заданным значением и введении по результатам этого сравнения коррекции расхода топлива, поступающего в камеру сгорания хлебопекарной печи. Например, при снижении температуры в пекарной камере расход топлива увеличивают; а при ее повышении — уменьшают Pl).

Недостатком указанного способа является отсутствие обратной связи по качеству выпечки хлебопродуктов, что не позволяет автоматически корректировать технологический режим при снижении качества продукции, возникающем под действием различных возмущений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ автоматического регулирования процесса выпечки хлебопродуктов в хлебопекарной печи путем изменения длительности процесса выпечки в зависимости от значения температуры центра мякиша (2).

Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает требуемого качества автоматического регулирования процесса выпечки в условиях нестабильности теплового режима в хлебопекарной печи, что связано с значительной инерционностью канала "длительность выпечки - показатель качества хлебопродуктов". Это приводит к выпуску некондиционной продукции. го

Указанная цель достигается тем, что в способе автоматического регулирования процесса выпечки хлебопродкутов путем изменения длительности процесса выпечки в зависимости от температуры центра мякиша хлебопродукта измеряя температуру в контролируемых зонах хлебопекарной печи и определяя текущее значение весовой суммы температур по формуле S=Lat где, t -температура L - количество контролируемых зон и а - весовой коэффициент, учитывающий влияние температуры на показатель качества продукции, а изменение длительности процесса выпечки осуществляют, с коррекцией в зависимости от рассогласования текущего и задающего значения весовой суммы температур.

Способ осуществляется. следующим образом, На выходе хлебопекарной печи производится измерение показателя качества хлебопродукта, в частности температуры центра мякиша. Измеренное значение сравнивается с заданным и в зависимости от рассогласования осущеляется коррекция длительности процесса выпечки. Например, если температура центра мякиша меньше заданного значения, продолжительность выпечки увеличивают, а если больше - сокращается.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет автоматически вводить упреждающую, коррекцию длительности выпечки в условиях нестабильности теплового режима, не ожидая отклонения темпе-. ратуры центра мякиша от заданного значения. Зто приводит к повышению точности автоматического регулирования процесса выпечки, и следовательно,,-качества хлебопродуктов.

Способ автоматического регулирования процесса выпечки хлебопродуктов в хлебопекарной печи путем изменения длительности процесса выпечки в зависимости от температуры центра MR киша хлебопродукта, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения качества получаемого продукта, измеряют температуру в контролируемых зонах хлебопекарной печи и определяют текущее значение весовой суммы температур по формуле



3. Конвективный нагрев

Конвективный нагрев осуществляется теплым воздухом (40 - 80 °С). Нитролаковые покрытия сушат при температуре 40 - 60 °С, беспарафиновые полиэфирные - при 60 - 80 °С.

При более высокой температуре на поверхности появляются пузыри, сморщивание пленки.

Процесс высыхания начинается на поверхности покрытия. Образующаяся сверху твердая пленка препятствует свободному удалению паров растворителей, находящихся в нижележащих слоях. Это увеличивает время сушки и ухудшает качество пленки, так как на ее поверхности образуются пузыри и кратеры.

Поэтому сушка ведется ступенчато: в начальный период, т. е. при интенсивном испарении растворителя, при пониженной температуре, а затем при повышенной.

На практике применяют различные конвективные сушильные камеры периодического и непрерывного действия. Теплоносителем является пар, реже - горячая вода.

Камеры периодического действия изготовляют в виде тупиковых кабин, куда закатывают этажерки с деталями. Камеры непрерывного действия более прогрессивные. Транспортные органы в них выполнены в виде передвижных напольных или подвесных этажерок.

Терморадиационный нагрев основан на способности лакокрасочного материала пропускать инфракрасные лучи определенной длины. В результате их поглощения подложка нагревается.

В этом случае направление потока тепла (от древесины к наружной поверхности лакового покрытия) совпадает с направлением движения летучих веществ ЛКМ, в результате чего сокращается продолжительность сушки и улучшается качество покрытий.

Для сушки применяют инфракрасные лучи с длиной волны 0,75 - 8 мкм. Лучшая проницаемая способность их наблюдается при длине волны 1-4 мкм, т. е. при температуре нагревателя 450 °С и выше.

В качестве источника тепла применяются чаще трубчатые электронагреватели, реже - электролампы и обогреваемые панели.

Сушка методом предварительного аккумулирования тепла заключается в том, что отделываемую деталь предварительно нагревают, а затем на горячую поверхность наносят лакокрасочное покрытие. В результате нагрева воздух из поверхностных пор частично удаляется и, следовательно, уменьшается количество пузырей при сушке лакового покрытия. Этому способствует и то, что пары растворителя беспрепятственно удаляются через покрытие. Предварительный нагрев поверхностей деталей можно производить любым способом.

Фотохимическое отверждение полиэфирных покрытий ультрафиолетовыми лучами (УФ) является одним из наиболее эффективных способов. Для облучения покрытий используют волны длиной 320 - 400 нм (ультрафиолетовые).

