Автоматизация хлебопекарного производства

Содержание Введение

1. Специальная часть

1.1 Описание технологического процесса изготовления хлебобулочных изделий

1.2 Конструкция хлебопекарной печи туннельного типа

1.3 Разработка функциональной схемы автоматизированной системы регулирования температуры хлебопекарной печи

1.3.1 Разработка общей структуры системы автоматического регулирования температуры в пекарной камере печи и выбор типа регулятора

1.3.2 Описание регулирования температуры подвухпозиционному закону

1.3.3 Построение динамических характеристик системы автоматического регулирования температуры в пекарной камере печи

1.3.4 Разработка общей структуры системы автоматического регулирования разрежения в топке печи

1.3.5 Модель объекта управления САР разрежения в топке печи

1.3.6 Построение динамических характеристик системы

автоматического регулирования разрежения в топке печи

1 .4 Выбор элементов систем автоматического регулирования

1.4.1 Выбор элементов системы автоматического регулирования

разрежения в топке печи

1.4.1.1 Выбор регулирующего прибора

1.4.1.2 Выбор первичных преобразователей разрежения в топке печи

1.4.1.3 Выбор исполнительного механизма

1.4.2 Выбор элементов системы автоматического регулирования температуры в пекарной камере печи

1.4.2.1 Выбор регулирующего прибора

1.4.2.2 Выбор первичных преобразователей системы регулирования температуры в пекарной камера печи

1.4.2.3 Выбор исполнительных устройств

1.5 Система автоматики безопасности печи

1.6 Интерфейсная привязка системы к объекту

1.7 Разработка алгоритма работы системы

2. Безопасность и экологичность проекта

2.1 Анализ потенциально опасных и вредных производственных факторов при эксплуатации проектируемой системы

2.2 Анализ принятых в дипломном проекте инженерно-технических решений, обеспечивающих безопасность при эксплуатации проектируемой системы

2.3 Анализ возможных ЧС и мероприятия по их предотвращению

2.4 Электробезопасность при эксплуатации проектируемой системы

2.5 Охрана окружающей среды

3. Экономическая часть Заключение Список использованных источников

Введение

Автоматизация производства — одно из главных направлений технического прогресса. В связи с развитием автоматики появилась возможность освободить человека от непосредственного участия в производственном процессе. При автоматизации машины уже не только заменяют физический труд человека, но и выполняют функции управления производством. При этом процессы получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов и информации производятся автоматически. В автоматизированном производстве обслуживающий персонал занимается наладкой механизмов и систем управления.

Автоматизация производства подготовлена всем предыдущим развитием науки, техники, технологии и является закономерным продолжением механизации производственных процессов. В то же время автоматизация — это качественно новый этап развития производства. В результате автоматизации увеличивается производительность оборудования, снижается себестоимость, сокращается брак и повышается безопасность работы, улучшается санитарное состояние цехов и т. д.

Интенсивной особенностью автоматизации является её влияние на технологию и оборудование производства. В настоящее время все вопросы создания новой техники решаются комплексно. Технологические процессы и оборудование проектируется с расчетом на максимальную автоматизацию, что позволяет повышать экономичность и моторесурс оборудования.

Технический прогресс в народном хозяйстве тесно связан с автоматизацией.

Автоматическое управление широко применяется и в хлебопекарном производстве. Современные хлебопекарные печи — это полностью автоматизированные объекты, где все операции выполняются без участия человека, а оператор лишь задает в начале выпечки необходимые параметры и следит за исправностью аппаратуры. Автоматические системы управления хлебопекарными печами осуществляют непрерывный контроль и точное регулирование параметров печи, таких как температура в пекарной камере, тяга в топке, а также скорость движения ленточного конвейера сквозь печь, что обеспечивает высокое качество выпускаемой продукции. Немаловажную роль играет также высокая безопасность эксплуатации печи, особенно это касается печей работающих на газе, ведь в большинстве несчастных случаев на производстве главную роль играет человеческий фактор.

1. Специальная часть

1.1 Описание технологического процесса выпечки хлебобулочных изделий Технологическая схема производства хлеба и хлебобулочных изделий включает в себя следующие этапы: хранение и подготовка сырья к производству, приготовление и разделка теста, выпечка и хранение хлеба. На рисунке 1.1 приведена схема производства хлеба на современном хлебозаводе. /1/

Муку доставляют на хлебозавод автомуковозами 1, а дополнительное сырье — автомашинами 2. По трубопроводу 3 мука поступает в силосы для хранения 4. Для очистки транспортирующего воздуха от мучной пыли установлены фильтры 5, 10, 14. Затем роторными питателями 6 мука из силосов направляется в промежуточную емкость 7, которая находится над просеивателем 8, и далее синековым питателем 9 в промежуточную емкость 11. После взвешивания на автовесах 12 мука ссыпается в бункер 13, а затем по мукопроводу поступает в производственный бункер 15. Вода подготавливается в водомерных бачках 16, а дополнительное сырье в виде растворов — в сборниках 17, 18, 19, 20. Для теста в тестомесительную машину 26 бункерного тестоприготовительного агрегата 29 дозатором 25 отмеривается мука, а из бачков постоянного уровня 21, 22, 23, 24 дозатором 27 подаются растворы дополнительного сырья. Выброженное тесто питателем 28 направляется в тестоделитель 30, откуда в виде отдельных кусков, определенной массы транспортерами 31, 33 — в округлитель 32, а затем в закаточную машину 34. Укладчиком-манипулятором 35 тестовые заготовки перекладываются в формы на люльки расстойного шкафа 36. Расстоявшиеся заготовки транспортером 37 подаются на под туннельной печи 38. Выпеченный хлеб сборным транспортером 39 направляется на распределительный транспортер 40 или тележку 48. С помощью устройств для ориентирования 41 хлеб поступает на хлебоукладочный агрегат 42, откуда на полки контейнеров 43.

