Автоматическая система управления процессом сквашивания молока

РЕФЕРАТ

                  Курсовая работа: пояснительная записка 22 стр.,   4 рисунка,  4 источника,         графическая часть лист формата А4.

                  АВТОМАТИКА, АВТОМАТИЗАЦИЯ, УСТОЙЧИВОСТЬ СИСТЕМЫ,        СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ, СХЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ, АППАРАТУРА АВТОМАТИКИ. 

                  Тема: «Автоматическая система управления процессом сквашивания молока».

                  Объект: молочное предприятие, емкость для сквашивания молока.

                  Цель: научиться составлять функциональные схемы автоматизации и выбирать аппаратуру автоматики.

                  Рассмотрены основные условные  обозначения, используемые при составлении функциональных схем, аппаратура автоматики, используемая на предприятии в процессе сквашивания молока.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………….4

1. Расчет устойчивости одноконтурной системы регулирования…………...….5
1. Преобразование структурной схемы……………………………………….6
2. Алгебраический критерий устойчивости Гурвица…………………….….9
3. Частотный критерий устойчивости Михайлова……………………….…10
2. Проектирование системы автоматического контроля и регулирования

процессом сквашивания молока…………………………………………………….…13

1. Описание технологического процесса……………………………………13
2. Техническое задание на проектирование…………………………….…..14
3. Описание схемы автоматизации……………………………….……….…14
4. Выбор и обоснование средств контроля и регулирования…….…….….15

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….…..….19

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………………...20

СХЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ……………………………………………………..…..21

СПЕЦИФИКАЦИЯ…………………………………………………………………..…22

ВВЕДЕНИЕ

               Один из факторов повышения производительности труда, эффективности производства, ускорения научно-технического процесса является автоматизация технологических производств в пищевой промышленности, в тос числе и молочной.

               В настоящее вркмя и в перспективе вомпьютерные технологии упралени (КТУ) будут лежать в основе систем управления предприятиями молочной промышленности, охватывая  автоматизацию технологических процессов, обработку баз данных, связанных с оперативным управлением производством и коммерческой деятелностью предприятия, обучение и подготовку специалистов.

                Контроль параметров сырья, полуфабрикатов  и готовой продкукции в перспективе следует перевести полностью на инструментальные методы с помощью вновь созданных как однокомпанентных, так и мгогокомпонентных автоматических анализаторов.

                 Внедрение КТУ даст возможность  повысить технико-экономические  показатели производства, увеличить выпуск высококачественных продуктов, эффекктивние использовать трудовые и материальные ресурсы, а также улучшить качество , достоверность и своевременность обработки технологической и оперативной информации для оптимального управлением предприятиемю уровень автоматизации производства при использовании КТУ достигает 90-95%.

                    Цель работы – автоматизация технологического процесса сквашивания молока с применением современных приборов и средств контроля.

                    Задачами курсовой работы являются: выбор объектов управления; определение пераметров для контроля, управления, сигнализации; разработка функциональной схемы автоматизации и другой документации.

1. Расчет устойчивости одноконтурной системы регулирования

Вариант № 89

                 Wp(p),  Wc (p),  Wo(p), Wи(р) – передаточные функции: регулятора, исполнительного механизма, объекта регулирования, измерителя (датчика) соответственно;

               φз, φ, φи – заданное, действительное, и измеренное значения регулируемой величины соответственно;

                λ – возмущающее воздействие.

Вид передаточных функций:

Wи(р) = Кн

Wc (p) = ___1___

                  Тс р

Wp(p) = Кр

Wo(p) = ______Ко______

               (Тор + 1) (Тр +1)

Коэффициенты передаточных функций

Ко = 0,7                                   Тд = 15

То = 60                                    Кс = 1,5

Т = 70                                     Тс = 10

Кр = 3                                      Ки = 1

Ти = 120                                  Т1 = 20

         Рис. 1.1 – Схема автоматической  системы регулирования.

