Процесс автоматизации скороморозильного спирального аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание

Разработать схему автоматизации скорморозильного спирального аппарата АСС для шоковой заморозки продукта в потоке холодного воздуха.

Описание объекта управления

Скороморозильный спиральный аппарат (АСС) непрерывного действия (рисунок 2.1) для «шоковой заморозки» в потоке холодильного воздуха

Предназначен для замораживания полуфабриката.

Техническая характеристика

Производительность, кг/ч	700
Температура воздуха в камере аппарата, 0С	от минус 30 до минус 35
Конечная температура внутри продукта,0 С	минус 18
Время замораживания, мин	30
Холодопроизводительность,кВт	90
Потребляемая мощность, кВт	100
Габаритные размеры,м - длина - ширина - высота	5,6 4,8 3,6

Рисунок 2.1 - Спиральный скорморозильный аппарат

Спиральный скороморозильный аппарат состоит из

- камеры из сэндвич-панелей ППУ с холодильными дверями. Пол камеры выполнен из алюминиевого покрытия с наклоном и с дренажной системой, выводящей воду наружу. Конструкция обеспечивает возможность легкой очистки и соблюдение необходимых санитарных норм.

- спирального конвейера. Конвейер состоит из барабана, опирающегося на пол камеры, и ленты, вращающейся вокруг него. Лента спирального конвейера, которая является одной из самых важных частей всей системы, может быть сделана из пластика или нержавеющей стали. Она легко может быть разобрана и, при необходимости, заменена. Для мойки ленты предусмотрены сопла с форсунками и вентилятор для сушки ленты после мойки. спиральный скороморозильный регулятор автоматизация

- испарителя с высоконапорными вентиляторами.

- панели управления спиральным конвейером.

Процесс замораживания осуществляется следующим образом: с технологического оборудования продукт попадает на конвейер спирального скороморозильного аппарата непосредственно или по дополнительному приёмному транспортёру . Движение ленты и постепенное её закручивание в спираль происходит плавно без рывков с постоянной скоростью, что обеспечивает неизменное расположение на ней продукта за время прохождения по всем ярусам с нижнего до верхнего. Образующийся вертикальный цилиндр спирального конвейера и постаментный испарительно-вентиляторный блок, обшиты листами из нержавеющей стали, таким образом, что создаётся направленность воздушного потока, в котором и происходит отбор тепла от продукта за счёт взаимодействия с холодным воздухом.

Анализ путей автоматизации

Многие пищевые продукты являются богатой средой для микроорганизмов. В целях замедления или полного подавления жизнедеятельности микроорганизмов такие продукты подвергают холодильной обработке. Холодильная обработка продуктов, происходящая при температуре до минус 35°С, называется замораживанием.

Замораживание продуктов, и в частности мяса, осуществляется в различного вида скорморозильных аппаратах.

По условию объектом регулирования является спиральный скорморозильный аппарат. Назначение аппарата состоит в том, чтобы обеспечить замораживание мяса до заданной температуры t_n = - 18 °С. По характеру изменения заданного значения регулируемой величины автоматическую систему регулирования можно отнести к системам автоматической стабилизации.

Рассмотрим работу объекта регулирования в статическом установившемся режиме.

Замораживание ведется потоком холодного воздуха. Расход воздуха на замораживание можно определить из теплового баланса аппарата:

где D - расход воздуха;

г - удельная теплота конденсации воздуха;

G_M - расход мяса на замораживание;

с_м - теплоемкость мяса;

t_n - температура замораживания;

t_H - начальная температура мяса.

Таким образом, в системе автоматического регулирования регулирующим параметром является температура воздуха - t_n, управляющим параметром является расход хладоносителя, возмущающими воздействиями может быть начальная температура мяса - t_H.

В статическом (установившемся) режиме приход тепла будет равен его расходу. Регулируемая величина будет определяться как:

где k = r/G_Mc_M - коэффициент пропорциональности объекта.

Данное уравнение является математической моделью статического режима аппарата. Это линейное уравнение и график статической характеристики является также линейным.

В рассматриваемом объекте в статическом режиме каждому значению сигнала на входе (расход хладоносителя) соответствует определенное значение сигнала на выходе (t_n ). To есть объект относится к статическим.

