Автоматическая система регулирования концентрации виноградного сока

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассматривается автоматическая система регулирования концентрации виноградного сока. Экспериментально получена переходная характеристика выпарного устройства, определены динамические характеристики объекта регулирования, дана оценка качества регулирования и определена устойчивость замкнутой АСР.

ABSTRACT

This paper considers an automatic system for regulating the concentration of grape juice. The transition characteristic of the evaporation device was experimentally obtained, the dynamic characteristics of the control object were determined, the quality of regulation was assessed, and the stability of the closed ASR was determined.

Ключевые слова: Концентрация,  выпарное устройство, контроллер, регулирование, апериодическое звено, динамические характеристики.

Keywords: Concentration, evaporation device, controller, regulation, aperiodic link, dynamic characteristics.

Сегодня пищевая промышленность стала одним из ведущих секторов экономики в нашей стране, обладающей большим производственным и сырьевым потенциалом. Эта отрасль вносит огромный вклад в экономику республики и в развитие ее экспортного потенциала.

Бухарские фрукты, особенно виноград, пользуются повышенным спросом благодаря своей сладости и высокому содержанию сахара. Совместное предприятие «Гала-Ривер», созданное частным торгово-производственным предприятием «Континент Инвест» в Бухарской области и ООО «Ривер Инвест» Республики Казахстан, специализируется на переработке винограда. СП «Гала Ривер» является одним из ведущих предприятий в области промышленного производства винограда в стране.

На предприятии в основном выполняется 3 технологических процесса:

Приготовление концентрированного виноградного сока; технологический процесс приготовления сульфасусло; изготовление вина.

Для приготовления концентрированного виноградного сока свежеотжатый виноградный сок осветляют, фильтруют и уваривают (концентрируют) на вакуум-выпарном аппарате для получения 70% виноградного сока. Применение вакуумных выпарных устройств для переработки плодово-ягодных соков дает возможность получать биологически активные продукты в виде обезвоженного сока. На предприятии технологический процесс полностью автоматизирован, но концентрация виноградного сока проверяется в лаборатории. Мы предлагаем измерять концентрацию с помощью концентратомером -рефрактомером K-PATENTS PR-23-A.

Общий принцип действия системы автоматического регулирования концентрации состоит в том, чтобы поддерживать на требуемом уровне концентрацию сока. Объектом регулирования является концентрация виноградного сока в вакуумной выпарной установке.  Концентрация виноградного сока регулируется изменением потока водяного пара, подаваемого в выпарную установку.

Микропроцессорный микроконтроллер Simatic S7-300 был выбран для поддержания концентрации виноградного сока в выпарной установке в диапазоне 65-75%. Контроллер изменяет поток водяного пара, перемещая привод с помощью электродвигателя в зависимости от сигнала датчика.

Объект регулирования – вакуум-выпарная установка:

• параметры регулирования – расход виноградного сока, подаваемого в выпарную установку, температура в выпарной установке, расход подаваемого водяного пара;
• регулируемый параметр – концентрация виноградного сока в выпарной установке;
• внешние воздействия – количество жидкости (воды) в виноградном соке, температура окружающей среды, объем выпарной установки и давление подаваемого водяного пара.

Согласно технологическому регламенту, концентрация виноградного сока в выпарной установке должна поддерживаться в пределах 65-75%.

Используем значения выходной величины для построения графика переходного процесса объекта регулирования. Рассматривая концентрирование виноградного сока как объекта управления, определим его передаточную характеристику.  Анализ данного технологического процесса показывает, что этот объект обладает самовыравниванием.

Ниже, на Рис. 1. приведены переходная характеристика  объекта регулирования – выпарного аппарата, полученная экспериментально при подаче на вход объекта регулирования ступенчатого воздействия.

Рисунок 1. Переходная характеристика объекта регулирования

По этому графику можно определить, что выпарной аппарат представляет собой звено, близкое к апериодическому звену второго порядка. Объект регулирования можно аппроксимировать звеном чистого запаздывания и апериодическим звеном первого порядка, значить передаточная функция объекта регулирования будет иметь следующий вид:

где К - коэффициент усиления объекта;  Т - постоянная времени.