1.1  Преобразование структурной схемы

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

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

Рис. 1.2 – Последовательное соединение звеньев АСР

                    Для этих звеньев можно записать  соотношение:

       μ(р) = Wp(p) Е(р)                                        μ1 = Wc (p) μ(р)

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

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

            Рис. 1.3 - Встречно-параллельное включение звеньев

                     Под прямой связью понимается  передаточная функция между искомыми  переменными по направлению прохождения сигнала без учета главной обратной связи. Для системы, изображенной на рис. 1.1 передаточная функция прямой связи λ и φ есть Wc (p), а между φз и φ есть Wp(p) Wc (p) Wo(p). Передаточная функция между φз и ξ равна единице, поскольку переменными в прямой связи нет динамических звеньев, а есть динамическая непосредственная связь φз и ξ, на этом основании можно записать:

                      W1зс = φ(р) / λ(р) = Wo(p) / (1+ Wpаз(р));

                      W2зс = φ(р) / φз (р) = Wp(p) Wc (p) Wo(p) / φз (р) (1+ Wpаз(р));

                      W3зс = ξ(р) / φз (р) = 1 / φз (р).

                      Где Wpаз(р) = Wp(p) Wc (p) Wo(p) Wи(р) – передаточная функция разомкнутой САУ. В нашем случае:

            Wpаз(р) = Wp(p) Wc (p) Wo(p) Wи(р) = Кр * ___1___ *______Ко______* Кн =

                                                                                     Тс р         (То + 1) (Тр +1)

                      = _______Кр*Ко*Кн______ = ___________Кр*Ко*Кн____________

                             Тс р  * (Тор + 1) (Тр +1)   Тс То Тр3 + (Тс То + Тс Т)р2 + Тс р

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

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

                     1+ Wpаз(р) = 0;

                     Пусть  Wpаз(р) = В(р) / А(р), тогда

                     В(р) + А(р) = 0,

                   В(р) = Кр *Ко*Кн

                      А(р) = Тс р  * (Тор + 1) (Тр +1)   

                     Сложим В(р) и А(р)

                     Кр *Ко*Кн + Тс р  * (Тор + 1) (Тр +1)  = 0

                     Кр *Ко*Кн +  Тс То Тр3 + (Тс То + Тс Т)р2 + Тс р = 0

                     42000 р3 + 1300 р2 + 10 р + 2,1 = 0

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

                    С0 р3 + С1 р2 + С2 р + С3 = 0, где

                    С0 = Тс То Т = 60*70*10 = 42000 с;

                     С1 = Тс То + Тс Т = 60*10 + 10*70 = 1300 с;

                     С2 = Тс = 10 с;

                     С3 = Кр *Ко*Кн = 3*0,7*1 = 2,1 с.

1.2 Алгебраический  критерий устойчивости Гурвица

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

                   Определитель Гурвица составляется  следующим образом: по диагонали записывают коэффициенты от С1 до Сn, над диагональю записываются коэффициенты с возрастающими индексами, под диагональю – с убывающими, недостающие коэффициенты заменяются нулями.

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

                    Составим определители:

                       ∆1  = С1

                       ∆3  = -157920 < 0

                       ∆2  = -407000 < 0

                       ∆1  = 1300 ˃ 0

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

3. Частотный критерий устойчивости Михайлова

                    Если в характеристическое уравнение С0 рn + С1 рn-1 + … +Сn-1 р + Сn = 0 подставить выражение р = jω, то получим годограф Михайлова:

                    G (jω) = С0 (jω – р1) (jω – р2) … (jω – рn) = С0 (jω)n + С1 (jω)n-1 + … + Сn

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

                     Если годограф Михайлова проходит  через начало координат, то САУ  находится на границе устойчивости. При этом если он начинается с нуля, то это

указывает на наличие нулевого корня, если годограф начинается на положительной вещественной полуоси, но затем проходит через начало координат, то это означает наличие мнимых корне в характеристическом уравнении.