Рисунок 1.1- Схема производства хлеба на современном производстве

Для подсортировки заказов торговой сети служит комплектующая тележка 45. Загруженные контейнеры собираются в накопителях 44, откуда они перемещайся загрузочным конвейером 46 к автохлебовозам, которые с помощью стыковочного механизма 47 крепятся к местам погрузки на рампе экспедиции.

Для каждого сорта хлеба существуют унифицированные рецептуры, в которых указывают сорт муки и расход каждого вида сырья (в кг на 100 кг муки). На их основании лаборатория хлебозавода составляет производственные рецептуры, в которых указывает дозировку муки, дополнительного сырья, растворов, полуфабрикатов на замес одной порции опары (закваски) и теста, в зависимости от мощности завода, его оборудования, принятого способа тестоведения, а также технологический режим приготовления изделий (температура, влажность, кислотность полуфабрикатов, продолжительность брожения, обминок, условия расстойки и выпечки).

Одним из основных мероприятий по выпечке хлеба является его расстойка. Она осуществляется непосредственно перед выпечкой хлебобулочных изделий. Расстойка бывает предварительная и окончательная. Предварительная расстойка — выдержка округленных заготовок из пшеничного теста в состоянии покоя в течении 5−8 мин. Этого времени достаточно, чтобы в куске теста рассосались внутренние напряжения, возникшие в результате механического воздействия на тесто при делении и округлении (явление релаксации).

При расстойке куски теста увеличиваются в объеме, улучшаются физические свойства и структура теста. Предварительная расстойка осуществляется обычно на ленточных транспортерах, проложенных вдоль шкафов окончательной расстойки на уровне 2,5−3м от пола цеха.

Формирование изделий осуществляется на формирующих закаточных машинах сразу после предварительной расстойки. Изделиям придается форма, свойственная данному сорту хлеба: цилиндр с тупыми округлениями по концам для батонов и с заостренными концами для городский булок, жгутики для плетения хал и т. п. Для придания тестовой заготовке цилиндрической формы используются валковоленточные закаточные машины.

Окончательная расстойка необходима в связи с тем, что при формировании из тестовых заготовок почти полностью вытесняется углекислый газ, нарушается пористая структура теста. Для получения хлеба с хорошей пористостью и большим объемным выходом необходимо, чтобы тестовые заготовки «подошли», т. е. увеличились в объеме и приобрели равномерную пористую структуру. Для этого тастовые заготовки и подвергаются перед выпечкой окончательной расстойке. Для изделий из пшеничной муки это вторая расстойка после предварительной.

В отличие от предварительной расстройки, которая проводится при температуре и относительной влажности воздуха, поддерживаемой в цехе, окончательная расстройка осуществляется в специальных расстройных шкафах при температуре 35°-40° и относительной влажности воздуха 75−85%. Весьма важно, чтобы изделия при расстройке не обдувались воздухом во избежание заветривания кусков образования уплотненной корки. Появление корочки желательно, так как она будет сдерживать увеличение объема изделий при расстройке и в начальный период выпечки и вызывает образование на поверхности готовых изделий подрывов и трещин. Окончание расстойки обычно устанавливают по внешнему виду и объему кусков. На автоматизированных линиях регулируется длительность этого процесса. Длительность расстойки колеблется в широком диапазоне от 25 до 120мин в зависимости главным образом от массы кусков и рецептуры теста. Чем меньше масса куска, тем длительнее расстойка. Сдобное тесто расстаивается более длительное время. Чем не сдобное. Повышение температуры (не более 45 °С) и относительной влажности воздуха (не более 90%) сокращает длительность расстойки на 20−30%. Нежелательны недостаточная и избыточная расстойка.

Заключительным звеном приготовления хлеба является выпечка. Изменения характеризующие переход тестовой заготовки в процессе выпечки в хлеб, являются результатом целого комплекса процессов: физических, микробиологических, коллоидных и биохимических. Однако в основе всех процессов лежат физические явления — прогревание теста и вызываемый им внешний влагообмен между тестом — хлебом и паровоздушной средой пекарной камеры и внутренний тепломассообмен в тесте — хлебе.

Физические процессы. В начале выпечки тесто поглощает влагу в результате конденсации паров воды из пекарной камеры; в этот период масса куска теста — хлеба несколько увеличивается. После прекращения конденсации начинается испарение влаги с поверхности. Часть влаги при образовании корки испаряется в окружающую среду, а часть (около 50%) переходит в мякиш. Вследствие этого содержание влаги в мякише горячего хлеба на 1,5 … 2,5% выше содержание влаги в тесте.

Микробиологические и биохимические процессы. В первые минуты выпечки спиртовое брожение внутри теста ускоряется при 35 С (достигает максимума). В дальнейшем брожение затухает и при 50 °C прекращается, так как дрожжевые клетки отмирают, а при 60 °C (приостанавливается жизнедеятельность кислотообразующих бактерий). В результате остаточной деятельности микрофлоры во время выпечки в тесте — хлебе увеличивается содержание спирта, диоксида углерода и кислот, что повышает объем хлеба и улучшает его вкус. Биохимические процессы связаны с изменением состояния крахмала и белков и при температуре 70 … 80 °C они прекращаются. Крахмал при выпечке клейстеризуется и энергично разлагается. Белки при выпечке так же расщепляются с образованием промежуточных продуктов. Глубина и интенсивность расщепления крахмала и белков влияют на характер протекания химических процессов, определяющих цвет корки пшеничного хлеба, его вкус и аромат.

Коллоидные процессы. Белки и крахмал при выпечке претерпевают существенные изменения. При 50. 70 °C одновременно протекают процессы денатурации (свертывания) белков и клейстеризации крахмала. Белки при этом выделяют воду, поглощенную при замесе теста, уплотняются, теряют эластичность и растяжимость. Прочный каркас свернувшихся белков закрепляет форму хлеба. Влага, выделенная белками, поглощается крахмалом. Однако, этой влаги недостаточно для полной клейстеризации крахмала процесс протекает сравнительно медленно и заканчивается прогреве мякиша до 95…97 °С. Клейстеризуясь, крахмальные зерна прочно связывают влагу, поэтому мякиш хлеба кажется более сухим, чем тесто.

