Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Метод выпаривания используется для удаления избыточной воды, путем нагревания воды в вакууме. Это позволяет увеличить концентрацию сахаров в соке и уменьшить его объем. Повышение содержания сахаров и кислот действует угнетающе на жизнедеятельность микроорганизмов, т.е. мы получаем готовый консервированный продукт. Сроки хранения составляют 180 суток при температуре +5 градусов Цельсия. При данной температуре максимальный срок хранения свежевыжатого сока составляет 24 часа, что очень осложнило бы производство. Уменьшение объема продукции уменьшает экономические затраты на тару, в которой хранится сок, и на транспортировку [1].

Содержание сухих растворимых веществ в свежевыжатом яблочном соке составляет порядка 12%. Путем концентрирования сока методом выпаривания долю содержания сухих растворимых веществ можно повысить до 70-75% [2].

Выпаривание воды сопровождается сложными физико-химическими изменениями. Меняются основные свойства продукции. Поэтому подбор режимов и условий данного технологического процесса является важнейшей работой в создании устройств для концентрирования продукции.

В данной работе в качестве объекта управления рассматривается пластинчатый одноступенчатый выпарной аппарат, который применяется для концентрирования осветленного яблочного сока.

Цель проекта – повышение качества готовой продукции, улучшение эффективности работы за счет модернизации существующей системы автоматического управления.

За счет применения системы автоматического управления можно получать на выходе концентрат с одинаковым содержанием сухих растворимых веществ. Это повысит качество выпускаемой продукции и облегчит работу предприятия.

Основная задача системы автоматического управления заключается в обеспечении устойчивости и стремлении к увеличению концентрации сока с сокращением потребления. За счет ее применения можно получать на выходе концентрат с одинаковым содержанием сухих растворимых веществ. Это может повысить эффективность производства и качество продукции, а также снизить экономические затраты.

1. Цели и задачи

Цель создаваемой системы – повышение эффективности процесса получения концентрата за счет разработки системы автоматического управления выпарной установкой, что позволит повысить качество рассматриваемого процесса при одновременной экономии ресурсов.

Для реализации поставленной цели необходимо:

- получать информацию о значениях основных технологических параметрах выпарной установкой: концентрации готового продукта; концентрации исходного продукта; уровне жидкости в аппарате; расходах греющего пара, исходного продукта на входе и готового продукта на выходе аппарата; температуре концентрата на выходе аппарата;

- осуществлять вычисление и реализацию необходимых алгоритмов управления при использовании текущей информации о значениях технологических параметров выпарной установки и вычислять необходимые управляющие воздействия;

- производить выдачу полученных управляющих воздействий через исполнительные механизмы и регулирующие.

Для разработки системы автоматического управления процессом концентрирования, необходимо решить следующие задачи:

1. Произвести анализ процесса концентрирования яблочного сока методом выпаривания как объекта автоматического контроля и управления.

2. Разработать концепцию построения САУ.

3. Получить математическое описание элементов САУ процессом концентрирования, с использованием которого произвести выбор и настройку требуемых типовых законов регулирования.

4. Разработать функциональную схему системы автоматического управления процессом концентрирования, на основании которой осуществить выбор необходимой элементной базы и получение структурной схемы комплекса технических средств.

2. Характеристика и особенности процесса концентрирования яблочного сока методом выпаривания

Вакуумно-выпарная установка (выпарная станция) – это оборудование для термического удаления части воды из фруктовых соков в условиях вакуума при температурах, ниже температуры кипения воды при атмосферном давлении [3].

Выпарная установка кроме выпарного аппарата включает в себя вспомогательное оборудование – сборники, насосы, регулирующие клапаны и т.д.

Рассмотрим описание технологического процесса выпаривания в однокорпусной выпарной установке на рисунке 2.1

Схема технологического процесса выпаривания

Рисунок 2.1 – Схема технологического процесса выпаривания

Исходный продукт подаётся на выпаривание в однокорпусный выпарной аппарат 2 из сборника 1 центробежным насосом Н1. Выпарной аппарат обогревается водяным паром давлением 200 кПа. Концентрированный продукт откачивается в сборник 3 центробежным насосом Н2.

Расход концентрированного продукта должен составлять 4т/ч, доля содержания сухих растворимых веществ = 70%. Доля содержания сухих растворимых веществ в исходном продукте составляет примерно 20%. Соответственно, необходимо выпарить 50% воды. Тогда номинальное значения расхода исходного продукта = 8 т/ч. Исходный продукт подаётся в аппарат с температурой 20 градусов, нагревается паром до 60 градусов. Расход греющего пара составляет 1,1 т/т испаренной воды [4]. Воды испаряется 4 т/ч, соответственно, номинальное значение расхода греющего пара будет 4,4 т/ч. Номинальный уровень жидкости в аппарате 3 м.