Статический режим, рассмотренный выше, не характерен для работы аппарата. Чаще всего приходится иметь дело с динамическим режимом работы, который возникает всякий раз при нарушении равновесия между приходом и расходом тепла в аппарат. Поэтому динамические характеристики объекта управления составляют главную задачу при анализе автоматической системы управления.

В заданной принципиальной схеме технологического процесса замораживание мяса продукт поступает по спиральному крнвейру во внутреннее пространство теплообменника. Образуется вертикальный цилиндр спирального, таким образом, что создаётся направленность воздушного потока, в котором и происходит отбор тепла от продукта за счёт взаимодействия с холодным воздухом.

Цель управления - обеспечить стабильную температуру замораживания, т.е. температуру мяса на выходе из аппарата. Поскольку теплота конденсации воздуха обычно постоянна и зависит только от давления воздуха, задача сводится к стабилизации тепловой нагрузки на аппарат. Одно из возможных (и обычно используемых решений) - стабилизация температуры мяса на выходе из аппарата путем воздействия на расход воздуха.

Состояние равновесия при работе аппарата описывается уравнением материального баланса

где- изменение температуры мяса в процессе замораживания.

При нарушении прихода тепла равновесие изменяется. Принимая за управляющий параметр - изменение расхода воздуха, за малый промежуток времениизменение количества теплоты в процессе составит

где- изменение температуры замораживания в следствие изменения расхода хладагента.

Соответствующее измерение температуры замораживания:

Перейдем к пределу при В результате получим

дифференциальное уравнение апарата в виде

Разделим все члены уравнения на G_M c_M и введем обозначения: - постоянная времени объекта, с;- коэффициент усиления объекта;регулируемая (выходная) величина;регулирующее воздействие (входная величина).

Дифференциальное уравнение примет вид

Данное уравнение является математической моделью динамического режима аппарата. Решение дифференциального уравнения представляет собой уравнение кривой разгона и имеет вид

Все объекты регулирования характеризуются емкостью, т.е. способностью накапливать энергию. Чем больше емкость, тем медленнее изменяется при данном возмущении регулируемая величина, т.е. больше инерционность объекта. Аппарат, как объект управления имеет емкостное запаздывание. К тому же в аппарате для распространения входного сигнала требуется определенное время, т.е. для него характерно также и транспортное запаздывание. Полное запаздывание пастеризатора по каналу регулирующего воздействия составит

Таким образом, динамический режим объекта регулирования с запаздыванием по каналу регулирующего воздействия опишется дифференциальным уравнением вида

Уравнение кривой разгона в данном случае будет:

Таким образом, представим контролируемые, регулируемые и управляемые параметры.

Таблица 3.1 - Контролируемые параметры

Контролируемые параметры	Обозначение	Номинальное значение	Пределы измерения	Требования к точности измерения
Температура воздуха	Тв	-35 0С	-20…-40 0С	±1 0С
Температура масла	Тм	35 0С	10…40 0С	±1 0С
Давление всасывания компрессора	Рвс	0,1 МПа	0,3…0,5 МПа	±0,001
Давление нагнетания компрессора	Рм	1,5 МПа	1…3,5 МПа	±0,001
Давление масла	Рк	0,8 МПа	0,5…1 МПа	±0,001

Регулируемые параметры:

- температура хладоносителя - Т₀;

- температура масла - Т_м;

Управляемые параметры:

- изменение холодопроизводителя компрессора.

Выбор закона регулирования и параметров настройки регулятора

Оптимальное качество регулирования определяется значением критерия, характеризующего эффективность регулирования при заданных ограничениях. В качестве критериев оптимальности регулирования могут рассматриваться: минимальное отклонение регулируемого параметра от заданного значения, минимальное время регулирования, наименьшая колебательность в процессе регулирования и т.д. Например, системы, в которых обеспечивается минимальная длительность процесса регулирования, являются оптимальными по быстродействию.

В реальных АСР одновременное выполнение всех этих требований бывает невозможным, поэтому при выборе регулятора и оптимальных параметров его настройки для большинства АСР используют типовые переходные процессы регулирования, в большинстве случаев удовлетворяющие требованиям к качеству регулирования.

