Проектирование и расчет параметров системы автоматического регулирования стерилизации консервов

     - формирование архива термобатиграмм каждой варки консервов с возможностью просмотра и распечатки на принтере;

     - передача информации с щита управления установленного в цехе на компьютер технолога;

     - наблюдение за ходом технологического процесса с компьютера технолога.

     В качестве главного управляющего устройства наиболее подходящим вариантом для  данных условий является программируемый  логический контроллер (ОВЕН ПЛК). Для увеличения его входов и выходов можно применить модули ввода и вывода. На данном устройстве можно построить систему управления любой сложности, а его стоимость незначительно отличается от устройств с гораздо более ограниченными возможностями.

     Схема электрическая функциональная рассматриваемой в работе системы регулирования приведена на рисунке 2.

     Объектом  управления в данной схеме является вертикальный автоклав. Параметры регулирования  – температура и давление, взаимосвязаны  между собой. Потому в системе  предусмотрено два связанных  канала управления по температуре и  давлению.

     Главным управляющим устройством, к которому стекается вся фиксированная информация технологического процесса – является программируемый логический контроллер ПЛК150 (фирма ОВЕН).

     В системе происходит измерение температуры  в автоклаве с помощью термосопротивления. Информация поступает непосредственно на универсальный вход контроллера.

     Кроме температуры внутри автоклава происходит непрерывное измерение рабочего давления при помощи датчика с выходным унифицированным сигналом от 4 до 20 мA. Для исключения аварийной ситуации в режиме охлаждения, когда происходит слив горячей воды и заполнение автоклава холодной водой, в магистраль холодной воды установлен датчик давления, который контролирует необходимый напор воды в магистрали холодного водоснабжения. Если напор воды упадет ниже допустимого, то система выдаёт сигнал для оператора. Оператор в свою очередь закрывает кран, соединяющий автоклав с магистралью холодного водоснабжения, и подключает на данный вход автоклава магистраль с водой из запасного резервуара. Тем самым охлаждение будет продолжаться и не произойдёт уменьшение уровня давления в автоклаве. Цикл работы автоклава продолжится по той же программе. Информация с датчиков давления поступает на унифицированные входа контроллера. По желанию заказчика существует возможность выполнить контроль необходимого давления так же на магистрали подачи пара и воздуха с выполнением системой необходимых действий при аварийных ситуациях.

     В качестве модуля управления выходными  устройствами выбран модуль выхода управляющий МВУ8 (фирма ОВЕН). Связь между контроллером и модулем расширения выходов МВУ8 осуществляется по промышленному сетевому интерфейсу RS-485.

     Для отображения информации техпроцесса  непосредственно на объекте (пульте оператора) используется панель оператора ИП320 (фирма ОВЕН). Связь между контроллером и цифровой панелью ИП320 осуществляется так же по сетевому интерфейсу RS-485.

     Передача  данных и управление с верхнего уровня производится по интерфейсу Ethernet. В качестве SCADA-системы для визуализации, архивирования и управления процессом использована среда программирования CoDeSys (рисунок 3). По желанию заказчика может использоваться любая другая SCADA-система.

     Управление  каналами регулирования температуры  и давления выбрано непрерывное (линейное) для обеспечения нужной точности регулирования – неравномерность  температурного поля 2 0С, давления 0,02 МПа. Таким образом, управление исполнительными механизмами производится с МВУ8 непрерывно изменяющимися сигналами от 4 до 20 мA.

     В качестве исполнительного механизма  выбран мембранный односедельный пневматический клапан с пневмопозиционером (для увеличения точности регулирования). Выбор данного устройства мотивирован его быстротой срабатывания и высокой чувствительностью к управляющему сигналу. Электрические исполнительные механизмы (с электроприводом) в этом отношении значительно проигрывают.

     Так как исполнительные механизмы являются пневматическими, то для преобразования стандартного электрического сигнала 4-20 мA в пневматический 0,02-0,1МПа (для управления мембранным исполнительным механизмом) в схеме используются электропневматические преобразователи ЭПП.

     

     ПК - персональный компьютер; ИП320 - цифровая панель оператора; ПЛК - программируемый  логический контроллер; МВУ8 - модуль вывода управляющий; ЭПП1-ЭПП4 - электропневматический  позиционер; МИМ1-МИМ4 - клапан с пневматическим мембранным исполнительным механизмом; ВЗ - вентиль запорный; ДТ - датчик температуры; ДД1-ДД2 - датчик давления.

     Рис.2. Функциональная схема системы управления автоклавом

     Таблица 1. Состав системы автоматического  управления автоклавом

 

     Внешний вид щита системы автоматического  управления автоклавом приведён на рисунке 4.

     В заключение важно отметить, что проекты  полностью ориентированы на требования по точности и надёжности, предъявляемые  к оборудованию для стерилизации (пастеризации) консервов. Проект требует  минимальные расходы на покупку  оборудования и его установку, что, в свою очередь, делает его экономически целесообразным к внедрению на производстве. Современное оборудование и новые методы автоматического управления делают разработанную систему надёжной и удобной в эксплуатации. Использование данной системы управления позволит снизить брак продукции и облегчает труд обслуживающего персонала. 

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ПИ  – регулятор 

     В ПИ-регуляторе только постоянная дифференцирования равна нулю.