Основным показателем качества процесса концентрации яблочного сока методом выпаривания является концентрация (доля содержания сухих растворимых веществ) готового продукта.

Продукт, поступивший в аппарат, нагревается паром до 60 градусов и откачивается в сборник независимо от других показателей качества. Тем самым, на выходе можно получить продукт с разными значениями концентрации [5].

Расход исходного продукта оказывает влияние на скорость протекания процесса концентрации, уровень жидкости в выпарном аппарате, расход и концентрацию готовой продукции

Концентрация готового продукта также зависит от концентрации исходного продукта на входе. Этот показатель зависит от сорта и качества используемого сырья (яблок). Но изменения его значения достаточно малы, что позволяет придерживаться заданного значения в 20% и считать, что данный показатель не оказывает влияния на качество готовой продукции.

Поддерживать показатели качества концентрата возможно путем изменения расхода греющего пара.

Для обеспечения эффективной работы выпарной установки необходимо поддерживать требуемый уровень жидкости в аппарате. На уровень жидкости оказывает влияние расход исходного продукта (сока). Регулируется уровень расходом готового продукта (концентрата).

Во время процесса выпаривания на выходе также образуются конденсат и вторичный пар, которые отдельно отводятся из системы [6].

Рассматриваемый выпарной аппарат, предназначенный для концентрирования яблочного сока, имеет следующие характеристики:

- концентрация исходного продукта на входе выпарного аппарата – 20%;

- концентрация готового продукта на выходе выпарного аппарата – 70%;

- расход исходного продукта на входе выпарного аппарата – 8 т/ч;

- расход готового продукта на выходе выпарного аппарата – 4 т/ч;

- расход греющего пара на входе выпарного аппарата – 4,4 т/ч;

- температура исходного продукта на входе выпарного аппарата - 20 град.;

- температура готового продукта на выходе выпарного аппарата - 60 град.;

- уровень жидкости в аппарате – 3 м.

3. Текущие результаты работы

3.1 Обоснование принятого направления решения задачи

Выполненный анализ существующей системы автоматизации выпарной установкой выявил следующие существенные ее недостатки: низкая эффективность САУ концентрацией и САУ уровнем жидкости в баке выпарного аппарата; отсутствие канала управления по возмущению в САУ уровнем жидкости; не учитываются перекрёстные связи в САУ концентрацией и САУ уровнем жидкости; применение старых принципов управления. Для устранения этих недостатков предлагается следующее направление решения поставленной задачи автоматизации рассматриваемого объекта – выпарной установки для концентрации яблочного сока.

Система автоматического управления процессом концентрации яблочного сока предлагается реализовать из двух, одинаковых по структуре, подсистем:

- САУ концентрацией готового продукта предлагается реализовать с использованием комбинированного принципа управления. Система управления изменяет расход греющего пара Fп пропорционально изменению концентрации на выходе Qк, также учитывая возмущения в виде расхода исходного продукта Fс, его исходной концентрации Qс и расхода готового продукта Fк на выходе выпарной установки. Контроль управляемой переменной – концентрации на выходе, задающего воздействия – расхода греющего пара и возмущающих воздействий: расхода сока Fс, его исходной концентрации Qс и расхода концентрата Fк осуществляется соответствующими датчиками: датчиками концентрации исходного и готового продукта и датчиками расхода греющего пара, сока и концентрата. Необходимое в процессе управления изменение расхода греющего пара осуществляется регулирующим органом – регулирующим клапаном греющего пара, который приводится в движение исполнительным механизмом – электроприводом регулирующего клапана.

- САУ уровнем жидкости также предлагается реализовать с использованием комбинированного принципа управления. Система управления изменяет расход концентрата Fк пропорционально изменению уровня жидкости L, также учитывая возмущения в виде расхода исходного продукта Fс и расхода греющего пара FП. Контроль управляемой переменной – уровня жидкости, задающего воздействия – расхода концентрата и возмущающих воздействий: расхода сока Fс и греющего пара FП осуществляется соответствующими датчиками: датчиком уровня, датчиками расхода греющего пара, сока и концентрата. Необходимое в процессе управления изменение расхода концентрата осуществляется регулирующим органом – регулирующим клапаном расхода концентрата, который приводится в движение исполнительным механизмом – электроприводом регулирующего клапана.

3.2 Структурная схема технических средств системы автоматического управления

Структурные схемы комплексов технических средств (КТС) САУ конкретизируют технические решения, принятые при разработке систем управления. Для более полного описания и понимания вопросов функционирования САУ выпарной установкой, а также целенаправленного выбора технических элементов САУ, получена структурная схема комплекса технических средств, которая приведена на рисунке 3.1.