Молекулы, поглощающие энергию УФ-лучей, скачкообразно переходят в электронно-возбужденное состояние и становятся более реакционно-способными. Скорость полимеризации зависит от интенсивности УФ-излучения.

Чтобы повысить чувствительность полиэфирного лака к УФ-облучению, в него вводят сенсибилизатор, который в реакции сополимеризации не участвует, но служит для переноса поглощенной им энергии на молекулы реагирующих компонентов. Он интенсивнее, чем ненасыщенные смолы, поглощает свет в ультрафиолетовой области.

Используемый при отделке парафинсодержащий лак вначале должен медленно полимеризоваться, чтобы на поверхности покрытия образовался сплошной защитный слой парафина.

Поэтому покрытия облучают сначала лампами низкого давления (люминесцентными), а затем высокого (ртутно-кварцевыми), с более высокой мощностью. После сушки поверхности можно шлифовать и полировать сразу, без выдержки.

Полиэфирные парафинсодержащие лаки стали заменяться беспарафиновыми (а в последнее время и они в Беларуси почти не применяются).

Поверхности, отделанные беспарафиновыми полиэфирными материалами, облучают ультрафиолетовыми лампами высокого давления (ДРТ-12000) мощностью 1-12 кВт.

Такие покрытия после сушки не требуют облагораживания. С увеличением мощности Уф-облучения процесс отверждения ускоряется, но есть опасность перегрева покрытия. Поэтому широко используется импульсное УФ-облучение, при котором энергия подводится короткими импульсами продолжительностью около 0,001 с (1SТ-метод).

Продолжительность отверждения составляет несколько десятков секунд.



4. Анализ современного состояния автоматического регулирование теплового режима

Автоматическое регулирование тепловых режимов печей способствует получению высоких технико-экономических показателей лишь в том случае, когда выбор системы произведен с учетом теплотехнических и технологических особенностей работы печей. [1]

Автоматическое регулирование теплового режима печей позволяет улучшить качество нагрева металла, повысить производительность работы печей, снизить расход топлива на 10 - 20 %, сократить количество обслуживающего печь персонала и улучшить условия его труда.

Главным в автоматическом регулировании является поддержание температуры и состава газовой атмосферы печи в заданных пределах. [2]

Применение автоматического регулирования тепловых режимов печей по сравнению с ручным дает значительные преимущества: увеличивает производительность печи, улучшает качество нагрева в печах, снижает удельный расход топлива, увеличивает кампанию печи за счет большей стойкости огнеупорной кладки, облегчает труд обслуживающего персонала, а в некоторых случаях и сокращает его численность. [3]

Основные элементы схемы автоматического регулирования теплового режима печи, действующей на мазуте: термопара; потенциометр; изодромныв регулятор; дроссельная заслонка; исполнительный механизм; регулятор соотношения; манометр; мембрануа; золотник; регулятор давления; фильтр. [5]

Устройство для автоматического регулирования теплового режима печей должно состоять из трех основных узлов. У больших печей устройство для автоматического регулирования целесообразно дополнять узлом IV регулирования давления в рабочем пространстве печи. [6]

Несмотря на значительные преимущества автоматического регулирования тепловых режимов печей перед ручным, вопрос о широком внедрении автоматического регулирования на печах, оборудованных мазутными форсунками низкого давления, до настоящего времени окончательно еще не решен. Для перемещения регулирующих органов в системах автоматического регулирования тепловых режимов печей обычно применяют электрические исполнительные механизмы.

По данным завода, такая схема автоматического регулирования тепловых режимов печей позволила значительно сократить расход топлива и улучшить качество нагрева.

Пропорционирование подачи мазута и воздуха в форсунках со сблокированным регулированием осуществляется внутри форсунки, поэтому схемы автоматического регулирования тепловых режимов печей, оборудованных этими форсунками, не требуют установки специальных пропорционирующих приспособлений - регуляторов соотношения или регулировочных устройств на воздухопроводе и мазутопроводе со связями, соединяющими их.

До тех пор, пока подготовка мазута не будет налажена, не может быть решен вопрос и о внедренииавтоматического регулирования тепловых режимов печей.

Начальная стадия нагрева такой загрузки проходит при постоянном тепловом потоке до достижения поверхностью загрузки заданной температуры нагрева, а выравнивание температуры в сечении загрузки может производиться с постоянной температурой поверхности. Практическое осуществление такого режима выравнивания температуры с постоянным снижением подводимого к поверхности загрузки теплового потока предполагает использование системы автоматического регулирования теплового режима печи.



5. Конструкция хлебопекарной печи туннельного типа

Выпечку хлеба производят в печах различной конструкции. Бывают печи сквозные (посадка тестовых заготовок осуществляется с одной стороны, а выгрузка с противоположенной) и тупиковые (посадка и выгрузка с одной стороны). Многие печи оборудованы автоматическими посадчиками тестовых заготовок и механизмами для выгрузки хлеба.

Печи являются основным технологическим оборудованием хлебопекарного производства, назначение которого -- обеспечить выработку высококачественной продукции при соблюдении всех технико-экономических показателей работы (расход пара, топлива, электроэнергии, упек и др.). Вкус, аромат и внешний вид хлеба и булочных изделий в значительной степени зависят от конструктивных достоинств печного агрегата, работы отдельных узлов и правильной эксплуатации печи.