К типовым процессам регулирования относятся: апериодический процесс, процесс с 20% перерегулированием и процесс с минимальной квадратичной площадью отклонения.

Апериодический _# процесс характеризуется отсутствием

перерегулирования минимальными регулирующим воздействием и временем регулирования Т_р 0.

Процесс с 20% перерегулированием по сравнению с апериодическим характеризуется снижением максимального динамического отклоненияи увеличением времени регулирования Т_р.

Процесс с минимальной квадратичной площадью отклонения по сравнению с двумя предыдущими имеет наибольшую величину динамической ошибки х_Р1, большее значение перерегулирования (до 40%) и большее время регулирования Т_р.

Опыт по автоматизации промышленных объектов дает некоторые общие рекомендации по требованиям к качеству регулирования. Так для большинства АСР наилучшим является переходный процесс со степенью затухания 0,7-0,8. В этом случае достигается уменьшение максимального и динамического отклонения по сравнению с апериодическим переходным процессом при незначительном увеличении времени регулирования. Повышение требований к точности поддержания регулируемой величины приводит к применению высокоточных приборов, сложных схем автоматики, т.е. к росту затрат.

Перед выбором автоматического регулятора должны быть заданы: динамические параметры объекта регулирования Т, т, к; требования к качеству процесса регулирования максимальное возмущение

i процессе эксплуатации. В каждом конкретном случае следует применять регулятор, возможно более простой и переходить к более сложным, когда простые не могут обеспечить требуемого качества регулирования. Поэтому в начале необходимо оценить возможность применения двухпозиционного регулятора.

В инженерных расчетах определение типа регулятора и параметров его настройки проводится обычно по специальным монограммам.

При этом руководствуются следующим порядком.

1 При известных условиях работы объекта и технологических требованиях к процессу задаются допустимыми максимальными динамическими отклонениями регулируемого параметра у по величине и времени его пребывания, производят количественную оценку возмущений х (в % хода регулирующего органа) и частоты ее изменения, выбирают основную регулируемую величину и формулируют цель регулирования.

2 Определяют динамические параметры объекта регулирования: постоянную времени объекта время запаздывания, коэффициента усиления коэффициент самовыравнивания р - , для статических объектов и скорость разгонадля астатических объектов.

3 Определяют характер и значения основных возмущающих воздействий на объект регулирования и выражают их в % хода по основной регулирующей величине.

4 Предварительно выбирают наиболее желаемый переходный процесс регулирования и по соотношениюрегулятор определенного действия (позиционный, непрерывный, импульсный). Определяют динамический коэффициент регулирования (Для статических объектов

5 По полученным данным выбирают простейший тип регулятора, начиная с позиционного.

6 Устанавливают требуемые качества процесса регулирования. При применении позиционных регуляторов процесс регулирования будет автоколебательным с ограничением максимального отклонения по амплитуде; непрерывных и импульсных - затухающим, с ограничением максимальному отклонению колебательности \j/ и времени регулирования.

7 Проверяют пригодность выбранного типа регулятора по таблицам и монограммам в зависимости от значений динамических параметров объекта и возмущений по нагрузке.

8 Проводят расчет оптимальных параметров настройки регулятора в соответствии с выбранным законом регулирования.

9 Проводят проверочный расчет и строят переходный процесс и определяют степень его соответствия установленным требованиям.

Если переходный процесс не удовлетворяет установленным требованиям к качеству регулирования, то расчет повторяют, выбирая более сложный тип регулятора. Окончательная настройка регулятора осуществляется в условиях эксплуатации АСР.

По условию задано:

Время запаздывания= 19 с;

Постоянная времени объекте= 76 с;

Коэффициент усиления объект;=55;

Максимальная величина колебательности_: = 0,002;

Допустимое перерегулировани= 0,07;

Время регулирование

Вид переходного процесса - с минимальной квадратичной площадью отклонения.

По условию задан переходный процесс с минимальной площадью отклонения.