Исходя из структурной схемы технических средств (рис.3.1) в проектируемой САУ выпарной установкой существует три уровня иерархии:

– нижний уровень – уровень технологических датчиков и исполнительных механизмов, в который входят подключаемые к аналоговым входам программируемого логического контроллера (ПЛК) датчики – датчик расхода сока, датчик расхода греющего пара, датчик расхода концентрата, датчик уровня жидкости, датчик концентрации сока, датчик концентрации готового продукта (концентрата), датчик температуры концентрата, датчик уровня жидкости, а также подключаемые к аналоговым выходам ПЛК исполнительные механизмы – электропривод регулирующего клапана подачи пара, электропривод регулирующего клапана подачи концентрата;

– средний уровень – уровень устройств управления, функции которого в разрабатываемой САУ выполняет программируемый логический контроллер;

– третий уровень – уровень человеко-машинного интерфейса, функции которого в разрабатываемой САУ реализует панель оператора.

Структурная схема технических средств САУ выпарной установкой

Рисунок 3.1 – Структурная схема технических средств САУ выпарной установкой

3.3 Функциональная схема технических средств системы автоматического управления

На основании принятого направления решения задачи, структурной схемы технических средств САУ и сформулированных функций контроля и управления разработана функциональная схема системы автоматического управления выпарной установкой, которая приведена на рисунке 3.1. Спецификация условных обозначений в функциональной схеме (рис. 3.1) представлена в таблице 3.1.

Функциональная схема САУ выпарной установкой

Рисунок 3.2 – Функциональная схема САУ выпарной установкой

Таблица 3.1 – Спецификация к функциональной схеме САУ выпарной установкой

Спецификация к функциональной схеме САУ выпарной установкой

Заключение

Произведена разработка системы автоматического управления процессом концентрации яблочного сока методом выпаривания. Разработана функциональная схема САУ выпарной установкой и выбраны элементы для ее технической реализации с использованием современной элементной базы. Разработана и представлена структурная схема комплекса технических средств САУ выпарной установкой.

Таким образом, выбранный комплекс технических средств САУ с синтезированными регуляторами позволяют полностью реализовать необходимые функции контроля, управления и защиты выпарной установки.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: май 2025 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Самсонова А.Н. Фруктовые и овощные соки (Техника и технология) / Самсонова А.Н., Ушева В.Б. – 2е изд. Москва: Агропром издат, 1990. – 287 с.
  2. Шобингер У. Фруктовые и овощные соки, научные основы и технологии / пер. с нем. под общ. науч. ред. А.Ю. Колеснова, Н.Ф. Берестеня и А.В. Орещенко. Санкт-Петербург: Профессия, 2000. - 640с.
  3. Игнатович Э. Химическая техника. Процессы и аппараты. Москва: Техносфера, 2007. - 552 с.
  4. Гунич, С.В. Математическое моделирование и расчет на ЭВМ химико-технологических процессов: Учебное пособие. / С.В. Гунич, Е.В. Янчуковская –Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. – 216 с.
  5. Технология консервирования / Э.С. Гореньков, А.Н. Горенькова, и др. Учебник. — Москва: Агропромиздат, 1987. — 354 с.
  6. Беспалов А.В. Системы управления химико-технологическими процессами / Беспалов А.В., Харитонов Н.И. Москва: Академкнига, 2007. — 690 с.
  7. ГОСТ Р 52185-2003. Соки фруктовые концентрированные. ТУ: нац. стандарт РФ : утв. и введ. в действие Постановлением Госстандарта России от 29 декабря 2003 г. № 415-ст. : введ. впервые : дата введ. 2007-02. – Москва : Стандартинформ, 2007. – (Система стандартов по информ., библ. и изд. делу). – Систем. требования: Acrobat Reader. – Загл. с титул. экрана.
  8. Лукас В. А. Теория управления техническими системами. Учебный курс для вузов – Третье издание, переработанное и дополненное – Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2002. – 675 с.
  9. Дорф Р. Современные системы управления / Дорф, Р., Бишоп Р – Москва: Лаборатория Базовых Знаний, 2002. – 832 с.
  10. Иванова Г.В. Автоматизация технологических процессов основных химических производств: Методическое пособие. Часть 1 / СПбГТИ(ТУ). – Санкт-Петербург, 2003.- 70с.
  11. А. Ф. Фан-Юнг. Технология консервированных плодов и овощей / А. Ф. Фан-Юнг, Б. Л. Флауменбаум, А. К. Изотов - Москва: «Колос», 1993. – 320 с.
  12. Васильев В.Н. Состояние и перспективы развития прецизионных электроприводов комплексов высокоточных наблюдений / В.Н. Васильев, В.С. Томасов и др. Известия высших учебных заведений. Приборостроение , 2008, № 6. Т. 51 - С. 5–12.
  13. Денисенко В. ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации/ В. Денисенко - СТА 1. «В записную книжку инженера». 2007 №1 часть 2 - С.78 - 88.