Режимы выпечки определяются степенью увлажнения среды пекарной камеры, температурой в различных ее зонах и продолжительностью процесса. Режим выпечки зависит от сорта хлеба, вида и массы изделия, качества теста, свойств муки, а так же конструкции печи. Решающим фактором является масса тестовой заготовки. Продолжительность выпечки колеблется от 8 до 12 минут для мелкоштучных изделий.

Для большинства пшеничных изделий режим выпечки включает три периода. В первый период выпечка протекает при высокой относительной влажности (до 80%) и сравнительно низкой температуре паровоздушной среды пекарной камеры и длится 2.3 мин. Второй период идет при высокой температуре и несколько пониженной относительной влажности газовой среды. При этом образуется корка, закрепляются объем и форма изделий. Третий период — это завершающий этап выпечки. Он характеризуется менее интенсивным подводом теплоты (180 °С), что приводит к снижению к снижению упека.

Упек хлеба это потери массы теста (%) при выпечке, которые выражаются разностью между массами теста и горячего хлеба, отнесенной к массе теста. Около 95% этих потерь приходится на влагу, а остальная часть — на спирт, диоксид углерода, летучие кислоты и др. Упек составляет 6…14% и зависит от формы хлеба: у формового хлеба он меньше, чем у подового. Для снижения упека увеличивают массу хлеба, а на завершенном этапе выпечки повышают относительную влажность воздуха снижают температуру в пекарной камере.

После выпечки хлеб направляют в хлебохранилище для охлаждения, а затем в экспедицию для отправки в торговую сеть.

В хлебохранилище хлеб из печки подается ленточными транспортерами на циркуляционные столы, с которых его перекладывают на вагонетки-стеллажи. На вагонетках хлеб хранится до правки в торговую сеть.

1.2 Конструкция хлебопекарной печи туннельного типа Выпечку хлеба производят в печах различной конструкции. Бывают печи сквозные (посадка тестовых заготовок осуществляется с одной стороны, а выгрузка с противоположенной) и тупиковые (посадка и выгрузка с одной стороны). Многие печи оборудованы автоматическими посадчиками тестовых заготовок и механизмами для выгрузки хлеба.

Печи являются основным технологическим оборудованием хлебопекарного производства, назначение которого — обеспечить выработку высококачественной продукции при соблюдении всех технико-экономических показателей работы (расход пара, топлива, электроэнергии, упек и др.). Вкус, аромат и внешний вид хлеба и булочных изделий в значительной степени зависят от конструктивных достоинств печного агрегата, работы отдельных узлов и правильной эксплуатации печи.

Конвейерные хлебопекарные печи позволяют механизировать и автоматизировать процесс выпечки и использовать на хлебозаводах механизированные поточные линии.

Конвейерные хлебопекарные печи по конструкции пекарной камеры могут быть тупиковыми и туннельными. Тупиковые печи труднее установить в автоматические поточные линии в связи с тем, что в тупиковых печах загрузка тестовых заготовок и выгрузка готовой продукции производится через одно посадочно-выгрузочное отверстие.

Более перспективными являются туннельные конвейерные печи, которые особенно легко автоматизировать и устанавливать в поточные линии.

Туннельные хлебопекарные печи в последнее время получили все большее распространение. Обогрев печей туннельного типа осуществляют с помощью газообразного или жидкого топлива, а кроме того, электрических нагревательных элементов.

Печь устанавливается между агрегатом для окончательной расстойки тестовых заготовок и оборудованием для транспортирования готовых изделий к циркуляционным столам или агрегатам укладки изделий в лотки или расфасовки.

Печь может быть использована в механизированных линиях для производства хлеба и хлебобулочных изделий с автоматической посадкой или как самостоятельный агрегат.

Рассмотрим конструкцию тоннельной хлебопекарной печи с газовым обогревом пекарной камеры на примере печи ПХС-25 установленной на хлебозаводе № 3.

Рисунок 1.2 — Печь хлебопекарная ПХС — 25

Где: 1 — вентилятор рециркуляции; 2 — пекарная камера; 3 — топочное устройство; 5 — предохранительный (взрывной) клапан; 6 — дымовая труба; 7 — горелка.

На рисунке 1.2 показана печь ПХС-25, которая представляет собой металлическую конструкцию, состоящую из пекарной камеры, конвейерного пода с приводным и натяжными механизмами, топочного устройства, системы греющих и распределительных каналов и дымососа (вентилятора рециркуляции).

Пекарная камера представляет собой прямоугольной формы горизонтальный туннель. Верхняя и нижняя стенки пекарной камеры являются одновременно теплоотдающими стенками газовых каналов верхнего и нижнего обогрева камеры (все стенки камеры сделаны из металлических листов небольшой толщины). По нижнему металлическому листу (основанию пекарной камеры) перемещается рабочая ветвь конвейерной металлической сетки, на которой расположены тестовые заготовки.

Холостая (нижняя) ветвь сетки движется в обратном направлении в сторону загрузочного отверстия. Сетка состоит из отдельных спиралей прямоугольной формы, навитых из металлической ленты шириной 2 и толщиной 1 мм, соединенных между собой металлическими прутками диаметром 2 мм. Ширина сетчатого пода составляет 2,1 м.

Приводная станция печи расположена со стороны выгрузки. Станция состоит из трехскоростного электродвигателя, частота вращения которого может составлять 750, 1500 и 3000 об/мин, соединенного клиноременной передачей с редуктором-вариантом; от последнего вращения передается приводному барабану. При частоте вращения двигателя 3000об/мин с помощью вариатора скорости можно регулировать продолжительность выпечки в пределах от 5 до 17мин, при частоте вращения 1500об/мин — в пределах от 17 до 35мин, а при частоте вращения 750об/мин в пределах от 35 до 105мин.

