Автоматизация процесса приготовления теста

ФСА.dwg

ДП-21.02-32-01-АТХ.1
Автомат для изготовления
Структурная схема КТС
ДП-21.02-34-02-АТХ.3
Функциональная схема
БР-ДПИ-НГТУ -220200.62-07-10
Автоматизация процесса
Сигнализация при Т23 С и Т>27 С
Сигнализация при Т>29 С
Сигнализация при Т33 С и Т>38 С
Сигнализация при F>840 кгч
Транспортер для теста
Тестомесительная машина
Весовой дозатор муки
- 29 - Мука - 30 - Опара - 31 - Тесто - 32 - Раствор соли - 33 - Раствор сахара - 34 - Жир - 35 - Опара с добавками
Сигнализация при L>2
Сигнализация при M25 % и M>40 %

ОПТИм.dwg

БР-ДПИ-НГТУ -220200.62-09-08-АТХ1
Автоматизация процесса
Simatic S7-200 Siemens
БР-ДПИ-НГТУ -220200.62-07-10
Определение оптимальных
Уравнения для расчета настроек ПИ-регулятора
Аппроксимирующая и экспериментальная переходные характеристика
Передаточная функция
Кривая равной колебательности
9 радс - рабочая частота
Оптимальные настройки:
9 - коэффициент усиления
- время интегрирования
054 - интегр. квадр.критерий
Определение оптимальных настроек регулятора
с - время регулирования
- динамическая ошибка
Экспериментальная кривая разгона
Переходный процесс с оптимальными настройками
56 - степень затухания
Коб - коэффициент усиления объекта T1
T2 - постоянные времени апериодического звена."

КТСгор.dwg

БР-ДПИ-НГТУ -220200.62-09-08-АТХ1
Автоматизация процесса
Simatic S7-200 Siemens
встроена в мат. плату
Core 2 Duo E6600 2.4 ГГцDDR SDRAM 1024MbDVDCD-RW
БР-ДПИ-НГТУ -220200.62-07-10
Simatic S7-312 Siemens
Контроллер процесса производства
Fujitsu-Siemens P19-3 19
Комплекс технических средств
Simatic Rack PC 547B

листы.docx

5.7 Основная погрешность аналого-цифрового преобразователя
Нормируется значением: .
Примем равномерный закон распределения. Параметры равномерного распределения (табл. 2.2[1]): Определим СКО:
8 Погрешность смещения нуля аналого-цифрового преобразователя при колебаниях температуры
Проявляется в виде смещения нуля на 01% при изменении температуры на 10 К (-0110 %К). Она аддитивная и при принятом законе распределения температуры размахом ±3 К.
Примем равномерный закон распределения и определим СКО:
Анализ технологического процесса как объекта управления
Основным регулируемым параметром данного процесса является поддержание требуемой влажности теста на выходе из тестомесильной машины. Влажность определяется с помощью сверхвысокочастотного влагомера. Этот параметр регулируется изменением расхода подаваемой в аппарат опары с добавками из станции дозирования.
Производительность тестомесильной машины будет поддерживаться изменением расхода муки на входе при помощи многооборотного электрического исполнительного механизма и двигателя. Номинальное значение должно составлять – 800 кгч.
Достаточно отслеживать показания температуры во всех аппаратах процесса т.к. регулирование температуры опары и теста сводится к регулированию температуры воды подаваемой на замес с учетом температуры замешиваемой муки.
Необходимо также обеспечить дистанционное управление всеми двигателями а также реализовать показание такого параметра как уровень в бункере весового дозатора муки.
Таким образом задача регулирования в данном случае состоит в поддержании на заданном уровне таких параметров как: производительность тестомесильного аппарата и влажность теста.
Основными источниками возмущения служат изменение производительности тестомесильного аппарата и влажности опары.
необходимое количество требуемого компонента и довести их до нормы. При непрерывном замесе это исключается; тесто которое уже вышло из месильной машины с отклонениями по каким-либо параметрам исправить нельзя. Поэтому приготовить тесто с требуемыми свойствами в процессе непрерывного замеса можно лишь регулированием подачи в машину одного из компонентов например опары. Использование жидкой первой фазы (опары) на которую расходуется 30—35% рецептурного количества муки упрощает ее транспортирование повышает стабильность работы оборудования облегчает управление процессом тестоприготовления и снижает затраты муки на брожение. От объема и консистенции продукта находящегося в производственном процессе на разных стадиях готовности зависят вместимость и тип аппаратуры а следовательно габаритные размеры и масса всего комплекса тестоприготовительного агрегата. Кроме того чем больше продукта и чем выше вязкость тем больше энергии требуется затратить на его перемещение по технологической цепи машин и аппаратов. С этой точки зрения двухфазное приготовление теста на жидкой опаре влажностью 65—67 % имеет также бес спорное преимущество по сравнению со схемой использующей густую первую фазу влажностью 42—45%. Так при равной производительности потребная рабочая емкость для брожения жидкой опары значительно меньше емкости необходимой в случае работы на густой опаре. С учетом этих преимуществ лучше применять схему двухфазного приготовления теста из различных сортов на жидкой опаре с возможностью использования жидкой закваски при замесе теста из ржаной или ржано-пшеничной муки.
Схема автоматизации непрерывного процесса приготовления теста предусматривает контроль температуры муки и опары сигнализацию уровня муки в бункере весового дозатора муки контроль и регулирование влажности теста в месильной машине. А также местное и дистанционное управление работой электроприводов оборудования и исполнительных механизмов в зависимости от изменения влажности теста. Температура опары и теста является одним из основных параметров влияющих на их качество и в начале процесса их приготовления поддерживается обычно путем стабилизации температуры ингредиентов поступающих на замес. Поскольку основную массу опары и теста составляют мука и вода а количество остальных компонентов — дрожжей соли и др. - сравнительно невелико и кроме этого температура последних регулируется в процессе их приготовления то регулирование температуры опары и теста сводится к регулированию температуры воды подаваемой на замес с учетом температуры замешиваемой муки. Температура воздуха в тестоприготовительных отделениях обычно соизмерима с температурой опары и теста величина температуры в процессе брожения изменяется незначительно и не выходит за пределы допускаемые технологическими требованиями. Поэтому в производственных условиях ограничиваются лишь измерением температуры муки опары и теста стараясь не допускать отклонения ее от заданных пределов.
Контроль температуры осуществляется термометрами сопротивления а контроль уровня в бункере дозатора муки - с помощью ультразвукового уровнемера.
Влажность теста является наиболее важным технологическим параметром и для её определения используется сверхвысокочастотный влагомер.
Приготовленное тесто подается на ленту транспортера по которой оно направляется на дальнейшие стадии производства. Технологический режим приготовления теста настраивается таким образом чтобы производительность тестомесильной машины была соизмерима производительностью печи. Это позволяет исключить частые остановки тестомесильной машины.
Синтез системы автоматического регулирования
В качестве ответственного контура регулирования возьмем контур регулирования влажности теста на выходе тестомесильной машины так как этот параметр во многом будет определять качество изготавливаемой из этого теста продукции.
1 Анализ процессов протекающих в объекте
Структурная схема нашего объекта будет выглядеть следующим образом (рисунок 1):
Рисунок 1 – Структурная схема объекта моделирования
гдеQо – объемный расход опары м3с;
сО – влажность опары %;
Qм – объемный расход муки м3с;
Qт – объемный расход теста на выходе м3с;
СТ – влажность теста на выходе %;
В емкости происходит конвективный перенос тепла от входа к выходу. Балансовое соотношение в общем виде выглядит следующим образом:
Σy3.8 Модель САР влажности
Учитывая уравнения (6) (8) (11) (12) (13) (14) получим модель динамики САР влажности:
9 Построение модели с помощью математического пакета MATLAB
Для построения математической модели с помощью математического пакета МАТLАВ по уравнениям математической модели необходимо в Simulink составить блок-схему модели.
Для построения схемы моделируемого объекта в подприложении Simulink(приложение ориентированное на моделирование динамических систем с использованием функциональных блоков) воспользуемся следующими блоками:
– Constant - константа;
Рисунок 7 – Переходная характеристика объекта при ступенчатом изменении влажности опары
Созданный нами объект маскируем в подсистему (рисунок 8):
Рисунок 8 – Маскированная подсистема «Объект»
где – расширенная амплитудно-частотная характеристика (РАЧХ);
– расширенная фазо-частотная характеристика (РФЧХ).