Для того, чтобы определить динамические характеристики объекта регулирования проведем касательную к кривой (к точке перегиба) переходной характеристики.

Рисунок 2. Переходная характеристика выпарного аппарата

Выбор закона регулирования и типа регулятора. Для того, чтобы выбрать тип регулятора необходимо знать:

• статические и динамические характеристики объекта регулирования;
• требования  к качеству процесса регулирования; 
• качество показателей регулятора;
• характер возмущений, влияющие на процесс регулирования.

Динамика регулирования зависит от отношения .  Эффективность компенсации   ступенчатого  возмущения   регулятором достаточно   точно  может характеризоваться величиной   динамического  коэффициента   регулирования  R_d, а быстродействие - величиной времени регулирования.

Для объекта регулирования , поэтому для поддержания основной выходной координаты на заданном значении без статической ошибки закон регулирования должен включать интегральную составляющую. В ПИ регуляторах регулирующий орган перемещается пропорционально отклонению, интегралу и скорости отклонения регулируемого параметра.    

В ПИ регуляторах переходной процесс проходит с 20% регулированием:

K_p=0.7T_o/K_oτ=0.7*17/2*3=17.85;

T₄= τ+0.3T_o=3+0.3*17=8.1;

W(P)=17.85(8.1P+(1/8.1 P));

Для оценки качества регулирования построим динамические и частотные характеристики системы, по которым определим основные показатели качества.

Рисунок 3. Расчетная схема САР

1. Вакуум-выпарной аппарат - объект управления (регулирования), его выходным параметром является концентрация виноградного сока, входной сигнал - изменение расхода водяного пара, передаточная функция объекта управления:       
2. По динамическим свойствам концентратомер - апериодическое звено 1-го порядка, входным сигналом является концентрация виноградного сока, выходным сигналом является унифицированный электрический сигнал:     
3. Передаточная функция регулятора:         W(P)=17.85(8.1P+(1/8.1 P))

4. Передаточная функция исполнительного механизма, который изменяет поток пара:   W_i.m(P)=K₄/T₄P;

Общая математическая модель САР состоит из передаточных функций элементов этой системы.  На схеме датчик, регулятор, исполнительные механизмы соединены последовательно.

Рисунок 4. Структурная схема САР концентрации

Автоматическая система регулирования должна удовлетворять требованию устойчивости, то есть возвращаться к равновесному состоянию после снятия возмущения, нарушившего ее равновесие. Для этого используем критерий Найквиста.

Рисунок 5. Амплитудно-фазовая частотная характеристика

Так как, годограф комплексной частотной характеристики разомкнутой системы не охватывает точку с координатами (-1, i0), система регулирования, устойчивая в разомкнутом состоянии, будет устойчива и в замкнутом состоянии.

Список литературы:
1. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие / А.С. Клюев, Б.В. Глазов, А.Х. Дубровский, А.А. Клюев; Под ред. А.С. Клюева. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: энергоатомиздат, 2000. – 464 с.
2. Остриков, А. Н. Разработка выпарного аппарата непрерывно-циклического действия / А. Н. Остриков, Ф. Н. Вертяков, А. Н. Веретенников, Д. А. Синюков // Вестник Машиностроения. - 2009. - № 3
3. Емельянов, А.А. Исследование режимов выпаривания влаги в вакууме [Текст] /А. А. Емельянов, А. Г. Золотарев, В. В. Долженков, К. А. Емельянов // Матер.VIII Междунар. науч.-технич. конф. «Фундаментальные и прикладные проблемы в машиностроительном комплексе». - Орел; Хельсинки, 2007.
4. Рефрактометр с санитарным датчиком k-patents pr-23-а/[Электронный ресурс] – режим доступа /http://ppm-systems.ru/resources/files/pr23a.pdf.