     ПИ-регулятора можно получить, если отбросить правую ветвь АЧХ с наклоном +19 дБ /дек. При этом сдвиг фаз на частотах выше 1 Гц не превысит уровень 0°. Таким образом, ПИ-регулятор имеет два существенных положительных отличия от И-регулятора: во-первых, его усиление на всех частотах не может стать меньше К, следовательно, увеличивается динамическая точность регулирования, во-вторых, по сравнению с И-регулятором он вносит дополнительный сдвиг фаз только в области низких частот, что увеличивает запас устойчивости замкнутой системы. Оба фактора дают дополнительные степени свободы для оптимизации качества регулирования. В то же время, как и в И-регуляторе, модуль коэффициента передачи регулятора с уменьшением частоты стремится к бесконечности, обеспечивая тем самым нулевую ошибку в установившемся режиме. Отсутствие сдвига фаз на высоких частотах позволяет увеличить скорость нарастания управляемой переменной (по сравнению с И-регулятором) без снижения запаса устойчивости. Однако это справедливо до тек пор, пока пропорциональный коэффициент К не станет настолько большой, что увеличит усиление контура до единицы.

     Следует отметить, что в отличие от П-регулятора, в котором ошибка остается в установившемся режиме, наличие интегрального члена в ПИ-регуляторе сводит эту ошибку в идеальном регуляторе до нуля, как в И-регуляторе.

     Однако  появление пропорционального коэффициента приводит к затягиванию переходного процесса по сравнению с И-регулятором.

     Достоинства и недостатки ПИ – регуляторов.

     Недостатки: в переходных режимах с ПИ-регулятором  трудно обеспечить апериодический процесс  при допустимых динамических отклонениях.

     Достоинства: Колебательность процесса исчезает с П-регулятором, однако этот регулятор не обеспечивает высокой статической точности, т. е. уступает по этому показателю ПИ-регулятору.

     Функциональная  схема схема ПИ – регулятора представлена на рисунке 2.

       

     Регулятор ПР 3.3.1 

     Устройство  регулирующее пневматическое пропорционально-интегральное типа ПР 3.31 предназначено для стабилизации параметров технологических процессов по ПИ-закону регулирования.

     Действие  устройства основано на принципе компенсации  сил.

     Устройство  входит в систему пневматических регуляторов "Старт" и применяется  в АСУТП в химической, нефтяной, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.

     Устройство  построено на элементах УСЭППА (универсальной  системы элементов промышленной пневмоавтоматики).

     Оно состоит из элементов аналоговой техники: пятимембранного и трехмембранного элемента сравнения, повторителя-усилителя мощности, повторителя, регулируемых и нерегулируемых пневмосопротивлений, емкостей. Кроме того в регулятор входят дискретные элементы - выключающие реле.

     Все элементы монтируются на плате из органического стекла с помощью винтов. Связь между элементами осуществляется через отверстия в них и каналы в плате.

     К штуцерам внешних пневмолиний элементы устройства подключаются гибкими трубками, причем на диске возле трубок и у соответствующих им штуцеров стоят одинаковые цифры. Плата крепится на рамке винтами, рамка монтируется на основании. Кожух, выполненый из полистирола, фиксируется винтом.

     Технические характеристики Пневматического регулирующего  прибора ПР3.31:

     Принципиальная  схема регулятора представлена в  приложении 1.

 

     Манометрический термометр с пневмовыходом 

     Эти приборы служат для измерения  температуры от -120 до +600 °С. В зависимости  от рабочего вещества замкнутой системы  манометрические термометры подразделяются на газоза-полненные (газовые), система которых заполнена инертным газом (азотом) при начальном давлении 0,98-4,9 МПа (для уменьшения барометрической погрешности), позволяющие измерять температуру в пределах 0-600 °С; жидкозаполненные (жидкостные), система которых заполнена ртутью (при измерении температуры в интервале -30-600 °С) или ксилолом (при измерении температуры в интервале -40-200°С) при начальном давлении 1 47-1,96 МПа, и конденсационные, в которых термобаллон частично (на 2/3) заполнен низкокипящей жидкостью (хлорметилом, хлорэтилом, ацетоном и др.), позволяющие измерять температуру в интервале -25- 250 °С (давление насыщенного пара в системе термометра изменяется непропорционально изменению температуры, поэтому шкала конденсационного прибора получается неравномерной).

     Промышленностью выпускаются манометрические термометры различных типов: показывающие газовые и жидкостные (ТПГ4, ТПЖ4), показывающие газовые и жидкостные с пневматической и электрической дистанционными передачами, преобразующими температуру в унифицированный пневматический или электрический сигнал (ТПГ4-\П, ТПЖ4-У1), показывающие и сигнализирующие газовые и парожидкостные (ТПГ-СК, ТПП-СК), самопишущие газовые и жидкостные с пневматическим регулирующим устройством (ТГ-711Р, ТЖ-711Р). Основная погрешность манометрических термометров составляет ±0,5-2,5.

     На  рис. 3-4 показана схема манометрического термометра. Прибор состоит из термобаллона 6, капиллярной трубки 5, трубчатой одновитковой или многовитковой пружины ), держателя 4, поводка 2, зубчатого сектора 3. Термобаллон, капилляр и трубчатая пружина образуют замкнутую термосистему, заполненную рабочим веществом. Пои измерениях термобаллон помещают в контролируемую среду. При нагревании термобаллона давление рабочего вещества внутри^ замкнутой системы увеличивается. Увеличение давления воспринимается трубчатой пружиной, свободный конец которой отклоняется и через передаточный механизм перемещает перо или стрелку по шкале, которая градуируется непосредственно в градусах. 

     

     Термобаллон представляет собой стальную или латунную трубку, с одного конца закрытую, а с другого соединенную с капилляром. Капилляр изготовляют из медной или стальной трубки с внутренним диаметром 0,15-0,5 мм и длиной до 60 м. Снаружи он защищен от механических повреждений оцинкованной стальной оплеткой.