Цель регулирования - стабилизация температуры мяса на выходе из аппарата на уровне -18 °С. Из практики известно, что возмущения по расходу, приведенные к выходу (температуре), составляют. В перерасчете на расход хладагента получим или 18% хода регулирующего органа. По условию допускаемая степень перерегулирования

Таким образом, допускаемые отклонения регулируемой величины до

В пересчете на расход хладагента

(возмущающее воздействие)

имеемили 9,7 % хода регулирующего органа.

Выбираем датчик с диапазоном от 50 до 100 °С и классом 1 (мост с термометром сопротивления). Тогда середина диапазона задания

шкалы.

По условию отношение .

Так как отношението по практическим рекомендациям не следует выбирать позиционное регулирование.

По монограммам определяем, что для заданного переходного процесса динамический коэффициент регулирования равен:

для И-регуляторг=0,5;

для П-регулятор

для ПИ-регулятора

для ПИД-регулятора

Расчетный динамический коэффициент регулирования

где- коэффициент усиления объекта.

Таким образом по значениям динамической ошибки регулирования подходят все типы регуляторов.

По таблице определяем относительное время регулирования:

для П-регуляторг= 9;

для ПИ-регулятора=16;

для ПИД-регулятора=10.

Отсюда можно определить фактическое время регулирования т_р :

для П-регулятора=171 с;

для ПИ-регулятора =304 с;

для ПИД-регулятора= 190 с.

Наиболее близкое время регулирование к заданному по условию времени регулирования= 150 с у пропорционального регулятора.

Поэтому выбираем данный тип регулирования.

Определим параметры настройки регулятора.

Коэффициент усиления регулятора

Описание функциональной схемы автоматизации

Отличительной особенностью автоматизации маслозаполненных винтовых компрессоров является регулирование контура системы смазки компрессора. Масло подается в полость сжатия компрессора вместе с парами хладагента и способствует обеспечению необходимой степени сжатия за счет заполнения зазоров между винтами и корпусом компрессора, а также сниже-нию температуры нагнетания.

Масло после компрессии выбрасывается со сжатым паром в маслоотделитель, где отделяется от хладагента, и насосом Н направляется в систему смазки компрессора.

Существенное значение для работы винтовых компрессоров имеет вязкость масла, поэтому схемой их автоматизация должно предусматриваться поддержание температуры масла на уровне 30--35 °С, что должно учитываться как при пуске компрессоров, так и при их постоянной работе. В пусковом режиме включение компрессоров в работу допускается при достижения маслом установленной температуры. Это достигается циркуляцией масла в контуре подогрева: маслоотделитель Мо - насос Н- маслоохладитель Мох - соленоидный клапан СВ1.

В нормальном режиме работы, когда подогрев масла происходит вместе с сжимаемыми парами хладагента, предусмотрен контур охлаждения масла, подача воды в который регулируется водорегулятором при превышении температуры масла выше требуемой.

Для защиты и управления компрессорами применяются пульты местного управления УК74 или А-80.

Защита винтовых компрессоров осуществляется по тем же параметрам, что и одноступенчатых поршневых компрессоров, плюс по превышению температуры масла выше расчетной - с помощью термореле. Регулирование и управление работой системы смазки осуществляется позиционным регулятором температуры.

При достижении требуемой температуры масла подаются сигналы пуска компрессора, открытия клапана СВ2 по линии 11 и открытия соленоидного клапана подачи хладагента в испаритель (объект охлаждения) по линии 12.Включение подогрева масла осуществляется одновременно подачей команды на пуск компрессора по линии 13, в это же время по линии 14 включается и маслонасос Н. Регулирование температуры масла во время работы компрессора осуществляется регулятором температуры прямого действия с воздействием на расход охлаждающей воды. Чувствительный элемент регулятора устанавливается на выходной магистрали масла из маслоохладителя.

Схема обеспечивает работу винтовых компрессоров в трех режимах: автоматическом, координированном и местном в зависимости от положения ключа выбора работы КВР.

Программа пуска компрессоров в автоматическом режиме осуществляется следующим образом. С подачей команды на пуск компрессора включается электродвигатель маслонасоса, открывается электромагнитный клапан СВ1 и включается нагревающий элемент в маслоотделителе. Масло прокачивается па контуру МО--Н--Мох--СВ1--МО. При достижении температуры масла 30--35 °С срабатывает реле, которое снимает блокировку пуска. Электродвигатель компрессора включается, закрывается электромагнитный клапан СВ1, открывается электромагнитный клапан СВ2 и отключается нагревательный элемент подогрева масла в маслоотделителе.

