За допомогою одного малоканального багатофункційного програмованого контролера МІК-51 можна автоматизувати достатньо складний типовий технологічний об'єкт харчової промисловості.

Що таке якісна продукція? Що ми розуміємо під категорією якості як такою? Якщо мислити «шаблонно», то точне визначення завжди можна знайти в ДСТУ, а саме: якість визначає відповідність характеристик продукції певним вимогам, що до неї ставляться. У харчовій промисловості питання про випуск якісної продукції постає особливо гостро. У цій статті ми розглянемо деякі нюанси виробництва молочних продуктів, зокрема – процес пастеризації молока.

Рис. 1. Малоканальний багатофункційний програмований контролер

Важливим фактором, що впливає на якість молока і молочної продукції, є його теплова обробка (пастеризація). Пастеризація відбувається при певній температурі (від + 63 °С до температури, близької до точки кипіння), яку система автоматизації повинна підтримувати достатньо точно (у більшості випадків – це ± 1–5 °С). Якщо розглянути найпростіший варіант, то молоко у спеціальному теплообміннику-пастеризаторі підігрівають на водяній парі до потрібної температури і витримують таким чином певний час, а потім спрямовують на подальшу обробку. Температура молока в розглянутому варіанті на практиці буде значно «коливатись», що неминуче позначиться на якості готового продукту.

Річ у тому, що подача пари з котельні на установку буде нерівномірною, оскільки, найімовірніше, проміжною ланкою такого кола є гребінка, куди під’єднання інші установки–споживачі. Тиск пари в магістралі змінюється і, як результат, – змінюється температура молока. Навіть застосування швидкодіючих контурів регулювання тут не допоможе.

Рис. 2 Структура контуру пастеризації  молока

Виходом із ситуації що склалась, може бути використання проміжної ланки у вигляді ще одного теплообмінника. З’ясувалося, що пара гріє воду, а вода, у свою чергу, гріє молоко в пастеризаторі, тобто одержуємо своєрідний буфер, що додасть інерційності у систему. Такий контур значно легше автоматизувати як за допомогою звичайних регуляторів, так і застосовуючи мікроконтролери.

Контур пастеризації молока

У статті йдеться про контур пастеризації молока, що функціонує на Івано-Франківському молокозаводі вже більше двох років. Основою системи автоматизації контуру є МІК-51 (рис. 1) – малоканальний багатофункційний програмований контролер виробництва підприємства «Мікрол». Для складання програми контролера слугує редактор FBD-Програм «Альфа».

Структура контуру пастеризації молока показана на рис. 2. Молоко з резервуара Р-1 насосом Н-3 подається в буферну ємність Б-1, з якої через насос Н-2 надходить у теплообмінник-пастеризатор Т-2. Якщо температура молока на виході пастеризатора становить 95°C, то автоматика повинна перемкнути клапан кільця ДО-2 у положення «1», при якому кінцевий продукт – пастеризоване молоко – буде поданий на вихід з установки. Якщо температура продукту вища або нижча від норми – клапан автоматично перемикається в положення «0», і молоко повертається в буферну ємність Б-1 на повторний цикл проходження через пастеризатор.

Рис. 3 Приклад FDM-програми

Для нагрівання молока до вказаної температури в пастеризаторі використовується послідовний контур. Коротко опишемо суть його роботи. На установку подається водяна пара, що надходить у теплообмінник «пара–вода» (Т-1) і передає тепло воді, що циркулює по замкнутому контуру: насос Н-1 – теплообмінник Т-1 – пастеризатор Т-2 – насос Н-1. Пара через теплообмінник Т-1 передає тепло воді, а вона, у свою чергу, підігріває молоко за допомогою пастеризатора Т-2. Ступінь нагрівання молока визначається положенням регулювального клапана ДО-1, встановленого на лінії подачі пари в теплообмінник Т-1.

Система автоматичного керування зазначеним контуром повинна враховувати безліч нюансів його роботи. Насамперед, точного і швидкого регулювання температури молока на виході пастеризатора не домогтися використанням простого одноконтурного ПІД-регулювання, що пов'язане з інерційністю системи із двох теплообмінників, під’єднаних послідовно.

Ця система є класичним прикладом необхідності використання каскадного регулювання. Саме такий спосіб використовують для контурів, що мають більшу транспортну затримку за каналом регулювання й у яких є можливість вимірювати проміжну координату, що має меншу інерційність.