Конвейерные хлебопекарные печи позволяют механизировать и автоматизировать процесс выпечки и использовать на хлебозаводах механизированные поточные линии.

Конвейерные хлебопекарные печи по конструкции пекарной камеры могут быть тупиковыми и туннельными. Тупиковые печи труднее установить в автоматические поточные линии в связи с тем, что в тупиковых печах загрузка тестовых заготовок и выгрузка готовой продукции производится через одно посадочно-выгрузочное отверстие.

Более перспективными являются туннельные конвейерные печи, которые особенно легко автоматизировать и устанавливать в поточные линии.

Туннельные хлебопекарные печи в последнее время получили все большее распространение. Обогрев печей туннельного типа осуществляют с помощью газообразного или жидкого топлива, а кроме того, электрических нагревательных элементов.

Печь устанавливается между агрегатом для окончательной расстойки тестовых заготовок и оборудованием для транспортирования готовых изделий к циркуляционным столам или агрегатам укладки изделий в лотки или расфасовки.

Печь может быть использована в механизированных линиях для производства хлеба и хлебобулочных изделий с автоматической посадкой или как самостоятельный агрегат.

Рассмотрим конструкцию тоннельной хлебопекарной печи с газовым обогревом пекарной камеры на примере печи ПХС-25 установленной на хлебозаводе №3.

Рисунок 1.2 - Печь хлебопекарная ПХС - 25

Где: 1 - вентилятор рециркуляции; 2 - пекарная камера; 3 - топочное устройство; 5 - предохранительный (взрывной) клапан; 6 - дымовая труба; 7 - горелка.

На рисунке 1.2 показана печь ПХС-25, которая представляет собой металлическую конструкцию, состоящую из пекарной камеры, конвейерного пода с приводным и натяжными механизмами, топочного устройства, системы греющих и распределительных каналов и дымососа (вентилятора рециркуляции).

Пекарная камера представляет собой прямоугольной формы горизонтальный туннель. Верхняя и нижняя стенки пекарной камеры являются одновременно теплоотдающими стенками газовых каналов верхнего и нижнего обогрева камеры (все стенки камеры сделаны из металлических листов небольшой толщины). По нижнему металлическому листу (основанию пекарной камеры) перемещается рабочая ветвь конвейерной металлической сетки, на которой расположены тестовые заготовки.

Холостая (нижняя) ветвь сетки движется в обратном направлении в сторону загрузочного отверстия. Сетка состоит из отдельных спиралей прямоугольной формы, навитых из металлической ленты шириной 2 и толщиной 1мм, соединенных между собой металлическими прутками диаметром 2мм. Ширина сетчатого пода составляет 2,1 м.

Приводная станция печи расположена со стороны выгрузки. Станция состоит из трехскоростного электродвигателя, частота вращения которого может составлять 750, 1500 и 3000 об/мин, соединенного клиноременной передачей с редуктором-вариантом; от последнего вращения передается приводному барабану. При частоте вращения двигателя 3000об/мин с помощью вариатора скорости можно регулировать продолжительность выпечки в пределах от 5 до 17мин, при частоте вращения 1500об/мин - в пределах от 17 до 35мин, а при частоте вращения 750об/мин в пределах от 35 до 105мин.

Со стороны загрузки печи расположена станция натяжения сетки конвейера, которая состоит из натяжного барабана и винтового устройства для его перемещения. Со стороны выгрузки расположено также грузовое натяжное устройство.

Для увлажнения поверхности тестовых заготовок в начальном участке пекарной камеры имеется пароувлажнительное устройство, состоящее из металлического колпака, под которым помещены четыре трубы с отверстиями.

Излишек пара удаляется из пекарной камеры, к которым примыкают патрубки с заслонками, и систему вентиляционных трубопроводов, присоединенных к вытяжному вентилятору. Последний устанавливают над печью.

Техническая характеристика печи:

- площадь пода - 26,2м?;

- ширина сетчатого пода - 2100мм;

- ассортимент выпекаемых изделий;

- хлеб подовый и формовой;

- батоны;

- мелкоштучные хлебобулочные изделия;

- бараночные изделия;

- пряники;

- габаритные размеры;

- длинна - 14570мм;

- ширина - 3500мм;

- высота - 2615мм;

- масса печи с теплоизоляцией - 21920 кг

Для обогрева пекарной камеры используют металлические каналы небольшой высоты(50мм), расположенные сверху и снизу камеры по всей её ширине и длине. Греющие газы подводятся в каналы и отводятся из них в нескольких местах по длине пекарной камеры с помощью металлических труб диаметром 200 мм.

Все газоходы печи выполнены герметичными и находится под разряжением, создаваемым рециркуляционными вентиляторами.

