Автоматизация процесса производства охмеленного пивного сусла

 

Введение

 

Качество и состав охмеленного пивного сусла – определяющие факторы процесса брожения, важные аспекты формирования крепости получаемого напитка, его цвета, вкуса, пищевой ценности, а также таких технологических характеристик как фильтруемость, коллоидная и биологическая стойкость пива. Девиация режимных параметров от нормативных значений на данном этапе  влечет за собой увеличение длительности последующих стадий, вызывает перерасход материалов и энергии, потому и возникает необходимость организации тотального контроля и создания систем предотвращения сбоев, а также внедрения адекватных техпроцессу средств немедленного и отсроченного реагирования.

Низкая производительность ручного труда и невозможность комплексного отслеживания человеком значений технологических параметров, при получении охмеленного сусла, без использования дополнительных средств, а также сложность осуществления оперативного управления процессом, устранимы путем внедрения систем автоматизации. Применение средств автоматизированного контроля и управления – от датчиков и преобразователей до микропроцессорных контроллеров и ЭВМ – позволит создать мощную систему обеспечения качества промежуточной и готовой продукции, обеспечить соблюдение требований безопасности.

Общая задача автоматизации производства охмеленного сусла, решаемая в рамках данной работы, – создание гибкой системы контроля и управления технологическими параметрами для получения наилучшего выхода полупродукта с оптимальным для дальнейших стадий набором свойств, рациональное распределение материальных и энергетических потоков.

В курсовой работе рассматриваемый этап производства пива характеризуется как объект автоматизации, на основании анализа техпроцесса оцениваются базисные параметры, подлежащие контролю и регулированию. Проводится выбор конкретных средств автоматизации, составляется ее функциональная схема.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Характеристика объекта автоматизации

 

Технологический процесс получения охмеленного пивного сусла включает в себя кипячение отфильтрованного сусла с хмелем.

Отфильтрованное сусло нагревается до 1000С и кипятится с гранулированным хмелем типа «Perle» или «Halletauer» (горечь от 5,5 до 6,5%) при   100 – 1010С в сусловарочном котле, куда подается центробежным насосом. Во время кипячения протекает экстракция суслом хмелевых веществ, коагуляция белково-дубильных комплексов, образованных при взаимодействии азотистых соединений сусла с полифенолами хмеля, ароматизация эфирными маслами, осуществляется изомеризация горьких кислот из лупулиновых зерен, меланоидинообразование, стерилизация сусла, испарение (концентрирование), инактивация ферментов. Сусло нагревается и затем кипятится посредством встроенного парового кожухотрубчатого перколятора, а нижние его слои возвращаются как более холодные по стенкам через верхнюю часть в аппарат. Возврат идет под давлением насоса, который также выводит готовое охмеленное сусло из сусловарочного котла.

Несоответствие параметров пара и времени пребывания в котле (70 – 90 мин) требуемым вызывает отклонение режима процесса от оптимального.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Анализ технологического процесса. Выбор контролируемых

и регулируемых параметров

 

С точки зрения применения систем автоматизации рассматриваемая технологическая стадия производства пива требует контроля и управления следующими параметрами, детерминирующими ход приготовления охмеленного сусла:

 

1. температурным режимом варки сусла с хмелем как фактором биологической стабилизации и условием получения полупродукта заданной концентрации с наилучшими органолептическими и физико-химическими свойствами;
2. расходом рецептурных компонентов для достижения желаемого качества сусла;
3. временем теплового и механического воздействия на сырьевые потоки, а также полупродукты, как фактора наиболее глубокого и полного проведения требуемых технологией физических операций и физико-химических превращений;

Между технологическими параметрами, определяющими нормальное протекание процесса, существует объективная взаимосвязь следующего характера:

1. время нагрева и кипячения в варочном котле влияют на характер температурного расслоения сусла и, как следствие, целесообразность его принудительной циркуляции;

Важными факторами начала нагрева светлого сусла и кипячением его с хмелем, в сусловарочном котле, являются температурный режим, загрузки в котел гранулированного хмеля и не охмеленного сусла, а также время осуществления этой стадии. Конструктивная особенность варочного котла, связанная с отсутствием традиционной мешалки и наличием встроенного перколятора, задает тип временного контроля циркуляции сусла, заключающегося в запрограммированном открытии выпускного клапана и своевременном переключении на контур освобождения сусловарочного аппарата по истечении времени кипячения,  коагуляции и выпаривания. Оптимизируется выход экстракта.