У такому випадку оптимальним є формування контуру регулювання температури молока зміною подачі пари у теплообмінник Т-1 з врахуванням температури води на вході у пастеризатор Т-2. Приклад контура каскадного регулювання зображений на рис. 3. Слід також враховувати необхідність обмеження виходу регулятора, щоб клапан ДО-1 відкривався поступово, а ідеально – за заданою кривою. Окрім того, система автоматичного керування повинна забезпечувати виконання коректних дій при аварійних ситуаціях на об'єкті. До них належать: реакція на обрив лінії зв'язку датчиків температури пари й води, аварійне перегрівання молока і/або води, перевищення заданої швидкості наростання температури води на вході в пастеризатор.

Вмикання контролера

Усі вимоги, до системи автоматичного керування легко забезпечити автоматизацією об'єкта з використанням контролера МІК-51.

Для увімкнення контролера в контур керування необхідно використати 2 аналогових входи, 1 аналоговий і 1 дискретний виходи. До аналогового входу AI1 під’єднується датчик температури молока на виході з пастеризатора, до входу AI2 – датчик температури води на виході з теплообмінника Т-1. Дискретний вихід DO1 визначає положення клапана кільця ДО-2. Пневматичний виконавчий механізм, який керує положенням клапана ДО-1 на лінії подачі пари в теплообмінник Т-1, через електропневмоперетворювач під’єднується до аналогового виходу AO1 контролера.

На рис. 4 показано приклад FBD-програми для контролера, складеної в редакторі «Альфа». Основним елементом програми є блок каскадного ПІД-регулятора PID_CAS(61) (рис. 5). Блок має 2 входи: PV.M (вхід ведучого регулятора) і PV.S (вхід веденого регулятора).

Вхід PV.M під’єднаний до виходу OUT.SCAL функціонального блока аналогового входу №1 AIN(05), тобто значення температури молока після пастеризатора подається на вхід ведучого ПІД-регулятора. Вхід PV.S під’єднаний до відповідного виходу блока аналогового входу №2, що забезпечує подачу температури води після теплообмінника Т-1 на вхід веденого ПІД-регулятора. Вихід регулятора подається на аналоговий вихід №1 (блок AOT(08)) і на дисплей «ВИХІД» першої панелі індикації (блок USER(63). Крім того, при зниженні температури нижче встановленої границі на виході dMIN блока регулятора з'являється логічна «1», що формує «0» на дискретному виході 1 контролера, забезпечуючи таким чином повернення молока в буферну ємність Б-1.

Обмеження виходу регулятора забезпечує блок формування кусково-лінійної функції LINEAR(52).

Для визначення швидкості нагрівання води використовують блок диференціювання DERIV(18). Значення швидкості порівнюють із заданим (10°С/с) у компараторі CMP(37). У випадку перевищення заданого значення на виході dGR компаратора з'являється логічна «1», що надходить на вхід блоку багатовходового АБО (OR_M(22)), і в підсумку забезпечує повне закриття клапана ДО-1 регулятором, а також формує світлову сигналізацію. Аналогічно функціонують й інші контури аварійного захисту (обрив лінії датчиків температури, перегрівання молока більше 95°С і води вище 105°С).

Рис. 4 Блок каскадного ПІД-регулятора PID_CAS(61)

Сигналізація за наявності будь-якого з блокувань забезпечується функціональним блоком мультивібратора OSC_M(41), що за логічним сигналом високого рівня з виходу блок АБО буде формувати подачу 1 на дискретний вихід DO2 (блок DOT(09) тривалістю в 1 с з таким самим інтервалом паузи.

На першій панелі індикації, крім значення виходу регулятора, відображається також температура молока (дисплей «ПАРАМЕТР») і температура води (дисплей «ЗАВДАННЯ»).

Просто й зручно

За допомогою одного контролера вдалося автоматизувати досить складний технологічний об'єкт харчової промисловості. І якщо у користувача виникне бажання щось підправити в зазначеному прикладі, автор буде вважати своє завдання виконаним.

Підсумовуючи сказане, відзначимо, що МІК-51 простий у програмуванні і зручний в експлуатації. За потреби, контролер можна інтегровати у будь-яку SCADA-систему, що підтримує протокол ModBus RTU. Прилад і його прикладне програмне забезпечення добре задокументовані, що не може не втішати кінцевого споживача.

За матерілами Всеукраїнської галузевої газети "Електротема"

www.eltema.com.ua