Технические данные приводных двигателей рециркуляционных вентиляторов:

- тип АО2-51-6

- частота вращения, об/мин 970

- мощность, кВт 5,5

- номинальное напряжение, В 380/220

Рисунок 1.3 - Тепловая схема печи ПХС - 25

Где: 1 - шиберы регулирования разряжения, установленные в вытяжных трубах; 2 - топки первого и второго газового трактов; 3 - вентиляторы рециркуляции, обеспечивающие движение газов по газовым каналам; 4- каналы обогрева пекарной камеры.



Тепловая схема печи ПХС (рисунок 1.3) состоит из двух независимых друг от друга газовых трактов: «зона 1» и «зона 2». Газовый тракт «зона 1» обслуживает входной участок пекарной камеры, а «зона 2» средний и выходной участки. Термоэлектрические преобразователи установлены во входном и среднем участках пекарной камеры, следовательно, температура регулируется только в этих двух участках. Выходной участок пекарной камеры является нерегулируемым. Стрелками на рисунке показаны направления циркуляции греющих газов в газоходах.

В хлебопекарных печах ПХС применена система рециркуляционного обогрева, работающая следующим образом.

Охлажденные до температуры 200-300 °С дымовые газы из каналов поступают во всасывающий патрубок вентилятора. На выходе из нагнетательного патрубка вентилятора поток газов разделяется. Часть газов удаляется в дымовую трубу, другая часть по газоходу возвращается (рециркулирует) на обогрев печи. Эти газы подаются вентилятором в топочные устройства -- муфеля (рисунок) температура в которых достигает 1500 °С. Охлажденные газы подогреваются в муфелях, смешиваются в них с горячими газами и снова направляются в каналы для обогрева пекарной камеры.

Из камеры смешения по вертикальному газоходу газы подводятся в верхние и нижние транспортирующие каналы, из которых затем попадают в каналы обогрева пекарной камеры. Из каналов обогрева охлажденные газы отводятся коробом, присоединенным к всасывающему патрубку вентилятора рациркуляции. Цикл замыкается. Второй контур обогрева обслуживает средний и входной участок пекарной камеры. Газы из камеры смешения второго контура, так же как и в первом контуре, поступают в транспортирующие каналы, подводящие газы в каналы обогрева. Охлажденные продукты сгорания отводятся по транспортирующему каналу, который соединен патрубком, подводящим газы к вентилятору рециркуляции. В топке печей ПХС можно сжигать газообразное и жидкое, например дизельное или моторное топливо. Процесс сжигания автоматизирован.

Система обогрева печи ПХС-25 оборудована предохранительными клапанами. Во избежание возможного взрыва несгоревших газов, которые могут оставаться в газоходах печи после выключения горелки, перед очередным розжигом горелок необходимо с помощью вентилятора рециркуляции произвести продувку газового тракта свежим воздухом. При продувке воздух в газовый тракт (в обоих контурах обогрева) засасывается вентиляторами рециркуляции через специальные патрубки для продувки. Пройдя по газоходам, транспортирующим и рабочим каналам, воздух удаляется в дымовые трубы.

Обшивка печи выполнена из металлических листов. Между обшивкой и горячими элементами печи (пекарной камерой, греющими каналами и др.) проложен слой стекло и шлаковаты.

Таким образом, печи марки ПХС, как и вообще печи с рециркуляцией продуктов сгорания, имеют следующие основные преимущества: печь полностью изготовлена из металла; при этом пекарную камеру изолируют слоем небольшой толщины (от 300 до 400мм); разогрев печи длится около 2-3ч.

Применение рециркуляционного обогрева в сочетании с туннельной конструкцией пекарной камеры позволяет организовать температурный режим, который сравнительно легко регулировать по длине камеры. Для обогрева печи применяются инжекторные четырехсопельные горелки среднего давления типа

Г - 1,0 с техническими данными:

- номинальная тепловая мощность, МВт 0.93

- давление газа перед горелкой, ПА 700 - 1000

- давление воздуха перед горелкой, ПА 600 -- 1000

- номинальный коэффициент избытка воздуха при номинальной тепловой мощности 1,05

- топливо природный газ

- коэффициент рабочего регулирования горелки, не менее 3

-масса горелки, кг 24

Данный тип горелок относится к горелкам с предварительным смещением. Эти горелки обеспечивают образование газовоздушной смеси, которая сгорает при выходе из горелки в коротком высокотемпературном факеле. Основным преимуществом инжекционных горелок является то, что в них газ высокого давления подсасывает воздух, причем соотношение газ-воздух сохраняется при изменении давления газа, т.е. при изменении количества газа проходящего через горелку. Таким образом, отсутствует необходимость в системе регулирования подачи воздуха.

Основными факторами, характеризующими нормальную работу печи являются разряжение в топках и температура газов «от топок». Разряжение в топках регулируется с помощью шиберов установленных в вытяжных трубах. На всем протяжении работы печи разложение должно оставаться неизменным в пределах 6-8мм. вод. ст. Невозможность установить данное разряжение говорит о не плотностях в системе обогрева либо о большом сопротивлении в дымовой трубе или отводах. Температура газов «от топок» измеряется за муфелем топки (рис. 1.2, разрез А-А, показано жирной точкой) и не должна превышать 550 °С.Превышение данной температуры говорит о не плотностях в системе обогрева.