На основании анализа указанных требований и особенностей технологии приготовления сусла, а также условий эксплуатации оборудования и для решения вопросов техники безопасности составляется технологическая карта параметров. Она приведена в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Технологическая карта параметров техпроцесса

Аппарат (трубопровод)	Измеряемый параметр			Функции системы автоматизации
	Наименова-ние и размерность	Номи-нальное значение	Предельные значения
1	2	3	4	5
Котел сусловарочн-ый	Количество (расход) поступающего сусла, м3 (м3/ч)	13,1 (40)	12,8;13,3 (39; 41)	Показание, степень открытия клапана
	Время пребывания, мин	80	Макс – 90, мин. – 70	Показание, открытие и закрытие клапана циркуляционного контура аппарата
	Температура сусла, 0С	77 100,5	76; 78 100; 101	Показание, регулирование подачей пара в перколятор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Выбор технических средств  автоматизации

На основании проведенного анализа технологического процесса производства пивного сусла, как объекта автоматизации, проводится выбор технических средств, позволяющих оптимизировать операции контроля и управления. Функциональная схема автоматизации приведена в графической части; таблица 3.1 представляет собой спецификацию на средства автоматизации, входящие в основные контуры.

Таблица 3.1 – Спецификация на средства автоматизации

Поз.	Измеряе-мый параметр и его номи-нальное значение	Наименование и техническая характеристика  устройства	Тип, марка	Кол.	Место установки
1	2	3	4	5	6
19-1	Расход, объем, 40 м3/ч, 13 м3	Расходомер электромагнитный. Погрешность: 1,5%. Пределы измерения: 3,2 – 320 м3/ч.	РЭН 1	1	На трубопроводе подачи сусла в Т2
19-2		Клапан малогабаритный регулирующий с электроприводом. Dy = 75 мм. Py = 1.6 МПа.	КМР.Э	1
20-1	Температура, 77; 1050С	Термопреобразователь сопротивления платиновый с унифицированным выходным сигналом. Погрешность: 0,5%. Диапазон измерений: 0 – 200 0С. Выходной сигнал: 4 – 20 мА.	ТСПУ-МЕТРАН-276	1	Сусловарочный котел Т2
20-2		Клапан малогабаритный регулирующий с электроприводом. Dy = 100 мм. Py = 1.6 МПа.	КМР.Э	1	На паропроводе перед Т2
21-1	Время, 80 мин.	Трехходовой клапан с электроприводом (для переключений). Dy = 60 мм. Py = 1.6 МПа.	КТП.Э	1	Циркуляционный контур Т2
21-2		Клапан малогабаритный регулирующий с электроприводом. Dy = 60 мм. Py = 1.6 МПа.	КМР.Э	1	Перед насосом Н2

 

Для выполнения функций управления технологическим процессом выбирается программируемый логический микропроцессорный контроллер (ПЛК) Simatic S7-300 (нижний уровень системы). Он состоит из модуля центрального процессора CPU318 (память 256Кб) и нескольких интерфейсных модулей расширения ввода-вывода сигналов. ПЛК имеет интерфейс RS-485 и PPI для связи с ПЭВМ РС/АТ, текстовым дисплеем TD 200.

 Визуализация  управления техпроцессом и контроль, а также регистрация определяющих  параметров осуществляются посредством  применения ПЭВМ с процессором  Intel Celeron 2,0GHz, ОЗУ 512MВ, ПЗУ 40GB, монитор жидкокристаллический Siemens 17” с разрешением от 640х480 до 1600х1200 точек.

ПЭВМ оператора (средний уровень системы) снабжается операционной системой Windows XP и инструментальной системой «Good Help».

На верхнем уровне системы размещается управляющий компьютер с функциями АСУ ТП. В качестве варианта программного обеспечения верхнего уровня можно предложить как базу программный пакет «Factory Suite A2»  фирмы «Wonderware».  Сам сервер можно укомплектовать как ЭВМ с процессором Intel Celeron 2,0GHz, ОЗУ 1GВ, ПЗУ 80GB, монитор жидкокристаллический Siemens 17” с разрешением от 640х480 до 1600х1200 точек; внешний модем Conexant SC56D External PnP,V.92,V90,Voice,Speaker (максимальная скорость – 56К). Программное обеспечение имеет возможность интеграции режима мониторинга всего технологического процесса (в том числе и производства охмеленного сусла) в локальную сеть предприятия.