В одноконтурной системе объект-регулятор РАФХ разомкнутой системы Wраз(m i) определяется как:
Тогда система (29) перепишется в виде
При известных характеристиках объекта () из системы (31) можно рассчитать оптимальные настройки промышленного регулятора.
РАФХ пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора определяется по формуле:
где С1 – коэффициент усиления регулятора;
С0 – передаточный коэффициент интегральной составляющей.
Расчётные формулы для настроек ПИ-регулятора:
где – рабочая частота.
В итоге имеем систему уравнений (33) с тремя неизвестными: С1 С0 Р. Это значит что существует множество пар (С1 С0) которые обеспечивают
Расчет погрешности измерительного канала
1 Основные сведения для расчета
Измерительный канал состоит из нескольких приборов обработки передачи данных что неизбежно приводит к накоплению погрешностей. В общем случае измерительный канал можно представить как последовательное соединение датчика унифицированного преобразователя и аналогово-цифрового преобразователя микропроцессорного контроллера (рисунок 17).
Рисунок 17 – Блок-схема измерительного канала
Исходные данные для расчета погрешности запишем в таблице 4.
Таблица 4 Исходные данные для расчета погрешности канала измерения
Основная погрешность
Температурная погрешность
Погрешность от влияния изменений напряжения сети
Унифицированный преобразователь
Погрешность коэффициента усиления при изменении
Погрешность смещения нуля при колебании
A=02 – амплитуда входного ступенчатого сигнала выраженная в долях.
Тогда кривая разгона приведённая к единичному ступенчатому воздействию по формуле (17) имеет вид:
Будем аппроксимировать тестомесильную машину как объект с самовыравниваемой характеристикой представляющей собой два апериодических звена первого порядка без запаздывания. Тогда передаточная функция имеет следующий общий вид:
гдеk – коэффициент усиления объекта;
T1T2 – постоянные времени апериодического звена.
Для определения параметров необходимо воспользоваться номограммой определив заранее коэффициент b:
Получаем следующие значения для постоянных времени апериодического звена:
Определим коэффициент усиления объекта:
Переходная характеристика определяется формулой:
Площадь Sa под этой кривой вычисляется по формуле:
опции: специальные ленты сантехническое исполнение
двигатель: 0.19 кВт AC или DC двигатели и редукторный двигатель с прямым сцеплением монтаж на вал или через фланец
С целью регулирования влажности теста на линии подачи опары в тестомесильную машину ставим регулирующий пневматический клапан а для подвода к нему унифицированного пневматического сигнала необходимо установить электропневмопреобразователь ЭП3211 со входным сигналом – 4 20мА.
Для питания всех датчиков и унифицированных преобразователей используем модульный блок питания SITOPmodular =24В10A для применения в различных областях промышленности во всех регионах мира. Линейное или фазное входное напряжение с широким диапазоном допустимых отклонений –~120230 500 В. Заказной номер – 6EP1 334-3BA00.
2 Выбор контроллера и станции оператора
Для управления технологическим процессом предлагается применить микропроцессорный контроллер фирмы SIEMENS.
Функциональные возможности автоматизированной системы должны обеспечивать удобство обработки информации и высокую надежность.
Исходными данными при выборе контроллера является информационная нагрузка на канал. Общая информационная нагрузка представлена в таблице 3.
Таблица 3 Информационная нагрузка на систему управления
Вид информационного сигнала
Для решения конкретной задачи я выбрал микропроцессор SIEMENS серии S7-300 а именно 312 модель. Максимальное количество каналов ввода-вывода: дискретных-256 аналоговых-64. CPU 312 имеет рабочую память в объеме 32 кб что будет достаточно для данного технологического процесса.
Все центральные процессоры (CPU) S7-300 характеризуются следующими показателями:
высокое быстродействие;
загружаемая память в виде микрокарты памяти ММС емкостью до 8Mb. (ММС используется для загрузки программы сохранения данных при перебоях в питании CPU хранения архива проекта с символьной таблицей и комментарии а также для архивирования промежуточных данных);
развитые коммуникационные возможности;
работа без буферной батареи.
Заказной номер CPU – 6ES7312-1AE13-0AB0.
Заказной номер MMC на 2Мб – 6ES7953-8LL20-0AA0.
Необходимо также подобрать сигнальные модули (SM) предназначенные для ввода и вывода дискретных и аналоговых сигналов в том числе и со встроенными Ex-барьерами. Поддерживаются отечественные градуировки термометров сопротивления и термопар. Для фиксации
и получаем передаточную функцию регулятора:
Находим частоты лежащие по обе стороны от найденной ранее рабочей частоты. Находим коэффициент усиления регулятора и время интегрирования для каждой из частот
р1 = 2.26 Кр1 = 50.879 Tu1 = 0.045
р2 = 2.498 Кр2 = 59.305 Tu2 = 0.058
Строим переходные характеристики замкнутой системы в безразмерной величине h(t) и в процентах H(t) для трех вариантов настроек (рисунок 16) т.е. реакцию системы на единичное воздействие. h(t) находим с помощью обратных преобразований Лапласа перевод в проценты осуществляем по формуле
Рисунок 16 - Переходные характеристики в процентах

мой Бакалавр2.doc

Данная бакалаврская работа посвящена автоматизации процесса производства теста.
Бакалаврская работа включает описание технологического процесса анализ его как объекта управления синтез системы автоматического регулирования температуры. В работе осуществлен расчет настроек регулятора методом расширенных амплитудно-фазных характеристик. А также выбор приборов и средств автоматизации расчет погрешности канала измерения.
Целью работы является систематизация углубление применение знаний и практических навыков полученных в процессе обучения на конкретной схеме автоматизации.
Бакалаврская работа состоит из пояснительной записки и графической части. Пояснительная записка выполнена на 60 листах формата А4 и содержит 7 таблиц и 18 рисунков.
Графическая часть выполнена на 4 листах формата А1. Библиография содержит 9 источников.
Описание технологического процесса4
Анализ технологического процесса как объекта управления9
Синтез системы автоматического регулирования11
1 Анализ процессов протекающих в объекте11
2 Составление системы допущений12
3 Составление математической модели объекта12
4 Составление математической модели САР влажности13
5 Модель первичного преобразователя (ПП)14
6 Модель регулятора15
7 Модель исполнительного устройства16
8 Модель САР влажности17
9 Построение модели с помощью математического пакета MATLAB17
10 Получение передаточной функции объекта24
11 Параметрическая оптимизация системы методом РАФХ27
Выбор приборов и средств автоматизации34
1 Выбор технических средств низовой автоматики34
2 Выбор контроллера и станции оператора40
Расчет погрешности измерительного канала45
1 Основные сведения для расчета45
2 Основная погрешность датчика46
3 Температурная погрешность датчика47
4 Погрешность датчика от колебаний напряжения питания47
5 Погрешность коэффициента усиления унифицированного преобразователя при измерении напряжения питания48
6 Погрешность смещения нуля унифицированного преобразователя при колебаниях температуры48
7 Основная погрешность аналого-цифрового преобразователя49
8 Погрешность смещения нуля аналого-цифрового преобразователя при колебаниях температуры49
9 Суммирование погрешностей51
9.1 Сложение алгебраически коррелированных погрешностей51
9.2 Суммирование аддитивных погрешностей для начальной части шкалы51
9.3 Расчет погрешности в конце диапазона канала53
Смета расходов на автоматизацию55
Процесс приготовления теста является одним из основных и наиболее продолжительным этапом во многом предопределяющим качество будущего хлеба. К основным операциям качество выполнения которых значительно влияет на технологические свойства теста относят дозирование сырья и полуфабрикатов их смешивание и замес а также брожение.
От свойств теста в значительной степени зависит как дальнейшее его поведение при делении формовке расстойке и выпечке так и качество готовой продукции. В зависимости от установленного на хлебозаводе оборудования и выпускаемого сорта изделий тесто может приготавливаться порционно с применением тестомесильных машин и дозирующей аппаратуры периодического действия а также непрерывно с использованием тестомесильных машин дозирующей аппаратуры и бродильных устройств непрерывного действия.
Автоматизация технологических процессов является одним из решающих факторов повышения производительности и улучшения качества производимой продукции а также ее себестоимости. Внедрение специальных автоматических устройств способствует безаварийной работе оборудования исключает случаи травматизма.
Целью данной работы является разработка системы автоматического регулирования процесса приготовления теста приборов и средств автоматизации. Кроме того необходимо рассчитать оптимальные настройки регулятора наиболее ответственного контура регулирования.