Строго запрещается эксплуатация печи при отклонении любого из показателей, характеризующих ее нормальную работу.



6. Разработка функциональной схемы автоматизированной системы регулирования температуры хлебопекарной печи

Так как пекарная камера печи ПХС содержит в себе две зоны выпечки с контролируемой температурой, в которых должна поддерживаться различная температура, то автоматика печи должна включать в себя две абсолютно одинаковые по своему составу системы регулирования температуры: одна для первой зоны, другая для второй.

Также для поддержания устойчивого горения факелов горелок необходимо регулировать разрежения в топках. В данный момент регулирование разряжения в топках печи производится вручную путем изменения положения шиберов установленных в дымоотводящих трубах. Поэтому одной из основных задач является задача автоматизации регулирования разряжения в топках печи.

Таким образом, автоматизированная система регулирования температуры хлебопекарной печи включает в себя две системы: автоматическую систему регулирования температуры в пекарных камерах и автоматическую систему регулирования разряжения в топках печи.

Также система управления хлебопекарной печью должна осуществлять автоматический (по команде) розжиг обеих горелок и контроль безопасности работы всей печи, при нарушении одного из критериев безопасности производить отсечку газа с последующим отключением всего оборудования.

6.1 Разработка общей структуры системы автоматического регулирования температуры в пекарной камере и выбор типа регулирования

Поддержание заданной температуры в зонах пекарной камеры осуществляется за счет изменения количества газа, подаваемого на горелку. Путем изменения сечения газопровода к горелке.

Процесс управления температурным режимом в печи может осуществляться как непрерывным, так и дискретным способами. Непрерывные методы обеспечивают большую точность регулирования температуры. Однако, для большинства печей, благодаря инерционности самой печи и ее загрузки, изменение температур в ней протекают сравнительно медленно, поэтому соответствие прихода тепловой энергии и ее потребления не является обязательным для каждого момента времени, достаточно, если такое соответствие будет иметь место для средних значений мощностей в определенных интервалах времени, длительностью (в зависимости от требования процесса) от нескольких минут до нескольких секунд. Это значительно упрощает систему регулирования температуры и позволяет в ряде случаев отказаться от непрерывного регулирования ограничившись простым позиционным.

Задача выбора закона управления и типа регулятора состоит в следующем -- необходимо выбрать такой тип регулятора, который при минимальной стоимости и максимальной надежности обеспечивал бы данное качество регулирования. Могут быть выбраны релейные, непрерывные или дискретные (цифровые) типы регуляторов.

Для того, чтобы выбрать тип регулятора и определить его настройки необходимо знать:

1. Статические и динамические характеристики объекта регулирования.

2. Требования к качеству процесса регулирования.

3. Показатели качества регулирования для непрерывных регуляторов.

4. Характер возмущений, действующих на процесс регулирования.

Выбор типа регулятора обычно начинается с простейших двухпозиционных регуляторов и может заканчиваться самонастраивающимися микропроцессорными регуляторами. Заметим, что по требованиям технологического регламента многие объекты не допускают применения релейного управляющего воздействия.

Исходными данными к расчету регулятора являются статические и динамические параметры объекта, то есть коэффициент объекта К_об, чистое запаздывание ф_об И постоянная времени Т_об.

Наиболее сложным является определение характеристик печи. Печь представляет собой сложную, многозвенную структуру, звенья которой связанны между собой законами тепло обмена.

В связи с тем, что расчет динамических параметров печи трудоемок и неточен, применяют экспериментальные методы их определения, если речь идет об установленной или монтируемой печи, поскольку зависимость между входной и выходной величиной (переходная характеристика или кривая разгона) легче получить именно таким способом.

При определении динамических характеристик объекта по его переходной характеристике(кривой разгона) на вход подается или ступенчатый пробный сигнал или прямоугольный импульс. Во втором случае преходная характеристика(кривая отклика) должна быть достроена до соответствующей кривой разгона.

Процесс получения передаточной функции объекта, исходя из данных о переходном процессе, называется идентификацией объекта.

При снятии переходной характеристики необходимо выполнить ряд условий, представленных в таблице:

Таблица 1.1 -- Условия снятия переходной характеристики

№ условия	Условия
1	Если проектируется система стабилизации технологического параметра, то переходная характеристика должна сниматься в окрестности рабочей точки процесса.
2	Переходные характеристики необходимо снимать как при положительных, так и при отрицательных скачках управляющего сигнала. По виду кривых можно судить о степени асимметрии объекта. При небольшой асимметрии расчет настроек регулятора рекомендуется вести по усредненным значениям параметров передаточных функций. Линейная асимметрия наиболее часто проявляется в тепловых объектах управления.
3	При наличии зашумленного выхода желательно снимать несколько переходных характеристик(кривых разгона) с их последующим наложением друг на друга и получением усредненной кривой.
4	При снятии переходной характеристики необходимо выбрать наиболее стабильные режимы процесса, например, ночные смены, когда действие внешних случайных возмущений маловероятно.