Со стороны загрузки печи расположена станция натяжения сетки конвейера, которая состоит из натяжного барабана и винтового устройства для его перемещения. Со стороны выгрузки расположено также грузовое натяжное устройство.

Для увлажнения поверхности тестовых заготовок в начальном участке пекарной камеры имеется пароувлажнительное устройство, состоящее из металлического колпака, под которым помещены четыре трубы с отверстиями. Излишек пара удаляется из пекарной камеры, к которым примыкают патрубки с заслонками, и систему вентиляционных трубопроводов, присоединенных к вытяжному вентилятору. Последний устанавливают над печью.

Техническая характеристика печи:

— площадь пода — 26,2мІ;

— ширина сетчатого пода — 2100 мм;

— ассортимент выпекаемых изделий;

— хлеб подовый и формовой;

— батоны;

— мелкоштучные хлебобулочные изделия;

— бараночные изделия;

— пряники;

— габаритные размеры;

— длинна — 14 570 мм;

— ширина — 3500 мм;

— высота — 2615 мм;

— масса печи с теплоизоляцией — 21 920 кг Для обогрева пекарной камеры используют металлические каналы небольшой высоты (50мм), расположенные сверху и снизу камеры по всей её ширине и длине. Греющие газы подводятся в каналы и отводятся из них в нескольких местах по длине пекарной камеры с помощью металлических труб диаметром 200 мм.

Все газоходы печи выполнены герметичными и находится под разряжением, создаваемым рециркуляционными вентиляторами.

Технические данные приводных двигателей рециркуляционных вентиляторов:

— тип АО2−51−6

— частота вращения, об/мин 970

— мощность, кВт 5,5

— номинальное напряжение, В 380/220

Рисунок 1.3 — Тепловая схема печи ПХС — 25

Где: 1 — шиберы регулирования разряжения, установленные в вытяжных трубах; 2 — топки первого и второго газового трактов; 3 — вентиляторы рециркуляции, обеспечивающие движение газов по газовым каналам; 4- каналы обогрева пекарной камеры.

Тепловая схема печи ПХС (рисунок 1.3) состоит из двух независимых друг от друга газовых трактов: «зона 1» и «зона 2». Газовый тракт «зона 1» обслуживает входной участок пекарной камеры, а «зона 2» средний и выходной участки. Термоэлектрические преобразователи установлены во входном и среднем участках пекарной камеры, следовательно, температура регулируется только в этих двух участках. Выходной участок пекарной камеры является нерегулируемым. Стрелками на рисунке показаны направления циркуляции греющих газов в газоходах.

В хлебопекарных печах ПХС применена система рециркуляционного обогрева, работающая следующим образом.

Охлажденные до температуры 200−300 °С дымовые газы из каналов поступают во всасывающий патрубок вентилятора. На выходе из нагнетательного патрубка вентилятора поток газов разделяется. Часть газов удаляется в дымовую трубу, другая часть по газоходу возвращается (рециркулирует) на обогрев печи. Эти газы подаются вентилятором в топочные устройства — муфеля (рисунок) температура в которых достигает 1500 °C. Охлажденные газы подогреваются в муфелях, смешиваются в них с горячими газами и снова направляются в каналы для обогрева пекарной камеры.

Из камеры смешения по вертикальному газоходу газы подводятся в верхние и нижние транспортирующие каналы, из которых затем попадают в каналы обогрева пекарной камеры. Из каналов обогрева охлажденные газы отводятся коробом, присоединенным к всасывающему патрубку вентилятора рациркуляции. Цикл замыкается. Второй контур обогрева обслуживает средний и входной участок пекарной камеры. Газы из камеры смешения второго контура, так же как и в первом контуре, поступают в транспортирующие каналы, подводящие газы в каналы обогрева. Охлажденные продукты сгорания отводятся по транспортирующему каналу, который соединен патрубком, подводящим газы к вентилятору рециркуляции. В топке печей ПХС можно сжигать газообразное и жидкое, например дизельное или моторное топливо. Процесс сжигания автоматизирован.

Система обогрева печи ПХС-25 оборудована предохранительными клапанами. Во избежание возможного взрыва несгоревших газов, которые могут оставаться в газоходах печи после выключения горелки, перед очередным розжигом горелок необходимо с помощью вентилятора рециркуляции произвести продувку газового тракта свежим воздухом. При продувке воздух в газовый тракт (в обоих контурах обогрева) засасывается вентиляторами рециркуляции через специальные патрубки для продувки. Пройдя по газоходам, транспортирующим и рабочим каналам, воздух удаляется в дымовые трубы.

Обшивка печи выполнена из металлических листов. Между обшивкой и горячими элементами печи (пекарной камерой, греющими каналами и др.) проложен слой стекло и шлаковаты.

Таким образом, печи марки ПХС, как и вообще печи с рециркуляцией продуктов сгорания, имеют следующие основные преимущества: печь полностью изготовлена из металла; при этом пекарную камеру изолируют слоем небольшой толщины (от 300 до 400мм); разогрев печи длится около 2−3ч.

Применение рециркуляционного обогрева в сочетании с туннельной конструкцией пекарной камеры позволяет организовать температурный режим, который сравнительно легко регулировать по длине камеры. Для обогрева печи применяются инжекторные четырехсопельные горелки среднего давления типа

Г — 1,0 с техническими данными:

— номинальная тепловая мощность, МВт 0.93

— давление газа перед горелкой, ПА 700 — 1000

— давление воздуха перед горелкой, ПА 600 — 1000

— номинальный коэффициент избытка воздуха при номинальной тепловой мощности 1,05

— топливо природный газ

— коэффициент рабочего регулирования горелки, не менее 3

— масса горелки, кг 24

Данный тип горелок относится к горелкам с предварительным смещением. Эти горелки обеспечивают образование газовоздушной смеси, которая сгорает при выходе из горелки в коротком высокотемпературном факеле. Основным преимуществом инжекционных горелок является то, что в них газ высокого давления подсасывает воздух, причем соотношение газ-воздух сохраняется при изменении давления газа, т. е. при изменении количества газа проходящего через горелку. Таким образом, отсутствует необходимость в системе регулирования подачи воздуха.