В режиме останова питание отключается, электромагнитные клапаны СВ1 и СВ2 закрываются, электродвигатели компрессора и масляного насоса обесточиваются.

Регулирование температуры в объекте охлаждения осуществляется путем изменения холодопроизводительности компрессора изодромным регулятором температуры типа РП2СЗ воздействием на положение золотника компрессора.

При отключении компрессора из схемы автоматического управления подается дополнительная команда на исполнительный механизм золотника для перевода его в положение минимальной холодопроизводительности, что в последующем облегчает пуск компрессора (разгрузка компрессора в пусковом режиме).

В пусковых и промежуточных режимах работы при регулировании холодопроизводительности винтовых компрессоров могут возникать перегрузки на приводе компрессора. Поэтому, чтобы не увеличивать установленную мощность электропривода компрессора, наряду с регулированием по температуре в объекте охлаждения применяют схемы регулирования по максимально потребляемой мощности: когда наступает режим, выходящий за пределы или граничащий с пределами рабочего режима машины, канал регулирования холодопроизводительности по температуре отключается, а в работу включается канал регулирования по максимально потребляемой мощности.

При снижении температуры в объекте охлаждения или превышении силы тока, потребляемого приводным электродвигателем компрессора по линии 15, через бесконтактный реверсивный пускатель ПБ поступает команда на открытие золотника. Привод золотника осуществляется многооборотным электрическим исполнительным механизмом (МЭМ-100/400-635).

В автоматической режиме работы при включении питания тумблером SА подключаются регулирующий прибор РТ и узкопрофильный амперметр УА₉ срабатывает реле 1KV и через нормально закрытые контакты конечных выключателей привода SQ1-SQ4 срабатывают реле 5KV и 6KV. В этом состоянии подготавливается цепь включения реле 3KV, 4КV пускателя ПРБ-ЗА. По цепи 24В -- нормально-замкнутый контакт 3KV -- замкнутый контакт 6KV подается управляющее напряжение на семисторы ДЗ и Д4, семисторы отпираются, и на электродвигатель многооборотного электрического исполнительного механизма МЭМ подается питание. МЭМ начинает перемещать золотник компрессора до полного открытия (минимальной холодопроизводительности) и через конечный выключатель SQ3 отключает реле 6КV, перемещение золотника прекращается. Нормально-замкнутый контакт 6KV подготовит цепь питания реле 3KV и 4KV. Если компрессор готов к пуску, через 15 с замыкается контакт Р4-4 пульта А-80, реле 3KV и 4KV срабатывают н через замкнувшийся контакт 3KV становятся на блокировку. Через замкнувшийся контакт 3KV подается сигнал в схему пуска компрессора, и компрессор включается в работу.

После включения реле 3KV и 4KV подготавливается цепь управления исполнительным механизмом от контактов +t и --t прибора регулирования температуры в объекте охлаждения. В том случае, если температура в объекте выше требуемой, контакт + t замкнут и на семисторы Д1 и Д2 через цепь +t --3KV -- 1KV --+I--5KV подается сигнал управления, семисторы открываются, и МЭМ перемещает золотник в сторону закрытия. Золотник перемещается до достижения температуры в объекте регулирования заданного значения, после чего контакт +t размыкается, и золотник устанавливается в определенное положение.

При большом отклонении температуры золотник компрессора перемещается до достижения максимальной холодопроизводительности, что может вызвать перегрузку электродвигателя компрессора. При достижении силы тока на 5--10% выше номинальной величины контакт +I_ном в цепи управления привода влиятельного механизма размыкается, и перемещение золотника прекращается. Если этого воздействия оказалось недостаточно ток продолжает расти, то при достижении его значения, равного +I_мах, контакт +I_мах замыкается и подается управляющее воздействие на открытие золотника. Золотник перемещается в сторону открытия до тех пор, пока не разомкнется контакт +I_мах.Система регулирования поддерживает производительность компрессора по максимальной токовой нагрузке от +I_ном до +I_мах , т. е. перемещение золотника регулируется не от температуры, а от силы тока.