Начальные условия снятия переходной характеристики: в начальный момент необходимо, чтобы система управления находилась в покое, т.е. регулируемая величина Х (например, температура в печи) и управляющее воздействие регулятора Y (выход регулятора на исполнительный механизм) не изменялись, а внешние возмущения отсутствовали.

Например, температура в печи оставалась постоянной и исполнительный механизм не изменяет своего положения. Затем на вход исполнительного механизма подается ступенчатое воздействие, например, включается нагрев. В результате состояние объекта начинает изменяться.

Печь является объектом с самовыравниванием. Самовыравниванием процесса регулирования называется свойство регулируемого объекта после нарушения равновесия между притоком и расходом вернуться к этому состоянию самостоятельно, без участия человека или регулятора.

Самовыравнивание способствует более быстрой стабилизации регулируемой величины и следовательно, облегчает работу регулятора. При повышении температуры печи увеличиваются ее тепловые потери, поэтому график нагрева носит экспоненциальный характер, в конечном счете, в печи само собой устанавливается положение равновесия.

Процесс изменения параметра X(t) и его переходная характеристика h(t) изображена на рисунке 1.4

Сняв кривую разгона, и оценив характер объекта управления можно определить параметры соответствующей передаточной функции.

Перед началом обработки переходную характеристику(кривую разгона) рекомендуется пронумеровать (диапозон изменения нормированной кривой от 0 до 1) и выделить из ее начального участка величину чистого временного запаздывания ф_d1.

Рисунок 1.4 -- Переходная характеристика (кривая разгона) объекта с самовыравниванием.

Определение динамических характеристик объектов по кривой разгона производится методом касательной к точке перегиба переходной характеристики (кривой разгона).

В данном случае точка перегиба соответствует переходу кривой от режима ускорения к режиму замедления темпа нарастания выходного сигнала.

По виду переходной характеристики можно определить динамические свойства объекта:

К, Х_уст, ф_d, T, R.

К -- динамический коэффициент усиления К = Х_уст/Y

Х_уст -- установившееся значение выходной величины (максимальное значение температуры в печи, которое может быть достигнуто при установленной мощности нагревателя).

Т -- постоянная времени объекта, может быть определена в соответствии с рисунком.

R -- максимальная скорость изменения параметра -- наклон переходной характеристики, может быть определена по формуле:

R= Х_уст /T

ф_d - транспортное (динамическое) запаздывание -- промежуток времени от момента изменения входной величины Y до начала изменения выходной величины Х.

Например, это может быть время после включения нагрева, за которое температура в печи достигнет значения ? 0,1 Х_уст.

Чем больше, время полного запаздывания ф_d - тем труднее регулировать такой процесс.

Тип регулятора выбирают исходя из следующих рекомендаций /4/:

Если ф_d /Т < 0,2, то можно выбрать релейный, непрерывный или цифровой регуляторы.

Если 0,2 < ф_d/Т < 1, то должен быть выбран непрерывный или цифровой, ПИ-, ПД-, ПИД - регулятор.

Если ф_d /Т > 1, то выбирают специальный цифровой регулятор с упредителем, который компенсирует запаздывание в контуре управления.

На рисунке 1.5 приведены приближенные (идеализированные) кривые разгона хлебопекарной печи ПХС-25, снятые при минимальной и максимальной мощностях работы горелок. В момент снятия кривой печь не была загружена.

Из-за невозможности разогрева печи до установившейся температуры на полной мощности горелки кривые не были сняты полностью. До установившегося значения они были достроены, так как закон изменения температуры уже примерно определился.

Также известно, что при минимальной мощности горелки печь может нагреться примерно до 200 °С, а при максимальной мощности установившаяся температура составляет около 800 ?С.

Рисунок 1.5 -- кривые разгона печи ПХС-25, где 1 -- кривая разгона на максимальной мощности; 2 -- кривая разгона на минимальной мощности;

Из график определяем постоянную времени Т и запаздывание ф печи:

Т ? 100 мин;

ф ? 14 мин.

Следовательно ф/Т = 14/100 = 0.14 < 0.2 -- выбираем релейный (двухпозиционный) регулятор температуры.

Реализация двухпозиционного метода регулирования значительно проще и дешевле чем плавного. Схема реализации двухпозиционного закона регулирования температуры приведена на рисунке 1.6.



Рисунок 1.6 -- Схема реализации двухпозиционного закона регулирования температуры в пекарной камере печи.

Система двухпозиционного регулирования включает в себя следующие элементы:

– датчик температуры Дт;

– регулятор температуры РТ;

– электромагнитные вентили различного сечения: БП и МП.

Поддержание требуемой температуры осуществляется по принципу «малое пламя» - «большое пламя» (полная мощность -- чистая мощность). Вентиль МП открыт всегда при работающей печи для того, чтобы снизить величину скачка в подаче газа на горелку. Сигнал о текущей температуре в пекарной камере поступает с термоэлектрического преобразователя на регулятор температуры. При понижении температуры ниже установленной открывается вентиль БП и на горелку поступает газ через оба вентиля (БП и МП), что соответствует максимальной мощности горелки. При достижении заданной температуры вентиль БП закрывается и на горелку поступает только газ с вентиля МП, что соответствует частичной мощности горелки.



