Автоматизация систем управления линией по производству ряженки

Введение



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

В развитии систем автоматизации молочной промышленности можно выделить три этапа.

Первый охватывает период ранее и 1970-е годы включительно. Он характеризуется созданием локальных систем автоматизации, как отдельного технологического оборудования, так и технологических участков молочного завода. Разработанные системы базировались на применение аналоговых средств контроля и управления и логико-программных устройств релейно-контактного типа или на основе бесконтактных элементов (устройства «жесткой » логики).

Второй этап охватывает 1980-е годы и характеризуется использованием программируемых средств обработки информации (микропроцессорные контроллеры – МПК или управляющие вычислительные комплексы – УВК), более высоким уровнем автоматизации и повышенной надежностью технических средств контроля и управления.

Развитие третьего этапа характеризуется использованием микропроцессорных систем управления, обеспечивающих автоматизацию как технологических процессов (АСУТП), так и оперативного управления производством и предприятием (АСУП) в целом с помощью однородных технических средств, и началось в конце 1980-х – начале 1990-х годов. АСУТП этого этапа имеет многоуровневую иерархическую структуру и обеспечивает уровень автоматизации производства до 90 – 95 %.

На нижнем уровне используются микропроцессорные контроллеры, имеющие через локальную сеть связь друг с другом и обеспечивающие через интерфейсный канал сети передачу информации на вышестоящий уровень – технологический участок.

На втором уровне находятся автоматизированные системы управления предприятием – АСУП.

На третьем уровне систем управления находятся интегрированные системы управления производством (ИСУП), которые используют компьютерные технологии управления, охватывая системы I и II уровней, что обеспечивает решение задач автоматизированного управления технологическими процессами, оперативного управления производством, коммерческой деятельностью и развитием предприятия.

Генеральный алгоритм управления, определяющий работу молочного завода, характеризуется тремя основными циклами: ритмичным и бесперебойным получением сырья от поставщиков, обработкой сырья и изготовлением готовой продукции, своевременной и полной реализацией продукции в торговую сеть в соответствии с заказами.

В начале 1970-х и до 1980-х годов в создание АСУ молочных заводов были вложены достаточные капиталовложения. Именно на этот период приходится максимальное внедрение автоматизированных систем управления предприятиями.

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

Контроль параметров сырья, полуфабрикатов и готовой молочной продукции в перспективе следует перевести полностью на инструментальные методы с помощью вновь созданных как однокомпонентных, так и многокомпонентных автоматических анализаторов.

Актуальным является выявление путей развития инструментальных методов органолептической оценки молока и молочных продуктов.

Внедрение КТУ дает возможность повысить технико-экономические показатели производства, увеличить выпуск высококачественных продуктов, эффективнее использовать трудовые и материальные ресурсы, а также улучшить качество, достоверность и своевременность обработки технологической и оперативной информации для оптимального управления предприятием. Уровень автоматизации производства при использовании КТУ достигает 90 – 95%.

Цель проекта – автоматизация технологического процесса производства ряженки с применением современных приборов и средств контроля.

Задачами курсового проекта является: выбор объектов управления; определение параметров для контроля, управления, сигнализации; разработка функциональной схемы автоматизации и другой документации.


1. Описание производственного процесса



Ряженка (украинская простокваша) – национальный кисломолочный продукт, приготовленный из топленой смеси молока и нормализующего компонента, заквашенный термофильными молочнокислыми стрептококками. Для придания специфического вкуса перегретого (топленого) молока его нагревают до t = 94 – 96 0С и выдерживают 3 – 4 часа. В результате молоко приобретает специфический вкус и кремовый (буроватый) цвет, что является следствием образования меланоидиновых продуктов взаимодействия молочного сахара с белками, имеющих бурый цвет и сообщающих цвет стерилизованному и топленому молоку. Топленое молоко охлаждают до t = 45 0С и заквашивают.