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

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

         Расчет частотного критерия Михайлова:

         Запишем выражение годографа  Михайлова

G(jω) = 42000(jω)3 + 1300(jω)2 + 10(jω) + 2.1

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

G(jω) = x (ω) + jy(ω)  = 2.1 - 1300 ω2 + j(10ω - 42000ω3), поскольку j2 = -1, j3 = - j

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

10ω - 42000ω3 = 0, отсюда

ω1 = 0, ω3 = √10/ 42000 ≈ 0,015 с-1

           Подставив  значения  ω1 и ω3 в вещественную часть G(jω), находим

x (ω1) = x (0) = 0;

x (ω3) = x (0,015) = 2,1 – 1300(0,015)2 = 1,8075

            Вещественную часть принимаем равной нулю:

2.1 - 1300 ω2 = 0;

ω 2 = √2,1/1300 = 0,04 с-1

            Подставив значение  ω 2 в мнимую часть G(jω), получим

y(ω2)  = 10*0,04 – 42000(0,04)3 = - 2,288

             Поскольку ω 2 ˃ ω3 чередуемость корней не соблюдается, значит, система управления неустойчива.

Рис. 1.4 – Годограф Михайлова.

           Вывод: после расчета частотного  критерия устойчивости Михайлова справедливым можно считать утверждение о том, что исследуемая САУ является не устойчивой, т.к. годограф Михайлова не последовательно проходит 3 квадранта при изменении ω от 0 до + ∞.

2. Проектирование системы автоматического контроля и регулирования

процессом сквашивания молока

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

2.1 Описание технологического  процесса

        В данной курсовой работе рассматривается процесс сквашивания молока в производственных объемах.

        При сквашивании молока протекает процесс молочнокислого брожения. В ходе этого процесса, лактоза распадается на глюкозу и галактозу, из которых в результате ферментативных превращений образуется молочная кислота. Молочная кислота, взаимодействует с казеинаткальцийфосфатным комплексом молока, связывая кальций и освобождая казеин, который в кислой среде (следствие образования молочной кислоты) коагулирует, образуя сгусток.

          По достижении сгустком вязкости  около 1000 - 1200 Ст. процесс сквашивания останавливают.

          Сквашивание осуществляется в емкости с мешалкой для перемешивания продукта во время сквашивания, с целью достижения однородной консистенции. Этому также способствует поддержание в емкости температуры на заданном уровне   t = 22-24 0С (на примере кефира), для этого в рубашку емкости подается хладагент, так как поступающее на сквашивание молоко после пастеризации имеет температуру около 76+2 0С и его необходимо довести до заданного значения. В случае отклонения температуры от заданного режима брожение не протекает и получение готового продукта отвечающего ГОСТу и иным установленным стандартам становится невозможным.

2.2 Техническое  задание на проектирование

        Необходимо  выполнить проектные работы с  целью создания системы автоматического поддержания температуры сквашивания молока и контроля вязкости продукта в емкостях для сквашивания.

1. система должна обеспечить поддержание в емкости для сквашивания следующих параметров:

                                                    - температура, обеспечивающая оптимальные условия  

                                           протекания процесса t = 230С                                                                         

2. для решения задачи управления технологическим процессом желательно максимально-возможное использование существующих технологических линий: трубопроводов.
3. предусмотреть на щите индикацию температуры.

2.3 Описание схемы автоматизации

        Схема автоматизации управления технологическим процессом сквашивания молока включает в себя контур управления температурой в емкости для сквашивания данного сырья. Управление температурой в емкости осуществляется по закону П – регулирования, по средствам измерителя ПИД – регулятора, с обнуленными интегральной и дифференциальной составляющими соответственно.