Основными факторами, характеризующими нормальную работу печи являются разряжение в топках и температура газов «от топок». Разряжение в топках регулируется с помощью шиберов установленных в вытяжных трубах. На всем протяжении работы печи разложение должно оставаться неизменным в пределах 6−8мм. вод. ст. Невозможность установить данное разряжение говорит о не плотностях в системе обогрева либо о большом сопротивлении в дымовой трубе или отводах. Температура газов «от топок» измеряется за муфелем топки (рис. 1.2, разрез А-А, показано жирной точкой) и не должна превышать 550 °C.Превышение данной температуры говорит о не плотностях в системе обогрева.

Строго запрещается эксплуатация печи при отклонении любого из показателей, характеризующих ее нормальную работу.

1.3 Разработка функциональной схемы автоматизированной системы регулирования температуры хлебопекарной печи Так как пекарная камера печи ПХС содержит в себе две зоны выпечки с контролируемой температурой, в которых должна поддерживаться различная температура, то автоматика печи должна включать в себя две абсолютно одинаковые по своему составу системы регулирования температуры: одна для первой зоны, другая для второй.

Также для поддержания устойчивого горения факелов горелок необходимо регулировать разрежения в топках. В данный момент регулирование разряжения в топках печи производится вручную путем изменения положения шиберов установленных в дымоотводящих трубах. Поэтому одной из основных задач является задача автоматизации регулирования разряжения в топках печи.

Таким образом, автоматизированная система регулирования температуры хлебопекарной печи включает в себя две системы: автоматическую систему регулирования температуры в пекарных камерах и автоматическую систему регулирования разряжения в топках печи.

Также система управления хлебопекарной печью должна осуществлять автоматический (по команде) розжиг обеих горелок и контроль безопасности работы всей печи, при нарушении одного из критериев безопасности производить отсечку газа с последующим отключением всего оборудования.

1.3.1 Разработка общей структуры системы автоматического регулирования температуры в пекарной камере и выбор типа регулирования Поддержание заданной температуры в зонах пекарной камеры осуществляется за счет изменения количества газа, подаваемого на горелку. Путем изменения сечения газопровода к горелке.

Процесс управления температурным режимом в печи может осуществляться как непрерывным, так и дискретным способами. Непрерывные методы обеспечивают большую точность регулирования температуры. Однако, для большинства печей, благодаря инерционности самой печи и ее загрузки, изменение температур в ней протекают сравнительно медленно, поэтому соответствие прихода тепловой энергии и ее потребления не является обязательным для каждого момента времени, достаточно, если такое соответствие будет иметь место для средних значений мощностей в определенных интервалах времени, длительностью (в зависимости от требования процесса) от нескольких минут до нескольких секунд. Это значительно упрощает систему регулирования температуры и позволяет в ряде случаев отказаться от непрерывного регулирования ограничившись простым позиционным.

Задача выбора закона управления и типа регулятора состоит в следующем — необходимо выбрать такой тип регулятора, который при минимальной стоимости и максимальной надежности обеспечивал бы данное качество регулирования. Могут быть выбраны релейные, непрерывные или дискретные (цифровые) типы регуляторов.

Для того, чтобы выбрать тип регулятора и определить его настройки необходимо знать:

1. Статические и динамические характеристики объекта регулирования.

2. Требования к качеству процесса регулирования.

3. Показатели качества регулирования для непрерывных регуляторов.

4. Характер возмущений, действующих на процесс регулирования.

Выбор типа регулятора обычно начинается с простейших двухпозиционных регуляторов и может заканчиваться самонастраивающимися микропроцессорными регуляторами. Заметим, что по требованиям технологического регламента многие объекты не допускают применения релейного управляющего воздействия.

Исходными данными к расчету регулятора являются статические и динамические параметры объекта, то есть коэффициент объекта К_об, чистое запаздывание ф_об И постоянная времени Т_об.

Наиболее сложным является определение характеристик печи. Печь представляет собой сложную, многозвенную структуру, звенья которой связанны между собой законами тепло обмена.

В связи с тем, что расчет динамических параметров печи трудоемок и неточен, применяют экспериментальные методы их определения, если речь идет об установленной или монтируемой печи, поскольку зависимость между входной и выходной величиной (переходная характеристика или кривая разгона) легче получить именно таким способом.

При определении динамических характеристик объекта по его переходной характеристике (кривой разгона) на вход подается или ступенчатый пробный сигнал или прямоугольный импульс. Во втором случае преходная характеристика (кривая отклика) должна быть достроена до соответствующей кривой разгона.

Процесс получения передаточной функции объекта, исходя из данных о переходном процессе, называется идентификацией объекта.

При снятии переходной характеристики необходимо выполнить ряд условий, представленных в таблице:

Таблица 1.1 — Условия снятия переходной характеристики

Начальные условия снятия переходной характеристики: в начальный момент необходимо, чтобы система управления находилась в покое, т. е. регулируемая величина Х (например, температура в печи) и управляющее воздействие регулятора Y (выход регулятора на исполнительный механизм) не изменялись, а внешние возмущения отсутствовали. Например, температура в печи оставалась постоянной и исполнительный механизм не изменяет своего положения. Затем на вход исполнительного механизма подается ступенчатое воздействие, например, включается нагрев. В результате состояние объекта начинает изменяться.