Для получения ряженки используют молоко коровье заготовляемое по ГОСТ Р 52054 – 2003 (не ниже II сорта, кислотность не более 19 0Т, плотность не менее 1027 кг/м3) и обезжиренное (кислотность не более 20 0Т, плотность не менее 1030 кг/м3), сливки из коровьего молока (массовая доля жира не более 30%, кислотностью не более 17 0Т), сгущенное молоко, молоко коровье сухое обезжиренное (распылительной сушки) по ГОСТ 10970 – 74, казеинат натрия, пахту и другое молочное сырье. Также используют воду питьевую по ГОСТ 2874 – 82 и закваски.

В состав заквасок для производства ряженки входят чистые культуры термофильных молочнокислых стрептококков с использованием или без использования болгарской палочки. Масса закваски составляет 5 % от массы нормализованной смеси.

В настоящее время кисломолочные напитки вырабатываются преимущественно резервуарным способом производства.

Молоко натуральное коровье и другие продукты принимают по массе и качеству. Отобранное по качеству молоко нормализуют по массовой доле жира. 

Нормализацию молока проводят в резервуаре для нормализации смешением компонентов нормализации в резервуаре: молока, сливок или обезжиренного молока. Массу компонентов нормализации устанавливают расчетным путем по формулам.

Нормализованную смесь с помощью центробежного насоса через уравнительный бачок направляют на пастеризационно-охладительную установку в первую секцию регенерации, где она нагревается до t = (65 ± 5) 0С. Далее нормализованная смесь идет на очистку на сепаратор-молокоочиститель. Затем смесь поступает в гомогенизатор, где осуществляется гомогенизация при t = (65 ± 5) 0С и Р = (12,5 ± 2,5) МПа. Очищенную и гомогенизированную смесь пастеризуют при t = 94 – 96 0С в ванне длительной пастеризации и выдерживают 3 – 4 ч до выраженного светло-кремового цвета. Смесь перемешивают 1 – 2 раза в час для предотвращения образования пенок. После выдержки смесь охлаждают до температуры заквашивания t = (40 ± 2) 0С.

Процесс заквашивания и сквашивания смеси также осуществляют в ванне длительной пастеризации, имеющей рубашку с трубчатым барботером для подачи пара, змеевик для подачи ледяной воды, мешалку. Смесь заквашивают закваской. Заквашенную смесь перемешивают в течение 10 – 15 мин и оставляют в покое для сквашивания. Смесь сквашивают 4 – 5 ч до образования молочно-белкового сгустка кислотностью 65 – 70 0Т. По окончании сквашивания в змеевик резервуара подают ледяную воду в течение (45 ± 15) мин, затем сгусток перемешивают в течение (15 ± 5) мин. Перемешанный сгусток охлаждается до температуры t = (4 ± 2) 0С и подается на розлив. Кислотность готового продукта 70 – 100 0Т.

Затем производят упаковку и маркировку продукта.

Упакованный продукт помещают в холодильную камеру, где он хранится при температуре t = (4 ± 2) 0С.




2 Выбор и обоснование параметров контроля, регулирования и сигнализации



1) В резервуаре для нормализации необходимо:

контролировать и сигнализировать:

уровень нормализованной смеси;

работу мешалки;

контролировать:

массовую долю жира нормализованной смеси;

кислотность нормализованной смеси; 

регулировать:

соотношение количества цельного молока и нормализующего компонента.

2) В балансировочном баке необходимо:

контролировать, регулировать и сигнализировать:

уровень нормализованной смеси.

3) В пастеризационно-охладительной установке необходимо:

контролировать:

температуру на выходе из секции регенерации.

4) В сепараторе-молокоочистителе необходимо:

контролировать:

давление.

5)В гомогенизаторе необходимо:

контролировать и сигнализировать:

давление.

6) В резервуаре для сквашивания необходимо:

контролировать:

массовую долю жира сгустка;

кислотность сгустка;



работу мешалки;

контролировать и регулировать:

температуру пастеризации;

температуру сквашивания;

температуру охлаждения;

контролировать, регулировать и сигнализировать:

уровень.