                      Для измерения температуры в емкостях для сквашивания молока установлен термопреобразователь температуры (поз. 2-1), который преобразует измеряемую температуру в электрический сигнал. Этот сигнал фиксируется регулятором (поз. 2-2), установленным на щите управления, регулятор в свою очередь

При отклонении температуры от заданного режима формирует управляющее воздействие, посредством которого осуществляется управление электромагнитным приводом запорно-регулирующего клапана (поз. 2-3).

                    Для контроля вязкости сквашенного молока в емкости установлен ротационный показывающий, сигнализирующий вискозиметр (поз. 1-1).

2.4 Выбор и обоснование  средств контроля и регулирования

        1-1 Ротационный вискозиметр Haake Viscotester (VT7 Plus/L) - классические ротационные вискозиметры соответствующие стандарту Брукфильда измеряющие сопротивление жидкого вещества при перемешивании с заданной скоростью. Чем выше момент сопротивления перемешиванию - тем выше вязкость исследуемого вещества. 
Применяются для измерения вязкости ньютоновских и близких к ним жидкостей. 
Данные вискозиметры соответствуют стандарту ISO 2555, описывающему устройство и технические характеристики приборов для измерения вязкости. Соответствие данному стандарту означает 100% соответствие для измерения вязкости по методу Брукфильда.  
L: обычно используется для жидких веществ низкой вязкости (молоко и подобные жидкости (200-5000Ст)) - диапазон измерения 3 - 6 000 000 Ст. Имеют 4 ротора по 21 значению скорости. 
Вискозиметры Haake Viscotester VT 7 Plus также соответствуют следующим стандартам: 
BS: 6075, 5350 
ISO: 2555,1652 
ASTM: 115, 789,1076, 1084, 1286, 1417, 1439, 1638, 1824, 2196, 2336, 2364, 2393, 2556, 2669, 2849, 2983, 2994, 3232, 3236, 3716 
 
Общие возможности моделей VT: 
- цифровая индикация вякости,

- функция автоматической самодиагностики 
- звуковая и видимая индикация критических состояний при измерении вязкости 
- цифровая калибровка вращающего момента 
- высокоточный цифровой контроль скорости шагового двигателя

   Дополнительные возможности модели VT 7 Plus 
   двусторонние интерфейс RS-232 
   датчик температуры Pt100 для контроля температуры пробы 

Технические характеристики Viscotester VT7 Plus/ L:

 
  - проведение измерений при темперетуре окружающей среды от 10 до 80 °С и относительной влажностью до 80%; 
  - электропитание 110-240 В (50Гц) 
  - индикация: звуковая и видимая 
  - качество измерения с точностью < ± 0.5% от заданного значения 
  - точность измерения вращающего момента ±1% полной шкалы 
  - диапазон измерения вязкости ±1% полной шкалы

        2-1 Термопреобразователь сопротивления (ТС) типа ДТС (датчик температуры)

        Принцип действия термопреобразователя сопротивления основан на свойстве проводника изменять электрическое сопротивление при изменение температуры окружающей среды.

Тип преобразователя – ДТС

НСХ – 50 П

Диапазон измерений – 50…2500С

Допустимое отклонение + (0,150С+0,002 Т)

ДТС 024 – 50 П. А 3. 30/0,2

Термопреобразователь сопротивления платиновый 50 П

Модель 024

Класс допуска – А

Трехпроходная система соединений проводников

Длина монтажной части – 30мм

           Длина кабельного вывода – 0,2

        2-2 Измеритель – регулятор одноканальный ОВЕН ТРМ 1.