Описание технологического процесса
Для замеса теста на предприятиях хлебопекарной промышленности применяют тестомесильные машины. Процесс замеса заключается в смешивании муки воды дрожжей соли сахара-песка масла и других продуктов в однородную массу придании этой массе необходимых физических и механических свойств и насыщении ее воздухом с целью создания благоприятных условий для брожения.
Существуют два способа приготовления теста - порционный и непрерывный. При порционном тестоприготовлении применяют машины периодического действия со стационарно закрепленными или подкатными дежами. Тесто в этих машинах замешивают отдельными порциями через определенные интервалы. При непрерывном способе приготовления теста применяют тестомесильные машины непрерывного действия. В этих машинах замес теста происходит одновременно на всех стадиях и участках по которым тесто продвигается и выходит оно из машины непрерывным потоком.
Дрожжевое тесто можно приготовить опарным и безопраным способами.
- в ней активизируются и размножаются дрожжи;
- гидратируются и пептизируются белковые вещества;
- накапливаются кислоты ароматообразующие водорастворимые вещества;
- технологический процесс более гибкий.
Технология приготовления опары зависит от сорта муки ее хлебопекарных свойств рецептуры изделия и многих других факторов. При производстве пшеничного хлеба влажность опары должна быть 47—50% булочных изделий — 44—46 % что объясняется различной нормой влажности теста для этих изделий. Влажность опары снижают при переработке слабой муки чтобы задержать дезагрегацию клейковины. Если клейковина муки короткорвущаяся влажность опары повышают на 2—3%. Количество прессованных дрожжей для приготовления опары (по рецептуре) составляет 05—4 %.
Дрожжевое тесто всегда теплее опары. Температура опары в 28—29°С оптимальна для размножения дрожжевых клеток. В жаркое время года (особенно в южных районах) температуру снижают на 2—4 °С в зимнее время — повышают. При переработке слабой муки и муки с повышенной автолитической активностью снижают температуру опары (и теста) на 2—3 °С для того чтобы задержать гидролитические процессы.
Дрожжевое тесто содержит в себе соль по рецепту. Она снижает активность ферментов и укрепляет клейковину. Если необходимо повысить кислотность опары то в нее добавляют молочную сыворотку порцию спелой опары или теста. Если дрожжевое тесто готовят для сдобных изделий то в опару вносят молоко и яйца (согласно рецептуре).
В процессе непрерывного замеса можно выделить три источника ошибок приводящих к отклонению качественных показателей теста: погрешность работы дозирующего оборудования колебания качества муки поступающей в производство несоблюдение условий проведения замеса. Компоненты подаваемые в смеситель дозируются весовыми дозаторами непрерывного действия. Погрешности дозирования изменяют соотношение компонентов предусмотренное рецептурой и вызывают изменение качественных показателей теста.
К условиям проведения замеса теста можно отнести такие факторы как колебания температуры и влажности окружающей среды концентрация и влажность компонентов теста частота вращения рабочих органов продолжительность замеса и степень механической обработки теста в машине и ряд других характеристик тестомесильного оборудования.
Входными (управляющими) переменными замеса теста являются расходы компонентов (муки опары соли сахара жира) подаваемых соответствующими дозаторами. Выходными (управляемыми) переменными могут быть выход теста влажность вязкость температура кислотность теста и др. Это наиболее важные показатели процесса рекомендуемые технологическими инструкциями.
Рассмотрим теперь схему автоматизации процессов тестоприготовления с использованием машины непрерывного действия типа РЗ-ХТО отвечающую наиболее современным технологическим соображениям.
Тестомесильная машина непрерывного действия РЗ-ХТО входит в состав тестоприготовительного агрегата РЗ-ХТН. В этой машине предусмотрены две рабочие месильные камеры: камера предварительного смешивания компонентов и камера интенсивной механической обработки. Мощность электродвигателя для камеры предварительного смешивания 22 кВт а для камеры интенсивной обработки теста— 17 кВт что обеспечивает удельную работу затрачиваемую на замес теста до 15 Джг. Частота вращения рабочих органов камеры интенсивной механической обработки теста от 15 до 180 обмин.
Технологический процесс непрерывного процесса приготовления теста заключается в следующем. Мука жидкий полуфабрикат – опара и добавки с помощью дозаторов непрерывно подаются в месильную машину перемешиваются в ней до образования однородной массы – теста которое затем поступает на транспортер для теста. Процесс непрерывного приготовления теста имеет некоторые специфические особенности влияющие на качественные показатели теста. Прежде всего это жестко фиксированная последовательность технологических операций исключающая возможность их повторения с целью исправления дефектов полуфабрикатов или конечного продукта. Так если при порционном замесе параметры теста вышли за пределы то можно повторить замес добавить необходимое количество требуемого компонента и довести их до нормы. При непрерывном замесе это исключается; тесто которое уже вышло из месильной машины с отклонениями по каким-либо параметрам исправить нельзя. Поэтому приготовить тесто с требуемыми свойствами в процессе непрерывного замеса можно лишь регулированием подачи в машину одного из компонентов например опары. Использование жидкой первой фазы (опары) на которую расходуется 30—35% рецептурного количества муки упрощает ее транспортирование повышает стабильность работы оборудования облегчает управление процессом тестоприготовления и снижает затраты муки на брожение. От объема и консистенции продукта находящегося в производственном процессе на разных стадиях готовности зависят вместимость и тип аппаратуры а следовательно габаритные размеры и масса всего комплекса тестоприготовительного агрегата. Кроме того чем больше продукта и чем выше вязкость тем больше энергии требуется затратить на его перемещение по технологической цепи машин и аппаратов. С этой точки зрения двухфазное приготовление теста на жидкой опаре влажностью 65—67 % имеет также бесспорное преимущество по сравнению со схемой использующей густую первую фазу влажностью 42—45%. Так при равной производительности потребная рабочая емкость для брожения жидкой опары значительно меньше емкости необходимой в случае работы на густой опаре. С учетом этих преимуществ лучше применять схему двухфазного приготовления теста из различных сортов на жидкой опаре с возможностью использования жидкой закваски при замесе теста из ржаной или ржано-пшеничной муки.
Схема автоматизации непрерывного процесса приготовления теста предусматривает контроль температуры муки и опары сигнализацию уровня муки в контроль и регулирование влажности теста в месильной машине. А также местное и дистанционное управление работой электроприводов оборудования и исполнительных механизмов в зависимости от изменения влажности теста. Температура опары и теста является одним из основных параметров влияющих на их качество и в начале процесса их приготовления поддерживается обычно путем стабилизации температуры ингредиентов поступающих на замес. Поскольку основную массу опары и теста составляют мука и вода а количество остальных компонентов — дрожжей соли и др. - сравнительно невелико и кроме этого температура последних регулируется в процессе их приготовления то регулирование температуры опары и теста сводится к регулированию температуры воды подаваемой на замес с учетом температуры замешиваемой муки. Температура воздуха в тестоприготовительных отделениях обычно соизмерима с температурой опары и теста величина температуры в процессе брожения изменяется незначительно и не выходит за пределы допускаемые технологическими требованиями. Поэтому в производственных условиях ограничиваются лишь измерением температуры муки опары и теста стараясь не допускать отклонения ее от заданных пределов.
Контроль температуры осуществляется термометрами сопротивления а контроль уровня в бункере дозатора муки - с помощью ультразвуковых уровнемеров.
Влажность теста является наиболее важным технологическим параметром и для её определения используется сверхвысокочастотный влагомер.
Приготовленное тесто подается на ленту транспортера по которой оно направляется на дальнейшие стадии производства. Технологический режим приготовления теста настраивается таким образом чтобы производительность тестомесильной машины была соизмерима производительностью печи. Это позволяет исключить частые остановки тестомесильной машины.
Анализ технологического процесса как объекта управления
Основным регулируемым параметром данного процесса является поддержание требуемой влажности теста на выходе из тестомесительной машины. Влажность определяется с помощью сверхвысокочастотного влагомера. Этот параметр регулируется изменением расхода подаваемой в аппарат опары с добавками из станции дозирования.
Производительность тестомесительной машины будет поддерживаться изменением расхода муки на входе при помощи многооборотного электрического исполнительного механизма и двигателя. Номинальное значение должно составлять – 800 кгч.
Достаточно отслеживать показания температуры во всех аппаратах процесса т.к. регулирование температуры опары и теста сводится к регулированию температуры воды подаваемой на замес с учетом температуры замешиваемой муки.