7) В целом по цеху необходимо:

контролировать:

расход закваски;

расход нормализованной гомогенизированной смеси;

работу насосов.



Табл. 1. Контролируемые и регулируемые параметры

Параметры, подлежащие контролю, регулированию и сигнализации

Пределы отклонения параметра

Оптимальные значения параметра

Допустимая погрешность контроля

Примечание



Возможных с учетом аварийных ситуаций

Допустимых по технологии



Абсолютная

Относи-

тельная,

%



1

2

3

4

5

6

7

1. Уровень в резервуаре для нормализации, %





0 - 101





75 - 85





80





5





6,25





КС

2. Кислотность молока в резервуаре для нормализации, рН







5 – 8







6,5 – 6,7







6,6







0,1







1,51







К

3. Массовая доля жира в резервуаре для нормализации, %







3,4 – 4,5







4,26







4,26







0







0







К

4. Соотношение расходов в резервуаре для нормализации, м3/м3

(0 - 5)/

(0 – 0,85)

(4 – 4,5)/

(0,73 – 0,77)

4,25/

0,75

0,25/

0,02

5,88/

2,67







КР

5. Температура в резервуаре для нормализации, °С





2 - 10





2 - 6





4





2





1





К

6. Уровень нормализованной смеси в уравнительном баке, %







0 - 101







5 - 95







50







45







90







КРС

7. Температура нормализованной смеси после второй секции регенерации, °С

30 - 90

60 - 70

65

5

8

К

8. Давление нормализованной смеси в сепараторе, МПа

0 – 0,5

0,18 – 0,22

0,2

0,02

10

К

9. Давление нормализованной смеси в гомогенизаторе, МПа

0 - 20

10 - 15

12,5

2,5

20

КС

10. Уровень нормализованной смеси в резервуаре для сквашивания, %

0 - 101

75 - 85

80

5

6,25

КРС

11. Температура пастеризации нормализованной смеси, °С

60 - 100

94 - 96

95

1

1

КР

12. Температура заквашивания нормализованной смеси, °С

30 - 60

38 - 42

40

2

5

КР

13. Температура охлаждения готового продукта, °С





2 - 10





2 - 6





4





1





25





КР

14. Кислотность сгустка в резервуаре для сквашивания, рН

4 - 6

4,4 – 4,6

4,5

0,1

2,2

К

15. Массовая доля жира сгустка в резервуаре для сквашивания, %

3,9 – 4,2

4,0

4,0

0

0

К




3. Выбор технических средств автоматизации



Для автоматизации технологического процесса производства ряженки можно использовать различные приборы, представленные в «Спецификации приборов и средств автоматизации». При выборе технических средств автоматизации, включающих отборные устройства, средства получения первичной информации, средства преобразования и переработки информации, средства представления и выдачи информации обслуживающему персоналу, руководствовались необходимой с технологической точки зрения точностью параметров, свойствами измеряемой среды (агрессивность, токсичность, вязкость, давление, температура, концентрация и др.), оптимальными режимами работы машин и аппаратов, экономическими соображениями. В качестве датчиков, вторичных приборов, преобразователей, регулирующих и исполнительных устройств выбирали, как правило, стандартные приборы и средства автоматизации Государственной системы промышленных приборов (ГСП). 

Выбранные датчики обладают высокой точностью показаний. В качестве выходного сигнала в них, как правило, используется стандартный токовый сигнал 4 – 20 мА, что позволяет легко связывать эти датчики со вторичными приборами для управления, регистрации, сигнализации, а также с ЭВМ.




4. Описание функциональной схемы автоматизации



В результате исследования технологического процесса производства ряженки, была разработана схема автоматизации процесса, в которой предусмотрено управление ходом процесса при помощи системы автоматизации. 



Температура



Температура в резервуаре для нормализации, на выходе из секции регенерации и перед гомогенизатором контролируется с помощью термопреобразователя сопротивления с унифицированным выходным сигналом ТСП-6097 (1а, 2а, 3а), сигнал из которого подается на вторичный показывающий и регистрирующий прибор со встроенным преобразователем КСМ-ЗП4-1800D (1б, 2б, 3б) и далее на управляющую ЭВМ.