Печь является объектом с самовыравниванием. Самовыравниванием процесса регулирования называется свойство регулируемого объекта после нарушения равновесия между притоком и расходом вернуться к этому состоянию самостоятельно, без участия человека или регулятора. Самовыравнивание способствует более быстрой стабилизации регулируемой величины и следовательно, облегчает работу регулятора. При повышении температуры печи увеличиваются ее тепловые потери, поэтому график нагрева носит экспоненциальный характер, в конечном счете, в печи само собой устанавливается положение равновесия.

Процесс изменения параметра X (t) и его переходная характеристика h (t) изображена на рисунке 1.4

Сняв кривую разгона, и оценив характер объекта управления можно определить параметры соответствующей передаточной функции.

Перед началом обработки переходную характеристику (кривую разгона) рекомендуется пронумеровать (диапозон изменения нормированной кривой от 0 до 1) и выделить из ее начального участка величину чистого временного запаздывания ф_d1.

Рисунок 1.4 — Переходная характеристика (кривая разгона) объекта с самовыравниванием.

Определение динамических характеристик объектов по кривой разгона производится методом касательной к точке перегиба переходной характеристики (кривой разгона).

В данном случае точка перегиба соответствует переходу кривой от режима ускорения к режиму замедления темпа нарастания выходного сигнала.

По виду переходной характеристики можно определить динамические свойства объекта: К, Х_уст, ф_d, T, R.

К — динамический коэффициент усиления К = Х_уст/Y

Х_уст — установившееся значение выходной величины (максимальное значение температуры в печи, которое может быть достигнуто при установленной мощности нагревателя).

Т — постоянная времени объекта, может быть определена в соответствии с рисунком.

R — максимальная скорость изменения параметра — наклон переходной характеристики, может быть определена по формуле:

R= Х_уст /T

ф_d — транспортное (динамическое) запаздывание — промежуток времени от момента изменения входной величины Y до начала изменения выходной величины Х. Например, это может быть время после включения нагрева, за которое температура в печи достигнет значения? 0,1 Х_уст.

Чем больше, время полного запаздывания ф_d — тем труднее регулировать такой процесс.

Тип регулятора выбирают исходя из следующих рекомендаций /4/:

Если ф_d /Т < 0,2, то можно выбрать релейный, непрерывный или цифровой регуляторы.

Если 0,2 < ф_d/Т < 1, то должен быть выбран непрерывный или цифровой, ПИ-, ПД-, ПИД — регулятор.

Если ф_d /Т > 1, то выбирают специальный цифровой регулятор с упредителем, который компенсирует запаздывание в контуре управления.

На рисунке 1.5 приведены приближенные (идеализированные) кривые разгона хлебопекарной печи ПХС-25, снятые при минимальной и максимальной мощностях работы горелок. В момент снятия кривой печь не была загружена. Из-за невозможности разогрева печи до установившейся температуры на полной мощности горелки кривые не были сняты полностью. До установившегося значения они были достроены, так как закон изменения температуры уже примерно определился. Также известно, что при минимальной мощности горелки печь может нагреться примерно до 200 °C, а при максимальной мощности установившаяся температура составляет около 800 єС.

Рисунок 1.5 — кривые разгона печи ПХС-25, где 1 — кривая разгона на максимальной мощности; 2 — кривая разгона на минимальной мощности;

Из график определяем постоянную времени Т и запаздывание ф печи:

Т? 100 мин;

ф? 14 мин.

Следовательно ф/Т = 14/100 = 0.14 < 0.2 — выбираем релейный (двухпозиционный) регулятор температуры.

Реализация двухпозиционного метода регулирования значительно проще и дешевле чем плавного. Схема реализации двухпозиционного закона регулирования температуры приведена на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 — Схема реализации двухпозиционного закона регулирования температуры в пекарной камере печи.

Система двухпозиционного регулирования включает в себя следующие элементы:

— датчик температуры Дт;

— регулятор температуры РТ;

— электромагнитные вентили различного сечения: БП и МП.

Поддержание требуемой температуры осуществляется по принципу «малое пламя» — «большое пламя» (полная мощность — чистая мощность). Вентиль МП открыт всегда при работающей печи для того, чтобы снизить величину скачка в подаче газа на горелку. Сигнал о текущей температуре в пекарной камере поступает с термоэлектрического преобразователя на регулятор температуры. При понижении температуры ниже установленной открывается вентиль БП и на горелку поступает газ через оба вентиля (БП и МП), что соответствует максимальной мощности горелки. При достижении заданной температуры вентиль БП закрывается и на горелку поступает только газ с вентиля МП, что соответствует частичной мощности горелки.

1.3.2 Описание регулирования температуры по двухпозиционному закону Двухпозиционные регуляторы обеспечивают хорошее качество регулирования для инерционных объектов с малым запаздыванием, не требуют настройки и простоты в эксплуатации. Эти регуляторы представляют обычный и наиболее широко распространенный метод регулирования.

В простейшем случае (без обратной связи) двухпозиционный регулятор работает как двухпозиционный переключатель.

Структурная схема двухпозиционной системы регулирования приведена на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 — Структурная схема двухпозиционной системы регулирования, где: АР — двухпозиционный регулятор, ОУ — объект управления, SP — узел формирования заданной точки (задания), Е — рассогласование регулятора, PV=Х — регулируемая величина, Y — управляющее воздействие, Z — возмущающее воздействие.

Для предотвращения «дребезга» управляющего выходного устройства (например, реле) вблизи задания SP (слишком частого включения нагревателя), предусматривается гистерезис Н (зона нечувствительности).

Описание работы двухпозиционной системы регулирования температуры в печи может быть представлено следующим образом:

Нагрев включен, пока температура в печи (X=PV) не достигнет значения заданной точки SP.

Выход регулятора Y (нагрев) отключается, если регулируемая величина (температура) выше заданной точки SP.

Повторное включение нагревателя происходит после уменьшения температуры до значения SP-H, т. е. с учетом гистерезиса Н переключательного элемента.