Необходимо также обеспечить дистанционное управление всеми двигателями а также реализовать показание такого параметра как уровень в бункере весового дозатора муки.
Таким образом задача регулирования в данном случае состоит в поддержании на заданном уровне таких параметров как: производительность тестомесильного аппарата и влажность теста.
Основными источниками возмущения служат изменение производительности тестомесительного аппарата и влажности опары.
Таблица 1 Основные регламентные ограничения процесса
Функции системы автоматизации
Наименование и размерность
Номинальное значение
Весовой дозатор муки
Показание сигнализация
Тестомесильная машина
Показание сигнализация регулирование
Синтез системы автоматического регулирования
В качестве ответственного контура регулирования возьмем контур регулирования влажности теста на выходе тестомесильной машины так как этот параметр во многом будет определять качество изготавливаемой из этого теста продукции.
1 Анализ процессов протекающих в объекте
Структурная схема нашего объекта будет выглядеть следующим образом (рисунок 1):
Рисунок 1 – Структурная схема объекта моделирования
гдеQо – объемный расход опары м3с;
сО – влажность опары %;
Qм – объемный расход муки м3с;
Qт – объемный расход теста на выходе м3с;
СТ – влажность теста на выходе %;
В емкости происходит конвективный перенос тепла от входа к выходу. Балансовое соотношение в общем виде выглядит следующим образом:
– производная по времени от количества вещества или энергии находящейся в объекте.
2 Составление системы допущений
Для написания математической модели объекта необходимо ввести следующую систему допущений:
считаем емкость объектом с сосредоточенными координатами;
в моделируемом объекте концентрация распределена равномерно.
3 Составление математической модели объекта
Уравнение материального баланса может быть заменено балансом объемов:
гдеV – объем теста в емкости.
где S – площадь поперечного сечения смесителя примем S=35 м2;
H – уровень жидкости м.
В качестве данного объема примем объем камеры предварительного смешения тестомесильной машины так как практически весь объем камеры интенсивной обработки занят валами;
Объемный расход теста на выходе рассчитывается по формуле:
гдеSO – площадь отверстия в днище тестомесильной машины м2
g – ускорение свободного падения мсек2 (g=98 мс2);
H – уровень жидкости м (начальное значение принимаем H=15м).
Начальное условие т.е. значение в момент времени равный нулю находится из модели статики объекта.
Материальный баланс по одному компоненту – опара – выглядит следующим образом:
гдесО – влажность опары % (сО = 66%);
сТ – результирующая влажность теста % (также находим из уравнений модели статики).
С учетом уравнений (2) (3) (4) (5) и начальных условий получаем математическую модель динамики объекта:
В синтезируемой САР влажности заданное значение влажности поддерживается изменение расхода опары подаваемой в смеситель.
4 Составление математической модели САР влажности
Кроме объекта регулирования САР влажности содержит первичный преобразователь ПИ-регулятор и исполнительное устройство в виде клапана (рисунок 2).
Рисунок 2 – Структурная схема САР
ОР – объект регулирования (смеситель);
ПП – первичный преобразователь;
Р – регулятор (ПИ-регулятор);
ИУ – исполнительное устройство (клапан);
y(t) – влажность теста (регулируемый параметр);
Y(t) – приведенная влажность теста (обезразмеренная величина 0 1)
u(t) – управляющее воздействие (0 1);
z(t) – изменение влажности опары на входе в объект (возмущающее воздействие).
5 Модель первичного преобразователя (ПП)
Рисунок 3 – Структурная схема ПП
гдеy(t) – влажность теста (регулируемый параметр);
Y(t) – выходной сигнал с ПП (0 1).
Инерционность первичного преобразователя бесконечно мала по сравнению с инерционностью объекта. На выходе первичного преобразователя имеется электрический сигнал. Электрический сигнал может быть по току по напряжению с разными диапазонами цифровой и т.д. но в любом случае минимальному значению измеряемой величины соответствует минимальное значение выходного сигнала а максимальному – максимальное значение выходного сигнала. Для единообразия модели выходной сигнал в модели представляется безразмерной переменной изменяющейся в пределах от 0 до 1. Описание статической характеристики:
Рисунок 4 – Статическая характеристика ПП
ymax ymin – пределы измерения конкретного преобразователя.
Таким образом математическое описание модели ПП будет иметь следующий вид:
Зависимость по которой выходной сигнал ПП Y(t) преобразуется в регулирующее воздействие U называется законом регулирования.
Управляющее воздействие регулятора определяется законом регулирования.
Для ПИ-закона регулирования:
где Ку – коэффициент усиления регулятора;
Ти – время интегрирования;
e – ошибка регулирования.
Условимся что в начальный момент времени регулирующее воздействие равно нулю.
Ошибка регулирования или рассогласование e находится по следующей формуле:
7 Модель исполнительного устройства
Допущения: пренебрегаем инерционностью ИУ.
Степень открытия клапана считаем:
гдеU – регулирующее воздействие;
А0 – начальная степень открытия клапана. Принимаем А0=05.
Расходную характеристику в нашем случае будем считать линейной.
где А – степень открытия клапана;
kp – коэффициент передачи клапана. Находим из начальных условий:
8 Модель САР влажности
Учитывая уравнения (6) (8) (11) (12) (13) (14) получим модель динамики САР влажности:
9 Построение модели с помощью математического пакета MATLAB
Для построения математической модели с помощью математического пакета МАТLАВ по уравнениям математической модели необходимо в Simulink составить блок-схему модели.
Для построения схемы моделируемого объекта в подприложении Simulink(приложение ориентированное на моделирование динамических систем с использованием функциональных блоков) воспользуемся следующими блоками:
– Constant - константа;
– Sum - суммирование;
– Integrator - интегрирование сигнала;
– Scope - просмотр результата (визуализация графиков);
– Product – умножение сигналов
– Fcn - преобразование входного сигнала в выходной в соответствии с заложенной в блоке функцией.
Для определения всех констант создаем М-файл «isx.m» (рисунок 5):
Рисунок 5 – Создание М-файла
В этом файле описываем все заданные константы а также начальные значения найденные из моделей статики.
Далее в окне МАТLАВ нажимаем левой кнопкой мыши ссылку Simulink после чего открывается окно Simulink Libгагу Вгоwsег где в меню File выбираем строку NewМоdel. В появившемся диалоговом окне в меню File выбираем строку Model Properties после чего появляется следующее окно в котором выбираем вкладку Callbacks и в строке Model Initialization Function записываем нашего М-file без расширения и нажимаем кнопку ОК.
Для построения блок-схемы в Simulink (рисунок 6) необходимо скопировать блоки из библиотеки Simulink Libгагу Вгоwsег в рабочее окно. Сначала строим блок-схему для модели объекта.
Рисунок 6 – Модель объекта в MATLAB
Возмущающим воздействием в нашей системе является изменение влажности поступающей в емкость опары.
Переходная характеристика объекта при ступенчатом изменении влажности опары на 20% будет выглядеть следующим образом (рисунок 7):
Рисунок 7 – Переходная характеристика объекта при ступенчатом изменении влажности опары
Созданный нами объект маскируем в подсистему (рисунок 8):
Рисунок 8 – Маскированная подсистема «Объект»
Вход «Vozm» необходим для подачи возмущения.
На вход «Qo» поступает сигнал от исполнительного устройства изменяющий расход опары.
Выход «Ct» служит для передачи сигнала выходного параметра влажности в контур регулирования.
Аналогично создаем модель ПИ-регулятора и маскируем в подсистему «ПИ-Регулятор» (рисунок 9):
Рисунок 9 – Маскированная подсистема «ПИ-Регулятор»
где блоки: «KU» – для умножения ошибки регулирования на коэффициент
«VI» – для учета времени интегрирования;
«Integrator» – в свойствах задаем начальное регулирующее воздействие равное нулю.
Модель исполнительного устройства создаем по аналогии (рисунок 10).
Рисунок 10 – Модель исполнительного устройства
Выходной сигнал ИУ – новый расход опары QO при уточненной (новой) степени открытия регулирующего органа А.
При помощи функций блока «Fcn» создаем модель первичного преобразователя.
После объединения всех созданных нами подсистем объединяем их в соответствии со структурной схемой САР влажности (рисунок 2).
Рисунок 11 – Модель САР влажности
Процесс моделирования проводим в интервале времени от 0 до 300 с.