Контроль, и регулирование температуры смеси в резервуаре для сквашивания при пастеризации осуществляется термометром сопротивления платиновым ТСП-6097 (4а). Данный термометр преобразует значение температуры в изменение активного сопротивления. Сигнал с термометра поступает на вторичный прибор – электронный мост со встроенным пневматическим регулирующим устройством и преобразователем КСМ-ЗП4-1800D (4б), в котором сравниваются два значения. В зависимости от рассогласования вырабатывается управляющее воздействие, которое через переключатели SA6, SA7 поступает на мембранно-пружинные исполнительные механизмы МИМ подачи пара и горячей воды (4г, 5г). Сигнал, поступающий на модуль процессора, обрабатывается. Параллельно осуществляется вывод на дисплей и печать. ЭВМ вырабатывает управляющее воздействие, которое преобразуется в ЦАП в аналоговый сигнал, поступающий через электропневматический преобразователь ЭПП-63 (4в, 5в), преобразующий унифицированный электрический сигнал 0…5 мА в стандартный пневматический сигнал. 

Контроль, и регулирование температуры смеси в резервуаре для сквашивания при заквашивании осуществляется термометром сопротивления платиновым ТСП-6097 (5а). Данный термометр преобразует значение температуры в изменение активного сопротивления. Сигнал с термометра поступает на вторичный прибор – электронный мост со встроенным пневматическим регулирующим устройством и преобразователем КСМ-ЗП4-1800D (5б), в котором сравниваются два значения. В зависимости от рассогласования вырабатывается управляющее воздействие, которое через переключатель SA7, SA8 поступает на мембранно-пружинные исполнительные механизмы МИМ подачи горячей и ледяной воды (5г, 6г). Сигнал, поступающий на модуль процессора, обрабатывается. Параллельно осуществляется вывод на дисплей и печать. ЭВМ вырабатывает управляющее воздействие, которое преобразуется в ЦАП в аналоговый сигнал, поступающий через электропневматический преобразователь ЭПП-63 (5в, 6в), преобразующий унифицированный электрический сигнал 0…5 мА в стандартный пневматический сигнал. 

Контроль, и регулирование температуры смеси в резервуаре для сквашивания при охлаждении осуществляется термометром сопротивления платиновым ТСП-6097 (6а). Данный термометр преобразует значение температуры в изменение активного сопротивления. Сигнал с термометра поступает на вторичный прибор – электронный мост со встроенным пневматическим регулирующим устройством и преобразователем КСМ-ЗП4-1800D (6б), в котором сравниваются два значения. В зависимости от рассогласования вырабатывается управляющее воздействие, которое через переключатель SA8 поступает на мембранно-пружинный исполнительный механизм МИМ подачи ледяной воды (6г). Сигнал, поступающий на модуль процессора, обрабатывается. 

Параллельно осуществляется вывод на дисплей и печать. ЭВМ вырабатывает управляющее воздействие, которое преобразуется в ЦАП в аналоговый сигнал, поступающий через электропневматический преобразовательЭПП-63 (6в), преобразующий унифицированный электрический сигнал 0…5 мА в стандартный пневматический сигнал. 



Давление



Давление в сепараторе контролируется с помощью манометра ОМБ-100 (7а), в котором измеряемое давление уравновешивается силами упругой деформации трубчатой пружины.

Контроль и регистрация давления в гомогенизаторе осуществляется следующим образом. Давление в гомогенизаторе контролируется с помощью манометра ОМБ-100 (8а), в котором измеряемое давление уравновешивается силами упругой деформации трубчатой пружины. Контроль и регистрация давления в гомогенизаторе осуществляется преобразователем давления 13ДН13 (8б) с пневматическим выходным сигналом 0,2…1,0 кгс/см2. Затем сигнал поступает на вторичный пневматический прибор, показания и запись величины одного параметра происходит на дисковой программе ПВ10.1П (8в). Через пневмоэлектрический преобразователь ЭПП-63 (8г), предназначенный для изменения унифицированного выходного сигнала 0,2…1,0 кгс/см2 в универсальный электрический сигнал постоянного тока 0,5 мА, значение сигнала поступает на модуль аналогового входа, управляющего ЭВМ. В АЦП сигнал преобразуется в цифровой. Если давление понижается или увеличивается, то производится сигнализация лампами (HL3, HL4). Параллельно идет вывод на дисплей и на печать.