6.2 Описание регулирования температуры по двухпозиционному закону

Двухпозиционные регуляторы обеспечивают хорошее качество регулирования для инерционных объектов с малым запаздыванием, не требуют настройки и простоты в эксплуатации. Эти регуляторы представляют обычный и наиболее широко распространенный метод регулирования.

В простейшем случае (без обратной связи) двухпозиционный регулятор работает как двухпозиционный переключатель.

Структурная схема двухпозиционной системы регулирования приведена на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 - Структурная схема двухпозиционной системы регулирования, где: АР -- двухпозиционный регулятор, ОУ -- объект управления, SP - узел формирования заданной точки (задания), Е -- рассогласование регулятора, PV=Х -- регулируемая величина, Y -- управляющее воздействие, Z -- возмущающее воздействие.

Для предотвращения «дребезга» управляющего выходного устройства (например, реле) вблизи задания SP (слишком частого включения нагревателя), предусматривается гистерезис Н (зона нечувствительности).

Описание работы двухпозиционной системы регулирования температуры в печи может быть представлено следующим образом:

Нагрев включен, пока температура в печи (X=PV) не достигнет значения заданной точки SP.

Выход регулятора Y (нагрев) отключается, если регулируемая величина (температура) выше заданной точки SP.

Повторное включение нагревателя происходит после уменьшения температуры до значения SP-H, т.е. с учетом гистерезиса Н переключательного элемента.

Алгоритм двухпозиционных регуляторов определяется статической характеристикой: зависимостью выходного сигнала Y от входного Х /4/ (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 - Статическая характеристика двухпозиционной системы регулирования

Выходная величина Y равна максимальному воздействию -- нагрев включен: Y=max при X < SP-H, где Н -- значение гистерезиса.

Выходная величина Y равна минимальному воздействию -- нагрев выключен: Y=0 при X > SP.

Ширина зоны гистерезиса в современных двухпозиционных регуляторах является единственным программируемым параметром настройки.

Процесс двухпозиционного регулирования является автоколебательным -- регулируемая величина, как в переходном, так и в установившемся режимах периодически изменяется относительно заданного значения (рисунок 1.9), т.е. регулируемая величина PV (X) подвержена незатухающим колебаниям. Показателями автоколебательного режима являются амплитуда автоколебаний Ак и период автоколебаний Тк.

Частота и амплитуда колебаний зависят и определяются следующими величинами /4/:

- от времени транспортного запаздывания ф_d;

- от постоянной времени объекта Т (определяется инерционностью объекта);

- от максимальной скорости R изменения параметра Х (определяется по переходной характеристике);

- от величины гистерезиса Н переключательного элемента регулятора.

Рисунок 1.9 -- Процесс регулирования с двухпозиционным законом

Для объектов с большой инерционностью (большим значением постоянной времени объекта Т) и малым запаздыванием ф_d регулирование происходит с постоянными колебаниями до 5-15% от задания SP.

- Чем больше гистерезис Н, отношение ф_d /Т, R -- тем больше амплитуда колебаний Ак.

- Чем больше время запаздывания ф_d и постоянная времени объекта Т -- тем больше период колебаний Тк.

Точность регулирования технологического параметра, например, температуры зависит от величины гистерезиса. Чем меньше гистерезис, тем точнее регулирование, но тем чаще включается нагреватель и тем самым больше износ коммутационных элементов (например, реле). Уменьшая гистерезис можно повысить качество регулирования до некоторого предела, определяемого параметрами объекта регулирования (тепловой инерцией, мощностью нагревателя, тепловой связью нагревателя и объекта и др.).

6.3 Построение динамических характеристик системы автоматического регулирования температуры в пекарной камере печи

Процесс автоматического регулирования температурного режима в печи характеризуется следующими особенностями.

Печь с точки зрения управления представляет собой сложный комплекс, состоящий из нагревателя(системы газоходов и горелки), изделия, термоэлектрического термометра, связанных друг с другом процессами теплообмена, причем каждый из них обладает своей тепловой инерцией, что чрезвычайно усложняет расчет тепловых переходных процессов и анализ динамики процесса регулирования.

Температуры в отдельных частях камеры печи могут различаться. Более того, температура рабочего конца термопары, а следовательно и регулируемая температура будет зависеть от расположения в камере печи. От этого расположения могут зависеть так же качество регулирования, размер колебаний температуры при позиционном регулировании.

Для построения динамических характеристик системы регулирования температуры необходимо ввести допущение: будем считать, что тепловое взаимодействие между зонами пекарной камеры практически не влияет на температуру во второй зоне.

Тогда передаточную функцию объекта управления с достаточной точностью можно представить в виде последовательного соединения апериодического звена первого порядка с запаздывающим звеном:

,

Где T и ф были найдены ранее из кривой разгона печи.

Передаточная функция объекта также учитывает инерционность термоэлектрического преобразователя.

Коэффициент усиления зависит от мощности горелки и, как и другие параметры системы, находится из кривой разгона печи. При работе системы на полной мощности ее коэффициент усиления равен К1 = 700, так как на этой мощности печь может разогреться максимум до 700 °С. При работе системы на частичной мощности коэффициент усиления К2 = 200.