В результате получаем следующие графики переходного процесса при настройках регулятора Ку=1 и Ти=2(рисунок 12):
Рисунок 12 – Переходный процесс в САР влажности
10 Получение передаточной функции объекта
Для работы со схемой необходимо знать передаточную функцию объекта. Находим передаточную функцию для тестомесильной машины по известной кривой разгона.
Приводим экспериментальную кривую разгона (Рисунок 6) к единичному ступенчатому воздействию A по формуле
гдеy(t) – экспериментальные значения влажности теста %;
y(t0) – экспериментальное значение влажности в начальный момент времени %;
A=02 – амплитуда входного ступенчатого сигнала выраженная в долях.
Тогда кривая разгона приведённая к единичному ступенчатому воздействию по формуле (17) имеет вид:
Будем аппроксимировать тестомесильную машину как объект с самовыравниваемой характеристикой представляющей собой два апериодических звена первого порядка без запаздывания. Тогда передаточная функция имеет следующий общий вид:
гдеk – коэффициент усиления объекта;
T1T2 – постоянные времени апериодического звена.
Для определения параметров необходимо воспользоваться номограммой определив заранее коэффициент b:
Получаем следующие значения для постоянных времени апериодического звена:
Определим коэффициент усиления объекта:
Переходная характеристика определяется формулой:
Площадь Sa под этой кривой вычисляется по формуле:
Площадь S под экспериментальной кривой вычисляется по формуле:
Погрешность аппроксимации должна соответствовать условию:
Производим проверку условия и получаем = что удовлетворяет (24).
В результате получаем передаточную функцию объекта в виде:
Рисунок 13 – Аппроксимирующая и экспериментальная
переходные характеристики
11 Параметрическая оптимизация системы методом РАФХ
Расширенная амплитудно-фазовая характеристика (РАФХ) обозначаемая как W(m i) получается из передаточной функции W(S) при замене
гдеm – степень колебательности;
РАФХ является отображением прямой на плоскость АФХ (рисунок 14).
Рисунок 14 – Изображение АФХ и РАФХ
РАФХ охватывает АФХ. Касательная в точке =0 всегда вертикальна а угол α между АФХ и РАФХ в этой точке равен arctg(m).
Если разомкнутая система имеет степень колебательности не ниже заданного m* то замкнутая система будет обладать m* если РАФХ разомкнутой системы Wраз(m* i0). Если РАФХ разомкнутой системы не охватывает критическую точку то степень колебательности замкнутой системы выше чем m*.
Таким образом чтобы замкнутая система обладала заданной степенью колебательности при m=m* должно выполняться условие
Уравнение (27) равносильно системе уравнений
где – расширенная амплитудно-частотная характеристика (РАЧХ);
– расширенная фазо-частотная характеристика (РФЧХ).
В одноконтурной системе объект-регулятор РАФХ разомкнутой системы Wраз(m i) определяется как:
Тогда система (29) перепишется в виде
При известных характеристиках объекта () из системы (31) можно рассчитать оптимальные настройки промышленного регулятора.
РАФХ пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора определяется по формуле:
где С1 – коэффициент усиления регулятора;
С0 – передаточный коэффициент интегральной составляющей.
Расчётные формулы для настроек ПИ-регулятора:
где – рабочая частота.
В итоге имеем систему уравнений (33) с тремя неизвестными: С1 С0 Р. Это значит что существует множество пар (С1 С0) которые обеспечивают требуемое значение степени колебательности в данной системе. При этом каждая пара значений (С1 С0) соответствует рабочей частоте Р.
Для нахождения оптимальных настроек необходимо выбрать рабочую частоту а затем по формулам (33) рассчитать оптимальные С1 С0. С этой целью строят кривые равной колебательности в осях С1 С0 (рисунок 16).
В соответствии с рисунком 15 кривая равной колебательности при m=0 разбивает плоскость настроек на область устойчивой (под кривой) и неустойчивой (над кривой) работы системы. При движении по кривой равной колебательности слева направо т.е. от точки значения рабочей частоты растут от до (частота соответствует П-регулятору т.к. С0=0).
Рисунок 15 – Кривые равной колебательности
Минимуму интегрального квадратичного критерия соответствует точка на кривой равной колебательности вблизи её вершины по правой ветви (рисунок 16 точка А). Рекомендуется выбирать рабочую частоту из соотношения (34) где о соответствует вершине кривой m=const:
В промышленных ПИ-регуляторах в качестве настроек используются коэффициент усиления регулятора (КР) и время интегрирования (ТИ) или время изодрома (ТИЗ) связанные с величинами С1 С0 следующими формулами:
Из диапазона степеней колебательности m[0221; 0366] выбираем значение 036. При выбранном значении m строим кривую равной колебательности.
Рисунок 15 – Кривая равной колебательности
По (34) находим рабочую частоту:
Определяем значение при котором С0 кривой достигает максимума в соответствии с рисунком 15 и находим по формуле (33) необходимые коэффициенты. Подставляем известные значения С0 и С1 в (35) (36) и (37) получаем искомые значения КР =55022 и ТИ =005 ТИЗ =2751. Полученные значения КР и ТИ подставляем в формулу передаточной функции ПИ-регулятора WР(S):
и получаем передаточную функцию регулятора:
Находим частоты лежащие по обе стороны от найденной ранее рабочей частоты. Находим коэффициент усиления регулятора и время интегрирования для каждой из частот
р1 = 2.26 Кр1 = 50.879 Tu1 = 0.045
р2 = 2.498 Кр2 = 59.305 Tu2 = 0.058
Строим переходные характеристики замкнутой системы в безразмерной величине h(t) и в процентах H(t) для трех вариантов настроек (рисунок 16) т.е. реакцию системы на единичное воздействие. h(t) находим с помощью обратных преобразований Лапласа перевод в проценты осуществляем по формуле
Рисунок 16 - Переходные характеристики в процентах
Определим критерии качества процессов регулирования для трёх рабочих частот.
Интегральный квадратичный критерий равен
Прямые (временные) критерии качества:
где Yу = 28 % – установившееся значение
Yз = 28% – заданное значение.
Следовательно Yc=0 (наличие интегральной составляющей гарантирует отсутствие статической ошибки).
-динамическая ошибка – максимальное отклонение от установившегося значения
-степень затухания – разница соседних амплитуд одного знака отнесенная к первой амплитуде
Отсюда . Тогда степень колебательности равна:
Эти же критерии вычисляем для двух других частот.
В результате получим настройки регулятора отраженные в виде таблицы 2.
Таблица 2 Настройки регулятора
При Р =2.379 достигается минимум интегрального квадратичного критерия Iкв=0.00054 а степень колебательности не ниже заданной. Поэтому принимаем за оптимальные именно эти настройки (вторая строка таблицы 2).
Выбор приборов и средств автоматизации
1 Выбор технических средств низовой автоматики
Для достижения цели управления (поддержание качества целевого продукта на постоянном уровне) необходимо регулировать ряд параметров.
Всю систему управления приготовления теста я решил проектировать на оборудовании фирмы SIEMENS в том числе и нижний уровень.
Для контроля температуры в весовом дозаторе муки и в тестомесильной машине предлагается использовать приборы из серии «SITRANS T» – ввинчивающиеся термометры сопротивления низкого давления с соединительной головкой без консоли.
Ввинчивающийся термометр сопротивления низкого давления с соединительной головкой (без консоли) подходит для диапазона температур –50 +400°C и может поставляться также со встроенным измерительным преобразователем температуры. В этом датчике измерительные резисторы заключены в керамический кожух.
Предлагается выбрать термометр сопротивления с одним измерительным резистором Pt100 в этом случае он будет подключен по 3-х проводной схеме.
В данном производстве не предъявляются жесткие требования к взрывобезопасности поэтому используемый термометр сопротивления будет иметь измерительную вставку без взрывозащиты а также обладать монтажной длиной 360 мм. Заказной номер – 7MC1 0 0 6 - 4DA14.
Для преобразования сигнала от термометра сопротивления в унифицированный сигнал 4 20мА используем измерительный преобразователь для монтажа в головку зонда «SITRANS TK-L» который благодаря отказу от гальванического разделения и универсальному подключению сенсоров представляет собой недорогую альтернативу.
Подаваемый с Pt100 (двух- трех- или четырехпроводная схема) сигнал измерения усиливается на входном каскаде. Пропорциональное входной величине напряжение после этого преобразуется в аналого-цифровом преобразователе в цифровые сигналы. В микропроцессоре они пересчитываются в соответствии с характеристикой сенсора и прочими параметрами (демпфирование сопротивлении линии и т.п.). Подготовленный таким образом сигнал преобразуется в цифро-аналоговом преобразователе в подводимый постоянный ток от 4 до 20 мА. Источник питания находится в контуре выходного сигнала. Заказной номер – 7NG3120-0JN00.