Расход



Соотношение расходов контролируется, регулируется и регистрируется следующим образом. На трубопроводе расположены датчики индукционного расходомера – камерные диафрагмы ДКС-0,6-200 (9а, 10а). Поток жидкости проходит между полосами магнита, вызывает индукцию ЭДС, прямо пропорциональную средней скорости движения жидкости. Преобразователь перепада давления 13 ДД 11 (9б, 10б) преобразует возникающее напряжение в показания вторичного прибора ПВ-10.27 (9в, 10в), и одновременно записывает значение расходов с помощью пневмоэлектрического преобразователя ЭПП-63 (9д, 10д). В то же время сигнал с преобразователя поступает и на регулятор соотношения ПР-3.33 (9г), который непрерывно оказывает регулирующее воздействие через переключатель SA2 на мембранно-пружинный исполнительный механизм (9е) с регулирующим клапаном, изменение пропускной способности которого достигается поступательным перемещением центра диафрагмы относительно седла, представляющего собой перегородку в корпусе.

Схемой автоматизации предусматривается также контроль расходов нормализованной гомогенизированной смеси, закваски. Контроль расходов в трубопроводах осуществляется следующим образом. На трубопроводе расположены датчики расходомера Метран-360 (11а, 12а). Аналоговый электрический сигнал с которого подаётся на cчетчик-индикатор расхода Овен РМ1 (11б, 12б), затем индикатор технологический микропроцессорный Микрол ИТМ 11 (11в, 12в), далее на АЦП, который преобразует электрический сигнал в цифровой код. БЦР позволяет вывести эту информацию на дисплей или на печать.




Уровень



Уровень молока в резервуаре для нормализованной смеси контролируется и сигнализируется следующим образом.

В емкость погружается электрод, покрытый изоляционным материалом, который со стенками сосуда образует цилиндрический конденсатор, емкость которого меняется при колебании уровня. Сигнал с датчика ДЕ-4А (13а, 13б) поступает на сигнализатор уровня ЭРСУ-2 (13в). При заполнении и опорожнении емкости зажигается сигнальная лампочка HL1.

Контроль, регулирование, сигнализация и регистрация уровня молока в уравнительном баке осуществляется следующим образом.

Измерение уровня осуществляется с помощью датчика стержневого ДЕ-4А (14а, 14б) откуда неунифицированный сигнал поступает на электронный индикатор уровня ЭРСУ-3 (14в), затем унифицированный электрический сигнал 0…5 мА поступает на вторичный показывающий и регистрирующий прибор Диск-250 (14г) со встроенным регулятором, который в зависимости от значения уровня вырабатывает управляющий сигнал. Он через универсальный переключатель электрических цепей SA3, SA4 поступает на магнитные пускатели КМ2, КМ3, управляющие работой насосов. При достижении верхнего уровня блокируется работа подающего насоса и разрешается работа отбирающего, а при достижении нижнего уровня разрешается работа подающего и блокируется работа отбирающего насоса.

Сигнал поступает на аналоговый ввод, а далее на блок цифрового регулирования, где обрабатывается им. После этого блок цифрового регулирования выдает управляющее воздействие, этот сигнал через дискретный вывод поступает на нормирующий преобразователь РП-12 (14д), откуда электрический сигнал через переключатели электрических цепей SA3, SA4 поступают на магнитные пускатели КМ2, КМ3 управляющие работой двигателей М2, М3 насосов. 

Контроль, регулирование, сигнализация и регистрация уровня молока в резервуаре для сквашивания осуществляется следующим образом.