Алгоритм двухпозиционных регуляторов определяется статической характеристикой: зависимостью выходного сигнала Y от входного Х /4/ (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 — Статическая характеристика двухпозиционной системы регулирования Выходная величина Y равна максимальному воздействию — нагрев включен: Y=max при X < SP-H, где Н — значение гистерезиса.

Выходная величина Y равна минимальному воздействию — нагрев выключен: Y=0 при X > SP.

Ширина зоны гистерезиса в современных двухпозиционных регуляторах является единственным программируемым параметром настройки.

Процесс двухпозиционного регулирования является автоколебательным — регулируемая величина, как в переходном, так и в установившемся режимах периодически изменяется относительно заданного значения (рисунок 1.9), т. е. регулируемая величина PV (X) подвержена незатухающим колебаниям. Показателями автоколебательного режима являются амплитуда автоколебаний Ак и период автоколебаний Тк.

Частота и амплитуда колебаний зависят и определяются следующими величинами /4/:

— от времени транспортного запаздывания ф_d;

— от постоянной времени объекта Т (определяется инерционностью объекта);

— от максимальной скорости R изменения параметра Х (определяется по переходной характеристике);

— от величины гистерезиса Н переключательного элемента регулятора.

Рисунок 1.9 — Процесс регулирования с двухпозиционным законом Для объектов с большой инерционностью (большим значением постоянной времени объекта Т) и малым запаздыванием ф_d регулирование происходит с постоянными колебаниями до 5−15% от задания SP.

— Чем больше гистерезис Н, отношение ф_d /Т, R — тем больше амплитуда колебаний Ак.

— Чем больше время запаздывания ф_d и постоянная времени объекта Т — тем больше период колебаний Тк.

Точность регулирования технологического параметра, например, температуры зависит от величины гистерезиса. Чем меньше гистерезис, тем точнее регулирование, но тем чаще включается нагреватель и тем самым больше износ коммутационных элементов (например, реле). Уменьшая гистерезис можно повысить качество регулирования до некоторого предела, определяемого параметрами объекта регулирования (тепловой инерцией, мощностью нагревателя, тепловой связью нагревателя и объекта и др.).

1.3.3 Построение динамических характеристик системы автоматического регулирования температуры в пекарной камере печи Процесс автоматического регулирования температурного режима в печи характеризуется следующими особенностями.

Печь с точки зрения управления представляет собой сложный комплекс, состоящий из нагревателя (системы газоходов и горелки), изделия, термоэлектрического термометра, связанных друг с другом процессами теплообмена, причем каждый из них обладает своей тепловой инерцией, что чрезвычайно усложняет расчет тепловых переходных процессов и анализ динамики процесса регулирования.

Температуры в отдельных частях камеры печи могут различаться. Более того, температура рабочего конца термопары, а следовательно и регулируемая температура будет зависеть от расположения в камере печи. От этого расположения могут зависеть так же качество регулирования, размер колебаний температуры при позиционном регулировании.

Для построения динамических характеристик системы регулирования температуры необходимо ввести допущение: будем считать, что тепловое взаимодействие между зонами пекарной камеры практически не влияет на температуру во второй зоне.

Тогда передаточную функцию объекта управления с достаточной точностью можно представить в виде последовательного соединения апериодического звена первого порядка с запаздывающим звеном:

Где T и ф были найдены ранее из кривой разгона печи.

Передаточная функция объекта также учитывает инерционность термоэлектрического преобразователя.

Коэффициент усиления зависит от мощности горелки и, как и другие параметры системы, находится из кривой разгона печи. При работе системы на полной мощности ее коэффициент усиления равен К1 = 700, так как на этой мощности печь может разогреться максимум до 700 °C. При работе системы на частичной мощности коэффициент усиления К2 = 200.

Как было сказано выше, единственным задаваемым параметром регулятора температуры является его гистерезис (зона нечувствительности). От величины гистерезиса также зависит амплитуда колебаний температуры системы, чем больше гистерезис, тем выше колебания температуры. Поэтому для снижения амплитуды колебаний выбираем минимально возможную (нулевую) ширину зоны гистерезиса. Поэтому в регуляторе задаем только рабочую температуру. Рабочей температурой считается: для первой зоны 01 = 180 °C, для второй зоны 02 = 270 °C.

Разогрев печи до рабочей температуры не рекомендуется проводить от начала до конца на полной мощности. Поэтому сначала разогрев производят на частичной мощности, а затем при достижении температуры 100 °C печь переводят на полную мощность.

В программе структурного моделирования PSM32 моделируем работу автоматической системы регулирования температуры хлебопекарной печи.

При моделировании считаем что Uз = 1, при этом К = 200, для получения К = 700 задание должно составлять X = 3.5, для этого выходное значение регулятора равно 2.5. Так как до 100 °C печь должна нагреваться на малой мощности, то для этого в отрицательную обратную связь вводим релейный элемент с выходным сигналом равным 2.5. При достижении 100 °C релейный элемент отключится и печь вновь встанет на полную мощность. При этом структурная схема приобретает вид изображенный на рисунке 1.10:

Рисунок 1.10 — Структурная схема проектируемой систем

На рисунках 1.11 и 1.12 изображены временные графики представленной системы для первой и второй зон пекарной камеры.

Рисунок 1.11 — Временной график системы регулирования температуры для первой зоны пекарной камеры (заданная температура 220 °С) Цифрой 1 отмечен временной график на выходе системы — зависимость температуры от времени; цифрой 2 отмечен временной график второго сумматора (вход объекта управления).

Рисунок 1.12 — Временной график системы регулирования температуры для второй зоны пекарной камеры (заданная температура 220 °С)

Здесь также цифрой 1 отмечен временной график на выходе системы — зависимость температуры от времени, а цифрой 2 — временной график второго сумматора (вход объекта управления).