Для контроля температуры в трубопроводе для подвода опары с добавками предлагается использовать приборы из серии «SITRANS T» – термометры сопротивления для монтажа в трубопроводы и резервуары.
Термометр сопротивления предусмотрен для установки в резервуары и трубопроводы для измерения температуры с соблюдением гигиенических требований. Имеются распространенные подсоединения к процессу. Благодаря прочной конструкции он может использоваться во многих технологических процессах в пищевой фармацевтической и биотехнической промышленностях. Термометр сопротивления может поставляться также со встроенным измерительным преобразователем. Для этого случая имеется серия измерительных преобразователей с головками различной конструкции. Заказной номер – 7MC8005-1AB20-1CF0.
В качестве измерительного преобразователя и источника питания используем те же приборы что и для термометров сопротивления представленных выше.
Для измерения уровня в бункере весового дозатора муки применяем компактный прибор для непрерывного измерения «The Probe» - компактный ультразвуковой уровнемер для небольших диапазонов измерения идеально подходит для жидкостей и взвесей в открытых и закрытых резервуарах. Благодаря сенсору из ETFE или PVDFа прибор может использоваться в различных областях. The Probe отличается простой установкой и обслуживанием а также быстрым демонтажом для чистки в пищевой и фармацевтической промышленности. Надежность измерения уровня основывается на алгоритмах обработки сигналов Sonic Intelligence. Фильтр выделяет эхо-сигнал от уровня среды отделяя его от ложных отражений которые возникают из-за акустических или электрических шумов и мешалок. Время прохождения ультразвуковых импульсов от материала и обратно проходит температурную компенсацию. Для индикации аналогового выхода и включения реле оно преобразуется в величину расстояния.
простой монтаж программирование и обслуживание;
точность и надежность;
имеются сенсоры из PVDFа или
гигиеническое исполнение;
обработка сигнала с помощью запатентованной программы
встроенная температурная компенсации.
Диапазон измерения 025 до 5 м. Выходной сигнал – 4 20 мА что позволяет не использовать унифицированный преобразователь. Заказной номер – 7ML1201 - 1AE00.
Для измерения расхода используется магнитно-индуктивные расходомеры семейства MAGFLO предназначены для измерения расхода электропроводящих веществ.
Магнитно-индуктивные расходомеры предназначены для измерения практически всех электропроводящих жидкостей взвесей паст и суспензий.
Единственным условием является наличие минимальной электропроводности в 5 Sсм. Температура давление вязкость и плотность не влияют на результат измерения.
Основными сферами применения магнитно-индуктивных расходомеров являются:
воды и сточные воды;
химическая и фармацевтическая промышленность;
пищевая промышленность и промышленность безалкогольных напитков;
горное дело цемент и полезные ископаемые;
сталеплавильная промышленность;
энергетика и холодная вода.
Благодаря многообразию комбинаций и конструкций модульная система обеспечивает идеальное согласование с любой задачей измерения.
В общем случае расходомер MAGFLO в комплекте состоит из измерительного датчика и соответствующего измерительного преобразователя SITRANS F M MAGFLO MAG 5000 6000 или 6000 I.
Как в случае измерения расхода теста на выходе тестомесительной машины так и в случае контроля расхода в трубопроводах для подвода опары и добавок целесообразно обратить внимание на магнитно-индуктивный измерительный датчик MAGFLO MAG 1100 Food специально разработан для использования в пищевой и пивобезалкогольной промышленности.
Основными сферами применения магнитно-индуктивных измерительных датчиков SITRANS F M MAGFLO являются:
пищевая промышленность;
пиво-безалкогольная промышленность;
фармацевтическая промышленность.
Основной особенностью MAG 1100 Food является его уникальные пищевые конструкция и исполнение.
Принцип измерения расхода основывается на законе электромагнитной индукции Фарадея при котором измерительный датчик преобразует расход в пропорциональное скорости протока электрическое напряжение.
Для данного расходомеры имеются диаметры от 10 до 100 мм. Для измерения расхода теста на выходе тестомесительной машины выберем диаметр 80 мм а для контроля расхода в трубопроводах для подвода опары добавок – 25 мм. Кроме того целесообразно будет заказать измерительный датчик со встроенным измерительным преобразователем MAG6000I. Данное модульное исполнение позволяет работать при температуре окружающей среды находящейся в диапазоне –20 +60 °C.
Заказной номер расходомера на тестомесильной машине– 7ME6140-3MA10-1 на трубопроводе - 7ME6140-2ВA10-1CA1.
Для измерения влажности теста я предлагаю использовать Поточный микроволновой влагомер MICRORADAR – 114С так как он обладает наиболее высокой точность и широким диапазоном измерения.
Поточный СВЧ - влагомер MICRORADAR-114С предназначен для непрерывного измерения влажностиплотности бетонных растворов и влажности других жидких сыпучих и пластических материалов в мешалках емкостях бункерах шнеках и трубопроводах в условиях абразивных и агрессивных сред. Прибор выполнен из стойких к истиранию и коррозии материалов имеет шину связи с компьютером и управляется микропроцессором. Простота градуировки и обслуживания обеспечивается ясным и удобным интерфейсом. Принцип действия влагомера основан на измерении величины поглощения СВЧ энергии влажным материалом и преобразовании этой величины в цифровой код соответствующий влажности материала. Влагомер обеспечивает автоматическую коррекцию результатов измерения при изменении температуры материала имеет токовый выход и последовательный канал связи с ЭВМ RS-485.
Сигнал сенсора поступает в микропроцессорный блок обработки в котором происходит вычисление влажности. Величина влажности показывается на индикаторном табло микропроцессорного блока и преобразуется в аналоговые выходы 4-20 мА и 0-5 В. По каналу RS485 влажность температура и сигналы сенсора могут передаваться в компьютер. В комплект поставки прибора входит программа накопления и отображения влажности в реальном масштабе времени что позволяет записывать на компьютер наблюдать хранить и печатать информацию о влажности за любой период времени. Точность измерения влажности от 01 до 1 % в зависимости от диапазона влажности с учетом погрешности пробоотбора и погрешности измерения влажности стандартным методом например сушкой в сушильном шкафу.
Мука в тестомесильную машину подается автоматическим весовым дозатором непрерывного действия. Для данного процесса наиболее подходит высокоточный весовой дозатор для малой подачи MILLTRONICS Weighfeeder 400 фирмы Siemens. Он разработан для взвешивания небольших количеств материала с высокой точностью. Предотвращает образование отложений материала. Стандартные и сантехнические версии. Простой демонтаж ленты для замены или чистки. Быстрый монтаж. Оригинальное натяжное устройство ленты.
скорость ленты: 0.005 0.2 мсек
ширина ленты (номин.): 300 мм
длина загрузкивыгрузки материала: 838 мм
точность: ± 0.25 0.5%
диапазон: 10:1 (на нагрузку) 30:1 (на скорость)
весоизмерительный элемент: весоизмерительная платформа отдельная весоизмерительная ячейка
опции: специальные ленты сантехническое исполнение
двигатель: 0.19 кВт AC или DC двигатели и редукторный двигатель с прямым сцеплением монтаж на вал или через фланец
С целью регулирования влажности теста на линии подачи опары в тестомесильную машину ставим регулирующий пневматический клапан а для подвода к нему унифицированного пневматического сигнала необходимо установить электропневмопреобразователь ЭП3211 со входным сигналом – 4 20мА.
Для питания всех датчиков и унифицированных преобразователей используем модульный блок питания SITOPmodular =24В10A для применения в различных областях промышленности во всех регионах мира. Линейное или фазное входное напряжение с широким диапазоном допустимых отклонений –~120230 500 В. Заказной номер – 6EP1 334-3BA00.
2 Выбор контроллера и станции оператора
Для управления технологическим процессом предлагается применить микропроцессорный контроллер фирмы SIEMENS.
Функциональные возможности автоматизированной системы должны обеспечивать удобство обработки информации и высокую надежность.
Исходными данными при выборе контроллера является информационная нагрузка на канал. Общая информационная нагрузка представлена в таблице 3.