Измерение уровня осуществляется с помощью датчика стержневого ДЕ-4А (15а) откуда неунифицированный сигнал поступает на электронный индикатор уровня ЭРСУ-3 (15б) затем унифицированный электрический сигнал 0…5 мА поступает на вторичный показывающий и регистрирующий прибор Диск-250 (15в) со встроенным ПИ-регулятором. Диск-250 в зависимости от значения уровня вырабатывает управляющий сигнал, который через универсальный переключатель электрических цепей SA5 поступает на магнитный пускатель КМ4, управляющий работой двигателя мешалки М4. Сигнал поступает на аналоговый ввод, а далее на блок цифрового регулирования, где обрабатывается им. После этого блок цифрового регулирования выдает управляющее воздействие. Этот сигнал через дискретный вывод поступает на нормирующий преобразователь РП-12 (15г) откуда электрический сигнал через переключатель электрических цепей SA5 поступает на магнитный пускатель КМ4, управляющий работой двигателя мешалки М4.



Кислотность



Кислотность в резервуарах для нормализации и сквашивания контролируется следующим образом. Прибор измерения кислотности рН-202.1 (16а, 18а), чувствительный элемент которого снабжен электродами (стеклянным и хлорсеребряным) погружается в жидкость. Постоянное напряжение с него подается на вибропреобразователь П-201(16б, 18б), в котором усиленное переменное напряжение преобразуется в напряжение постоянного тока. Унифицированный электрический сигнал 0…5 мА с преобразователя подается на автоматический потенциометр КСП-2 (16в, 18в), который показывает и регистрирует значение кислотности.



Массовая доля жира



Контроль массовой доли жира молока в емкости с нормализованной смесью и в резервуаре для сквашивания осуществляется с помощью анализатора жирности Cereg TEC-D (17а, 19а). Сигнал с него подается на вибропреобразователь П-201(17б, 19б), в котором преобразуется в напряжение постоянного тока. Затем сигнал поступает на вход вторичного прибора ДИСК-250 (17в, 19в), где показывается и регистрируется значение массовой доли жира.



Работа электродвигателя



Запуск и остановка электродвигателя мешалок в резервуаре для сквашивания, центробежных насосов, сепаратора-молокоочистителя осуществляется с помощью пусковой аппаратуры, а именно, магнитным пускателем, который может включаться и выключаться кнопками управления и универсальными переключателями.


Заключение



Разработанная автоматизированная система управления технологическим процессом может функционировать в локальном режиме, с помощью регуляторов, установленных на щитах управления, и в режиме цифрового управления с использованием ЭВМ. Управление процессом осуществляется автоматически, с возможностью полного контроля технологом-оператором всех основных технологических параметров, значения которых отображаются на индикаторах вторичных приборов, на щите или на экране ЭВМ.


Список использованной литературы



1. Баранов, В.Я. Промышленные приборы и средства автоматизации [Текст] / В.Я. Баранов, Т.Х. Безновская, В.А. Бек. – Л.: Машиностроение, 1987. – 847 с.

2. Битюков, В.К. Руководство к выполнению курсового проектирования по автоматизации [Текст] / В.К. Битюков, А.Н. Гаврилов, А.Е. Емельянов, Ю.В. Пятаков. – Воронеж: ВГТА, 2006. – 104 с.

3. Брусиловский, Л.П. Автоматизация технологических процессов в молочной промышленности [Текст] / Л.П. Брусиловский, А.Я. Вайнберг. – М.: Пищевая промышленность, 1978. – 344 с.

4. Кошарский, В.Д. Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы [Текст] / В.Д. Кошарский. – Л.: Машиностроение, 1976. – 488 с.

5. Крусь, Г.Н. Технология молока и молочных продуктов [Текст] / Г.Н. Крусь, А.Г. Храмцов, З.В. Волокитина, С.В. Карпычев. – М.: КолосС, 2004. – 455 с.

6. Черенков, В.В Промышленные приборы и средства автоматизации [Текст] / В.В Черенков. – Л.: Машиностроение, 1987. – 697 с.