Из графиков видно, что колебания температуры в окрестности заданного значения больше в положительную сторону, чем в отрицательную (например рисунок 1.12: амплитуда колебаний составляет 9,6 °С, причем 6,3 °С вверх от заданной и 3,3 °С вниз от заданной температуры). Это связано с тем, что при достижении заданной температуры нагрев не отключается полностью, а лишь уменьшается мощность горелки, поэтому понижении температуры происходит медленнее, чем ее повышение. И запаздывание в системе играет уже меньшую роль. Поэтому уставку регулятора температуры рекомендуется задавать немного ниже необходимой температуры /6/.

Также из графиков видно, что температура в печи поднимается не сразу, а через некоторое время, это обусловлено запаздыванием в системе. Чем меньше запаздывание в печи, тем меньше амплитуда автоколебаний температуры в ней. Запаздывание в системе зависит от типа и места расположения термопары, вида ее защитной арматуры. Поэтому для уменьшения запаздывания рекомендуется использовать термопары без защитных чехлов, а также располагать термопары ближе к нагревателю /6/.

1.3.4 Разработка общей структуры системы автоматического регулирования разрежения в топках печи Автоматическая система регулирования разрежения в топках печи необходима для поддержания постоянным разрежения в топках. По техническим характеристикам печи в топках необходимо поддерживать постоянное разрежение, составляющее примерно 6−8 мм водяного столба, что соответствует 60−80 Па.

Автоматическая система регулирования разрежения предназначена для поддержания наиболее экономичного и безопасного режима сжигания топлива в топке путем регулирования положения шибера, установленного в дымовой трубе.

При отсутствии разрежения пламя факела будет прижиматься, что приведет к обгоранию горелок и нижней части топки. Дымовые газы при этом пойдут в помещение цеха, что делает невозможным работу обслуживающего персонала.

1.3.5 Модель объекта управления САР разрежения в топках печи Регулирование разрежения в топке осуществляется с помощью регулятора, получающего сигнал от датчика разрежения и воздействующего на исполнительный механизм, при помощи которого осуществляется изменение положения шибера установленного в вытяжной трубе.

Структурная схема такой системы изображена на рисунке 1.13:

Рисунок 1.13 — Структурная схема модели системы автоматического регулирования разряжения в топке печи, где: Wpc (p) — стабилизирующий регулятор; Wro (p) — привод поворотной заслонки; Whg (p) — объект регулирования, представляющий собой участок топочного пространства между серединой горелок и местом отбора сигнала по разряжению в топке.

Динамические свойства объекта регулирования характеризуются отсутствием запаздывания, малой инерционностью, самовыравниванием. Особенностью являются небольшие колебания регулируемой величины около среднего значения с частотой несколько герц. Такие низкочастотные колебания обусловлены, в частности, пульсациями расходов топлива и воздуха, кроме того, процесс горения сам является источником высокочастотных колебаний (100−150 Гц), отдельные низкочастотные моды которых могут резонировать.

Таким образом, динамические свойства объекта регулирования, участка топочного пространства печи, с достаточной для практических расчетов точностью могут быть представлены в виде передаточной функцией апериодического звена первого порядка:

где:

Р_Г = 70 среднее необходимое разряжение в топке печи, Па;

Из технологических данных печи полагаем: Т_HG = Зс.

Передаточную функцию привода поворотной заслонки можно представить передаточной функцией апериодического звена первого порядка:

где: k_ПЗ — коэффициент передачи поворотной заслонки;

Т_ПЗ — постоянная времени реакции привода поворотной заслонки, с.

Измерительный преобразователь разряжения в топке печи может быть представлен апериодическим звеном первого порядка, но поскольку его постоянная времени мала по отношению к объекту, то ею можно пренебречь:

где: Р_Г — среднее необходимое разряжение в топке печи, Па.

Номинальное значение задания примем равным 10 В.

Тогда передаточная функция измерительного преобразователя разряжения будет иметь вид:

.

Передаточная функция привода поворотной заслонки будет иметь вид:

.

Передаточная функция участка топочного пространства будет иметь вид:

.

Зная все передаточные функции звеньев, составляющих контур регулирования, рассчитаем передаточную функцию стабилизирующего регулятора.

В силу того, что Т_ПЗ < Т_HG принимаем ее за малую постоянную времени T_µ.

Тогда:

получаем:

Отсюда:

;

где: ф_P = T_HG;

Подставляя числовые значения, получаем:

Тогда передаточная функция стабилизирующего регулятора будет иметь вид:

.

Это передаточная функция ПИ — регулятора.

1.3.6 Построение динамических характеристик системы автоматического регулирования разрежения В программе структурного моделирования PSM32 моделируем работу автоматической системы регулирования разрежения в топке. На рисунке 1.14 представлен временной график этой системы.

Рисунок 1.14 — Временной график регулирования разряжения

1.4 Выбор элементов систем автоматического регулирования

1.4.1 Выбор элементов системы регулирования разрежения в топке печи

1.4.1.1 Выбор регулирующего прибора Для автоматизации системы регулирования разрежения в топках печи выбираем регулятор напора и тяги «УЗОР-Д2».

Для регулирования низких давлений (разрежения) в настоящее время применяется комплекс приборов, состоящий из преобразователей «Сапфир», ДКО или ДТ-2−50 и регулирующего прибора УКР, либо РС-29. Система громоздкая, дорогостоящая, требует квалифицированного обслуживания, нестабильна.

Предлагаемый регулятор «УЗОР-Д2» совмещает функции регулятора и первичного преобразователя, имеет 3 компаратора с выходами на реле, унифицированный токовый выход и интерфейс RS-485 для связи с верхним уровнем иерархии. Позволяет вести регулирование одновременно по двум каналам.

Рисунок 1.15 — Внешний вид измерителя — регулятора «УЗОР-Д2»

Технические данные регулятора «УЗОР-Д2» приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 — Технические данные регулятора «УЗОР-Д2»

Выходной зависит от модификации прибора. Это либо токовый сигнал

4−20мА, либо импульсы пульсирующего напряжения постоянного тока среднего значения 24 В, либо изменение состояния электронного ключа при сигнализации предельных отклонений.