Как было сказано выше, единственным задаваемым параметром регулятора температуры является его гистерезис (зона нечувствительности). От величины гистерезиса также зависит амплитуда колебаний температуры системы, чем больше гистерезис, тем выше колебания температуры. Поэтому для снижения амплитуды колебаний выбираем минимально возможную (нулевую) ширину зоны гистерезиса. Поэтому в регуляторе задаем только рабочую температуру. Рабочей температурой считается: для первой зоны 01 = 180 °С, для второй зоны 02 = 270 °С.

Разогрев печи до рабочей температуры не рекомендуется проводить от начала до конца на полной мощности. Поэтому сначала разогрев производят на частичной мощности, а затем при достижении температуры 100 °С печь переводят на полную мощность.

В программе структурного моделирования PSM32 моделируем работу автоматической системы регулирования температуры хлебопекарной печи.

При моделировании считаем что Uз = 1, при этом К = 200, для получения К = 700 задание должно составлять X = 3.5, для этого выходное значение регулятора равно 2.5. Так как до 100 °С печь должна нагреваться на малой мощности, то для этого в отрицательную обратную связь вводим релейный элемент с выходным сигналом равным 2.5. При достижении 100°С релейный элемент отключится и печь вновь встанет на полную мощность. При этом структурная схема приобретает вид изображенный на рисунке 1.10:

Рисунок 1.10 - Структурная схема проектируемой систем

На рисунках 1.11 и 1.12 изображены временные графики представленной системы для первой и второй зон пекарной камеры.

Рисунок 1.11 - Временной график системы регулирования температуры для первой зоны пекарной камеры (заданная температура 220 °С)



Цифрой 1 отмечен временной график на выходе системы - зависимость температуры от времени; цифрой 2 отмечен временной график второго сумматора (вход объекта управления).

Рисунок 1.12 - Временной график системы регулирования температуры для второй зоны пекарной камеры (заданная температура 220 °С)

Здесь также цифрой 1 отмечен временной график на выходе системы - зависимость температуры от времени, а цифрой 2 - временной график второго сумматора (вход объекта управления).

Из графиков видно, что колебания температуры в окрестности заданного значения больше в положительную сторону, чем в отрицательную (например рисунок 1.12: амплитуда колебаний составляет 9,6 °С, причем 6,3 °С вверх от заданной и 3,3 °С вниз от заданной температуры). Это связано с тем, что при достижении заданной температуры нагрев не отключается полностью, а лишь уменьшается мощность горелки, поэтому понижении температуры происходит медленнее, чем ее повышение. И запаздывание в системе играет уже меньшую роль. Поэтому уставку регулятора температуры рекомендуется задавать немного ниже необходимой температуры /6/.

Также из графиков видно, что температура в печи поднимается не сразу, а через некоторое время, это обусловлено запаздыванием в системе. Чем меньше запаздывание в печи, тем меньше амплитуда автоколебаний температуры в ней. Запаздывание в системе зависит от типа и места расположения термопары, вида ее защитной арматуры. Поэтому для уменьшения запаздывания рекомендуется использовать термопары без защитных чехлов, а также располагать термопары ближе к нагревателю /6/.

6.4 Разработка общей структуры системы автоматического регулирования разрежения в топках печи

Автоматическая система регулирования разрежения в топках печи необходима для поддержания постоянным разрежения в топках. По техническим характеристикам печи в топках необходимо поддерживать постоянное разрежение, составляющее примерно 6-8 мм водяного столба, что соответствует 60-80 Па.

Автоматическая система регулирования разрежения предназначена для поддержания наиболее экономичного и безопасного режима сжигания топлива в топке путем регулирования положения шибера, установленного в дымовой трубе. При отсутствии разрежения пламя факела будет прижиматься, что приведет к обгоранию горелок и нижней части топки. Дымовые газы при этом пойдут в помещение цеха, что делает невозможным работу обслуживающего персонала.

6.5 Модель объекта управления САР разрежения в топках печи

Регулирование разрежения в топке осуществляется с помощью регулятора, получающего сигнал от датчика разрежения и воздействующего на исполнительный механизм, при помощи которого осуществляется изменение положения шибера установленного в вытяжной трубе.

Структурная схема такой системы изображена на рисунке 1.13:



Рисунок 1.13 - Структурная схема модели системы автоматического регулирования разряжения в топке печи, где: Wpc(p) - стабилизирующий регулятор; Wro(p) - привод поворотной заслонки; Whg(p) - объект регулирования, представляющий собой участок топочного пространства между серединой горелок и местом отбора сигнала по разряжению в топке.

Динамические свойства объекта регулирования характеризуются отсутствием запаздывания, малой инерционностью, самовыравниванием. Особенностью являются небольшие колебания регулируемой величины около среднего значения с частотой несколько герц. Такие низкочастотные колебания обусловлены, в частности, пульсациями расходов топлива и воздуха, кроме того, процесс горения сам является источником высокочастотных колебаний (100-150 Гц), отдельные низкочастотные моды которых могут резонировать.

...