Таблица 3 Информационная нагрузка на систему управления
Вид информационного сигнала
Для решения конкретной задачи я выбрал микропроцессор SIEMENS серии S7-300 а именно 312 модель. Максимальное количество каналов ввода-вывода: дискретных-256 аналоговых-64. CPU 312 имеет рабочую память в объеме 32 кб что будет достаточно для данного технологического процесса.
Все центральные процессоры (CPU) S7-300 характеризуются следующими показателями:
высокое быстродействие;
загружаемая память в виде микрокарты памяти ММС емкостью до 8Mb. (ММС используется для загрузки программы сохранения данных при перебоях в питании CPU хранения архива проекта с символьной таблицей и комментарии а также для архивирования промежуточных данных);
развитые коммуникационные возможности;
работа без буферной батареи.
Заказной номер CPU – 6ES7312-1AE13-0AB0.
Заказной номер MMC на 2Мб – 6ES7953-8LL20-0AA0.
Необходимо также подобрать сигнальные модули (SM) предназначенные для ввода и вывода дискретных и аналоговых сигналов в том числе и со встроенными Ex-барьерами. Поддерживаются отечественные градуировки термометров сопротивления и термопар. Для фиксации подводимых кабелей в сигнальных модулях используются фронтальные штекеры.
один модуль ввода аналоговых сигналов (AI 8 каналов) SM 331 с входным унифицированным сигналом 4 20мА заказной номер – 6ES7331-7NF00-0
один модуль вывода аналоговых сигналов (AO 4 канала) SM 332 с выходным унифицированным сигналом 4 20мА заказной номер – 6ES7332-5HD01-0
один модуль ввода дискретных сигналов (DI 8 каналов) SM 321 с входом по напряжению =24В и с минусом на общей точке заказной номер – 6ES7321-1BH50-0
один модуль вывода дискретных сигналов (DO 8 каналов) SM 322 с выходным сигналом по напряжению =24В релейный выход заказной номер – 6ES7322-1HF10-0AA0.
Для фиксации проводов по которым поступает сигнал к модулям вводавывода используется 2 фронтальных штекера на 20 клемм с контактами-защелками (заказной номер – 6ES7392-1BJ00-0AA0) и 2 на 40 клемм (заказной номер – 6ES7392-1BM01-0AA0).
Для питания модулей принимаем блок питания PS 3075A. Заказной номер – 6ES7 307-1EA00-0AA0.
В условиях нестабильности напряжения на производстве целесообразно поставить блок бесперебойного питания фирмы SIEMENS – DC-UPS 6 А (заказной номер – 6EP1 931-2DC21) с модулем батареи на 12 Ач (заказной номер – 6EP1 935-6MF01).
Для питания контроллера принимаем блок питания PS 307 на 5А со входным напряжением ~120230В и выходным =24В (заказной номер – 6ES7307-1EA00-0AA0). Для обеспечения связи со станцией оператора служит коммуникационный процессор Industrial Ethernet CP 343-1 Lean 10100Мбитс TCP+UDP RJ-45 (заказной номер – 6GK7343-1CX10-0XE0).
CPU блок питания коммуникационный процессор и все модули монтируются на DIN-рейке длиной 830 мм (заказной номер – 6ES7390-1AJ30-0AA0). Выбранная длина DIN-рейки позволяет в случае необходимости расширить линейки модулей вводавывода и тем самым оставляет запас для расширения производства или для устранения неполадок.
Для разработки логики технологического процесса используется инжиниринговый пакет программного обеспечения STEP7v.5.4 с плавающей лицензией (заказной номер – 6ES7810-4CC08-0YA5) а для визуализации и управления со станции оператора используется SCADA-система SIMATIС WinCC v.6.2 RunTime на 128 переменных (заказной номер – 6AV6381-1BC06-2AX0).
В соответствии с рекомендуемыми системными требованиями для вышеупомянутых программных пакетов в качестве СО выбираем промышленный компьютер 19” стоечного исполнения SIMATIC RackPC547B. В стандартном исполнении этот компьютер имеет следующую конфигурацию:
процессор – Core 2 Duo E6600(2.4 ГГц);
жесткий диск – 250 Гб ser
графическая карта встроенная в материнскую плату;
DVDCD-RW – 1648-скоростной;
встроенный Ethernet 10100 Мбитс (RJ 45);
Rack PC полностью отвечают специальным требованиям промышленных применений:
высокая степень электромагнитной совместимости;
соответствие национальным и международным стандартам;
PC99 совместимость и оптимизация для M
непрерывная круглосуточная работа.
Заказной номер – 6AG4104-0AA01-0XX0.
Кроме системного блока заказываем: монитор 19'' Fujitsu-Siemens SCENICVIEWP19-3 USB клавиатуру PS2 TK 200 (заказной номер – 6GF6710-1BА) USB мышь c PS2 адаптером (заказной номер – 6ES7790-0AA01-0XA0) и источник бесперебойного питания IPPON Smart Power Pro 1400ВА.
Операционная система на станции оператора – Microsoft Windows XP Professional SP2.
В случае необходимости представить информацию на бумаге на СО имеется черно-белый лазерный принтер HP LaserJet 1200.
Расчет погрешности измерительного канала
1 Основные сведения для расчета
Измерительный канал состоит из нескольких приборов обработки передачи данных что неизбежно приводит к накоплению погрешностей. В общем случае измерительный канал можно представить как последовательное соединение датчика унифицированного преобразователя и аналогово-цифрового преобразователя микропроцессорного контроллера (рисунок 17).
Рисунок 17 – Блок-схема измерительного канала
Исходные данные для расчета погрешности запишем в таблице 4.
Таблица 4 Исходные данные для расчета погрешности канала измерения
Основная погрешность
Температурная погрешность
Погрешность от влияния изменений напряжения сети
Унифицированный преобразователь
Погрешность коэффициента усиления при изменении
Погрешность смещения нуля при колебании
Таблица 4 Продолжение
При расчете результирующей погрешности канала каждой из составляющих погрешности необходимо приписать соответствующий закон распределения найти среднеквадратическое отклонение и разделить погрешности на аддитивные и мультипликативные.
2 Основная погрешность датчика
Основная погрешность датчика нормирована по паспорту максимальным значением:
Для того чтобы от этого значения перейти к СКО необходимо знание вида закона распределения погрешности.
Примем равномерный закон распределения. Находим по табл. 2.2[9] параметры распределения.
3 Температурная погрешность датчика
Соотношение (–0110 %К) означает что погрешность изменяется на 01% при изменение температуры на 10К. Температура в помещение по условию (20±15С).
Примем нормальный закон распределения. Находим по табл.2.4[9] параметры распределения:
4 Погрешность датчика от колебаний напряжения питания
Эта погрешность является чисто мультипликативной и распределена по тому же закону что и отклонения напряжения сети от своего номинального значения 220В. Стабилизатор снижает размах колебаний напряжений в K = 25раз.
На выходе стабилизатора распределение подчиняется треугольному закону. Находим по табл.2.2[9] параметры распределения:
Среднеквадратическое отклонение для треугольного распределения:
5 Погрешность коэффициента усиления унифицированного преобразователя при измерении напряжения питания
Она является мультипликативной и распределена по треугольному закону вызвана колебаниями напряжения питания (15%) . Ее максимальное значение составляет:
Параметры треугольного распределения (табл. 2.2[1]):
Среднеквадратическое отклонение:
6 Погрешность смещения нуля унифицированного преобразователя при колебаниях температуры
Эта погрешность является аддитивной а закон ее распределения повторяет закон распределения температуры в лаборатории где установлены усилитель и регистраторы. Закон распределения температуры в лаборатории в пределах от18 до 24 °С можно считать равномерным со средним значением 21 °С и размахом ±3 К.
Параметры равномерного распределения (табл. 2.2[1]):
При принятом равномерном распределении температуры и размахом ±3К ее СКО:
7 Основная погрешность аналого-цифрового преобразователя
Нормируется значением: .
Примем равномерный закон распределения. Параметры равномерного распределения (табл. 2.2[1]): Определим СКО:
8 Погрешность смещения нуля аналого-цифрового преобразователя при колебаниях температуры
Проявляется в виде смещения нуля на 01% при изменении температуры на 10 К (-0110 %К). Она аддитивная и при принятом законе распределения температуры размахом ±3 К.
Примем равномерный закон распределения и определим СКО:
Таблица 5 Обобщающая таблица по всем этапам.
Погрешность от колебания напряжения сети
Погрешность коэффициента усиления при изменении напряжения питания
Погрешность смещения нуля при колебании температуры
9 Суммирование погрешностей
Расчет результирующей погрешности канала сводится к вычислению приведенной погрешности при х = 0 которая складывается только из аддитивных составляющих и в конце диапазона которая складывается из всех составляющих.