• Терморегулятор имеет универсальный вход, который служит для подключения различных датчиков уровня, давления, влажности, темпертуры, расхода и т.д.
• Варианты регулирования входной величины
• двухпозиционное регулирование
• аналаговое П-регулирование
• Цифровая фильтрация и коррекция входного сигнала, масштабирование шкалы аналогового входа.
• Терморегуляторы имеют источник питания импульсный 90...245В 47...63Гц
• Встроенный источник питания 24В для выходных аналоговых устройств (ЦАП), активных датчиков и т.п.
• Возможность осуществлять кнопками на лицевой панели программирование
• Настройки при отключении питания сохраняются
• Настройки терморегулятора защищены от несанкционированных изменений

Технические характеристики:

• Напряжение питания переменного тока 90...245 В
• Частота напряжения питания 47...63 Гц
• Потребляемая мощность не более 7 ВА
• Напряжение встроенного источника питания нормирующих преобразователей    24 ± 2,4 В
• Максимально допустимый ток источника питания 80 мА
• Количество универсальных входов – 1
• Количество выходных устройств – 1
• Допустимое отклонение + 0,5%

ТРМ 1А – Щ1. ТС. Р

Тип корпуса Щ1- щитовой, 96*96*70 мм IP54

Тип входа ТС – датчики ТСМ, ТСП

Тип входа Р – э/м реле 8 А 220 В

                      2-3 Отсечный (предохранительный) гидравлический клапан с электромагнитным приводом (КМ).

           Конструктивно  клапаны серии КМ являются прямопроходными, соленоидного типа, односедельными, нормально закрытыми.

В отличие от имеющихся отечественных клапанов, клапаны серии КМ по габаритно-пристыковочным размерам соответствуют международным  стандартам ISO.

Технические характеристики

             1. Диаметр условного прохода DN - 30 мм.

             2. Основной конструкционный материал:

                    ● корпуса и деталей - нержавеющая или углеродистая  сталь с        антикоррозийным покрытием, чугун СЧ-20 

                  ● уплотнителей -фторопласт Ф4, паронит.

             3. Параметры надёжности: средний ресурс - 80 000 циклов.

             4. Температура рабочей среды: до +150 0С - для DN - 30 мм.

             5. Рабочее давление: до 1,6 МПа (16 кг/см2) - для DN-30 мм.

             6. Допустимая величина относительной протечки в положении "закрыто"-не более 0,003 дм3/мин.

             7. Время открытия или закрытия -  не более 1 сек.

             8. Питание—однофазная сеть переменного тока U = 220 В, 50 Гц.

             9. Потребляемая мощность -  не более 8 Вт.

             10. Установочное положение на трубопроводе - любое, кроме положения приводом вниз.

             11. Пусковой ток -  не более 5,3 А.

             12. Степень защиты - IP 54.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

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

                     В данной курсовой работе бала разработана схема автоматизации управления технологическим процессом сквашивания молока, которая включает в себя контур управления температурой в емкости для сквашивания данного сырья и контроля вязкости готового продукта.

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

    Современное развитие промышленного производства молочных продуктов сопровождается все более широким применением автоматизированных систем управления технологическими процессами. Предпосылками этого являются: концентрация производства, рост мощности предприятий, применение поточных и непрерывных способов производства, оснащение предприятий новым высокопроизводительным оборудованием, наличие современных технических средств автоматизации. Широкое применение автоматизированных систем управления обуславливается значительным экономическим эффектом, который достигается благодаря: обеспечению заданных качеств вырабатываемых продуктов независимо от субъективных фактов, уменьшение потерь ценных продуктов, снижение трудоемкости процессов производства, повышению культуры производства.

        Таким образом, автоматизация кисломолочных напитков направлена на повышение эффективности производства и обеспечение высокого качества выпускаемой продукции. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Задание и методическое пособие на курсовую работу по курсу «Автоматика и автоматизация производственных процессов», под редакцией В.И. Пугачева, Краснодар, издательство КПП, 1989г.
2. Учебное пособие студентов ВУЗов «Автоматика и автоматизация пищевых производств», М.М. Благовещенская, Москва, ВО «АГРОПРОМИЗДАТ», 1991г.
3. «Технология молока и молочных продуктов», В.Г. Твердохлеб,           Г.Ю. Сажинов,  Р.И. РАМАНАУСКАС, Москва, 2006г.
4. «Справочник по оборудованию предприятий молочной промышленности», Н.И. Тамбаев, Москва, 1972г.