При полном закрытии золотника схемой предусматривается воздействие на соленоидный клапан дополнительной подачи хладагента в обьект охлаждения, который устанавливается параллельно основному. Управление клапаном осуществляется через нормально-замкнутый контакт реле 5KV, которое отключается конечным выключателем SQ1 в приводе золотника. При достижении нижнего предела заданной температуры импульсами начинает замыкаться контакт - t(РТ), подавая сигналы на открытие золотника. Изодромное регулирование по каналу температуры и по каналу тока осуществляется через изменение длительности замыкания управляющих контактов: чем больше отклонение, тем больше длительность импульсов. Для обеспечения высокой надежности вал электропривода исполнительного механизма подключается к золотнику через муфту крутящего момента с конечными выключателями SQ2 и SQ4 с сигнализацией превышения момента через лампу сигнализации HL3.

В ручном и координированном режимах контакт выключателя В1-6 пульта А-80 разомкнут, реле 1KV обесточено, и управление перемещением золотника осуществляется дистанцнонйй кнопками управления SB3 и SBO, при этом коррекция по току работает, как и в автоматическом режиме.

Для наблюдения за фактическими значениями параметров предусматриваются показывающие приборы, устанавливаемые по месту. Контроль положения золотника осуществляется указателем положения .

Конструкция винтовых компрессоров позволяет в одноступенчатом компрессоре осуществить двухступенчатое сжатие в том случае, если пропускать определенную часть пара через промежуточные теплообменники, что существенно повышает энергетическую эффективность холодильных машин винтовыми компрессорами.

Выбор контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации

Приборы для измерения давления

Серия SITRANS P представляет собой полную гамму приборов для измерения давления. Выбираем 5 компактных простых преобразователей серии z для измерения давления нагнетания (2 шт.), давления всасывания, разности давления смазки (2 шт.), давления масла.

Диапазон измерения от 1 мБар до 400 Бар, номинальное давление до PN 420.

Для измерительных частей возможны такие материалы как нержавеющая сталь, тантал, Hastelloy, золото и Monel.

Материал для электронного корпуса - алюминий с небольшими примесями меди, нержавеющая сталь или латунь.

Приборы для измерения температуры

Термосопротивления и термопары S1TRANS TW возможны для различных типах исполнения. Материалы, подключение, конструктивное исполнение и дополнительные принадлежности подходят для большинства случаев измерения температуры в технологических процессах.

Измеритель-ПИД-регулятор для управления задвижками и трехходовыми клапанами ТРМ12

Измерител ь-ПИД- регулятор ТРМ12 предназначен для автоматизации управления положением золотника в холодильных машинах.

Количество входов для подключения датчиков	1
Предел допустимой основной погрешности измерения входного параметра	±0,25%
Время опроса одного входа	Не более 1,5 с
Диапазон измерений	0…100%
Габаритный размер, мм	96х96х70

Регуляторы процессов

Приборная панель SIPART DR19 96x96мм, для промышленных применений - это идеальное решение для всех стандартных задач с различными возможностями отображения информации на дисплее, управляющими функциями и сообщениями о состояниями.

Принимаем 3 регулятора для управления агрегатом, управления маслонасосом, управления производительностью.

Электромагнитные клапаны

Электромагнитные клапаны представляют собой двухпозиционные исполнительные устройства с одним или несколькими запорными или несколькими переключающими клапанами, управление которыми производится электромагнитами.

Принимаем 3 клапана: клапан контура подогрева, клапан масла в компрессоре, клапан фреона в испаритель.

Реле времени микропроцессорное двухканальное УТ24

Микропроцессорное реле времени УТ24 предназначено для формирования произвольной последовательности импульсов, которая может быть использована для автоматического управления исполнительными механизмами в различном технологическом оборудовании.

Список литературы

1. Сердобинцев С.П. - Автоматика и автоматизация производственных процессов в рыбной промышленности. - М.: Колос, 1994.

2. Лунеев Д.Е. - Основы автоматики и автоматизации производства на предприятиях и судах рыбной промышленности. - М: Агропромиздат, 1991.

Размещено на Allbest.ru