Выбранные измерители дифференцированы в зависимости от особенностей материально-сырьевых потоков, представленных в схеме техпроцесса.

Контур регулирования температуры пара на приготовление сусла (поз.20-1 – 20-2)

а) Термопреобразователь сопротивления платиновый ТСПУ – МЕТРАН – 276 имеет принцип действия, основанный на изменении электрического сопротивления в зависимости от температуры. Чувствительный элемент термопреобразователя представляет собой платиновую спираль, размещенную в каналах керамического каркаса и укрепленную там изоляционным порошком. Прибор имеет унифицированный выходной токовый сигнал 4 – 20 мА.

Принцип действия токового преобразователя, сблокированного с первичным измерительным преобразователем, основан на статической автокомпенсации. Сигнал от измерительного первичного преобразователя поступает на измерительный мост и далее на входной усилитель, выполненный по схеме модулятор-демодулятор. Демодулированный сигнал усиливается выходным усилителем постоянного тока, выходной ток которого поступает на нагрузку и в устройство обратной связи.

б) Клапаны малогабаритные регулирующие с электроприводом КМР.Э применяется как исполнительные механизмы и воспринимают электрический сигнал от управляющего устройства, в данной схеме – от модуля контроллера.

Контур регулирования расхода (количества) отфильтрованного сусла после  Ф (поз.19-1 – 19-2)

а) Расходомер электромагнитный РЭН 1 имеет принцип действия, основанный на зависимости ЭДС, индуцируемой в электропроводной жидкости, пересекающей магнитное поле, от скорости движения жидкости.

Первичный преобразователь (датчик) представляет собой изготовленный из немагнитного материала (сталь 12Х18Н10Т) участок трубы, расположенный между участками электромагнита, причем магнитное поле направлено перпендикулярно к потоку жидкости. Индуцируемая ЭДС снимается двумя электродами, введенными диаметрально в поперечном сечении трубопровода, усиливается и измеряется вторичным прибором.

Основными узлами передающего преобразователя являются усилительное устройство, синхронный детектор и активный фильтр нижних частот с усилителем постоянного тока. Выходной сигнал является унифицированным и принимается модулем микропроцессорного контроллера для интегрирования и дальнейшего реагирования.

б) Клапан малогабаритный регулирующий с электроприводом КМР.Э применяется как исполнительное устройство. Его устройство полностью соответствует описанному ранее. Сигнал поступает с модуля контроллера.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Описание схемы автоматизации

 

Основные решения по автоматизации процесса приготовления пивного сусла приняты на основании анализа специфики данного этапа пивоваренного производства. Принципы управления разработаны на базе современных управляющих систем распределенной архитектуры, с применением программируемых микропроцессорных контроллеров и компьютеров. Подобный подход призван оптимизировать и ускорить процессы реагирования на плановое и ненормативное изменение режимных параметров рассматриваемой стадии, организовать интерактивное взаимодействие оператора с ПЭВМ, что в условиях интуитивно понятного интерфейса управляющих программ позволит максимально упростить реализацию технологических решений. Система рациональна как с точки зрения безопасности, гуманизации труда, так и с позиции локализации пульта управления в одном помещении, что делает ее удобной  в обслуживании.

Контуры регулирования температуры сусла в сусловарочном котле Т2 и воды для пивоварения

Температура измеряется платиновым термопреобразователем сопротивления ТСПУ – МЕТРАН – 276,  выходной унифицированный сигнал 0 – 4 мА которого пропорционален текущей температуре и передается на модуль контроллера Simatic S7-300. Осуществляется ее сверка с требуемой по технологии, параллельно идет отображение на экране монитора в виде цифровых значений. После обработки данных о температуре через модуль с контроллера поступает пропорциональный управляющий электрический сигнал на исполнительный механизм – регулирующий клапан КМР.Э с электроприводом. В результате происходит либо прекращение подачи греющего пара в  перколятор, либо изменение расхода пара, также возможно перекрытие потока теплоносителя. Для сусловарочного котла предусмотрено уменьшение степени открытия клапана до минимума после окончания предварительного нагрева и начала кипения.