Выбор метода суммирования (складывать алгебраически или геометрически) зависит от того являются ли суммируемые погрешности коррелированными или независимыми.
9.1 Сложение алгебраически коррелированных погрешностей
После учета коррелированных погрешностей все полученные погрешности можно суммировать как независимые.
9.2 Суммирование аддитивных погрешностей для начальной части шкалы
Аддитивные погрешности:
Сначала суммируем геометрически погрешность датчика и АЦП находим СКО:
На промежуточном этапе суммируем и .
По аналогии с предыдущим определяем начальное СКО:
По рисунку 18 (рис.3-3[9]) кривой 3 определяем энтропийный коэффициент k: .
Рисунок 18 – Зависимость энтропийного коэффициента k от веса дисперсии
Энтропийное значение приведенной погрешности в начале диапазона:
Доверительная вероятность соответствующая полученному значению :
9.3 Расчет погрешности в конце диапазона канала
Для расчета погрешности в конце диапазона канала к полученному значению нужно добавить мультипликативную составляющую .
Погрешность от колебания напряжения питания () распределена по треугольному закону а суммарная погрешность нуля () - по трапецеидальному. Для определения остальных параметров суммарного распределения воспользуемся рисунком 18.
Воспользуемся кривой 2 для суммирования треугольного распределения с дискретным двузначным. Будем считать исходным распределением треугольное а добавленным к нему - трапецеидальное. Тогда нужна нам кривая всегда будет проходить выше кривой 2 на рисунке 18 но она не может быть выше кривой 6 соответствующей нормальному распределению. Узкая полоса между этими кривыми в их начальной части и ограничивает возможное положение нужной нам кривой.
Согласно рисунку 18 значению р = 055 соответствует т.е. распределение оказывается достаточно близким к нормальному.
Энтропийное значение погрешности в конце канала:
Таким образом при оценке погрешностей результатов измерений с вероятностью следует ожидать погрешности и .
Общая формула для вычисления результирующей погрешности измерительного канала при любом х:
гдех - текущее значение измеряемой величины
- конечное значение шкалы измеряемого прибора.
Смета расходов на автоматизацию
В таблице 6 оценена полная стоимость нижнего уровня.
Таблица 6 Общая стоимость приборной конфигурации нижнего уровня
Ввинчивающийся термометр сопротивления низкого давления с соединительной головкой
Термометр сопротивления для монтажа в трубопроводы и резервуары.
Измерительный преобразователь для монтажа в головку зонда «SITRANS TK-L»
Магнитно-индуктивный измерительный датчик MAGFLO MAG 1100 Food со встроенным измерительным преобразователем MAG 6000 I
Частотный преобразователь MICROMASTER 410. Мощность 075кВт
Поточный сверхвысокочастотный влагомер MICRORADAR-114С
Электропневмопреобразователь ЭП3211 с входным сигналом – 4 20мА.
The Probe - компактный ультразвуковой уровнемер
Весоизмерительная платформа весового дозатора муки
ИТОГО по нижнему уровню:
В таблице 7 представлена стоимость верхнего и среднего уровней.
Таблица 7 Общая стоимость среднего и верхнего уровней
Контроллер SIEMENS S7-312рабочая память 32 кб
Карта памяти MMC для МПК на 2 Мб
Модуль ввода аналоговых сигналов (AI 8 каналов) SM 331 с входным унифицированным сигналом 4 20мА
Модуль вывода аналоговых сигналов (AO 4 канала) SM 332 с выходным унифицированным сигналом 4 20мА
Модуль ввода дискретных сигналов (DI 8 каналов) SM 321 с входом по напряжению =24В
Таблица 7 Продолжение
Модуль вывода дискретных сигналов (DO 8 каналов) SM 322 с выходным сигналом по напряжению =24В релейный выход
Фронтальный штекер на 20 клемм с контактами-защелками
Фронтальный штекер на 40 клемм с контактами-защелками
Блок питания PS 307 на 5А со входным напряжением ~120230В и выходным =24В
Блок питания SITOPmodular =24В5A
Блок бесперебойного питания фирмы SIEMENS – DC-UPS 6 А
Модуль батареи для DC-UPS 6 А на 12 Ач
Коммуникационный процессор Industrial Ethernet CP 343-1 Lean 10100Мбитс TCP+UDP RJ-45
DIN-рейка длиной 830 мм
Пакет программного обеспечения STEP7v.5.4
SCADA-система SIMATIС WinCC v.6.2 RunTime на 128 переменных
Промышленный компьютер 19'' стоечного исполнения SIMATIC RackPC547B:
-процессор – Core 2 Duo E6600(2.4 ГГц);
-ОЗУ – DDR SDRAM Dua
-жесткий диск – 250 Гб ser
-DVDCD-RW – 1648-скоростной;
-встроенный Ethernet 10100 Мбитс (RJ 45);
Монитор 19'' Fujitsu-Siemens SCENICVIEWP19-3
Источник бесперебойного питания IPPON Smart Power Pro 1400
Операционная системаMicrosoft Windows XP Professional SP2
Черно-белый лазерный принтер HP LaserJet 1200
ИТОГО по среднему и верхнему уровню:
Итого получаем что общая стоимость составляет 173012 или 65801654руб по курсу ЦБ России от 23.06.10.
Автоматизация технологических процессов является одним из решающих факторов повышения производительности и улучшения условий труда. Все существующие или строящиеся промышленные объекты в той или иной степени оснащаются средствами автоматизации.
Система автоматизации и управления производит сбор и обработку информации с технологического оборудования и выработку управляющих воздействий с целью оптимизации процесса.
Современный уровень развития микроэлементной и вычислительной техники позволяет внедрять высокоточные измерительные приборы и средства контроля что в свою очередь производит к повышению эффективности управления технологическим процессом.
В данной работе была разработана система автоматического регулирования процесса приготовления теста. Был произведен выбор приборов и средств автоматизации с конкретным подбором датчиков и выбором контроллера. Также была составлена математическая модель тестомесительной машины и проведена параметрическая оптимизация регулятора влажности в нем. Для одного из контуров была рассчитана погрешность измерительного канала.
В завершении проекта была приведена смета расходов на автоматизацию.
Информационный каталог по продукции SIMATIC SIEMENS «Компоненты для комплексной автоматизации». 2007.
Методические указания к комплексному курсовому проекту (выпускной квалификационной работе на присвоение степени бакалавра) "Автоматизация технологических процессов и производств". НГТУ: Сост.: С.А. Добротин А.А. Попов Е.В Тараненко. Н.Новгород. 2005.
Моделирование систем автоматического регулирования уровня: Методические указания к лабораторной работе. НГТУ; Сост.: С.А.Добротин А.В. Масленников. Н.Новгород 1997.
Параметрическая оптимизация линейной системы автоматического регулирования. Ч. 2: Расчет оптимальных настроек промышленных регуляторов. Метод указания к лаб. работе по дисциплине «Теория управления». НГТУ; Сост.: А.А. Попов Н.Новгород 2000.
Клюев А.С. Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования: Справочное пособие. - М.: Энергия 1989.
Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: учеб. Пособие. Под ред. П.Г. Романкова -Л.: Химия1981.
Полный каталог по продукции SIMATIC SIEMENS «Компоненты для комплексной автоматизации ST70». 2007.
Технология и техно-химический контроль хлебопекарного производства. Автор: Л. Ф. Зверева 3. С.Немцова Н. П. Волкова. Издательство: Легкая и пищевая промышленность. Год издания: 1983.
Новицкий П.В. «Оценка погрешностей результатов измерений» Ленинград ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ 1991г.

СинтезСАР(мой).dwg

БР-ДПИ-НГТУ -220200.62-09-08-АТХ1
Автоматизация процесса
Simatic S7-200 Siemens
Синтез системы автоматического регулирования
Контур регулирования
БР-ДПИ-НГТУ -220200.62-07-10
автоматического регулирования
Cтрутурная схема САР
Структурная схема объекта моделирования
Qо - объемный расход опары
м3с; сО - влажностьопары
%; Qм - объемный расход муки
м3с; Qт - объемный расход теста на выходе
м3с; СТ - влажность теста на выходе
Уравнение баланса объёмов
Модель объекта в MATLAB
Модель САР влажности
Переходная характеристика объекта при изменении влажности опары на 20%
Модельрегулятора в MATLAB
Переходный процесс в САР влажности