Разработка системы автоматического управления процессом выпаривания на сахарном производстве

ВВЕДЕНИЕ 3
1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 5
1.1 Выпарные установки и аппараты 5
1.2 Характеристика технологического объекта управления 20
1.3 Анализ существующих подходов к автоматизации выпарных установок 29
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 38
2.1. Представление функциональной схемы 38
2.2 Разработка систем автоматизации для выпарной установки 39
2.3 Настройка параметров ПИД-регуляторов 42
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 45
3.1. Основные варианты функциональных схем 45
3.2 Реализация автоматизации процесса переработки сахара 52
3.3 Выполнение необходимых расчетов 58
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 72
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 75
ПРИЛОЖЕНИЕ А 78
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 79
ПРИЛОЖЕНИЕ В 80
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 81
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 82

Весь текст будет доступен после покупки

Современное сахарное производство характеризуется высокой энергоёмкостью и сложностью технологических процессов, среди которых особое место занимает стадия выпаривания. Именно на этом этапе достигается концентрирование сахарного сиропа до необходимой плотности, что напрямую влияет на качество конечного продукта и эффективность последующих операций – кристаллизации и центрифугирования. В условиях растущих требований к энергоэффективности, стабильности технологического режима и снижению человеческого фактора в производственных процессах актуальность автоматизации выпарных установок становится особенно острой.
Целью данной выпускной квалификационной работы является разработка системы автоматического управления процессом выпаривания на сахарном производстве, обеспечивающей стабильность технологических параметров, повышение энергоэффективности и улучшение качества выпускаемой продукции.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи исследования:
– провести анализ существующих конструкций выпарных аппаратов и их функционирования в условиях сахарного производства;
– изучить особенности технологического объекта управления и выявить ключевые параметры, подлежащие автоматизации;
– проанализировать современные подходы к автоматизации выпарных установок и определить их недостатки;
– разработать функциональную схему системы автоматического управления;
– спроектировать архитектуру системы автоматизации с применением ПИД-регуляторов;
– выполнить настройку параметров регуляторов и провести моделирование работы системы;
– оценить эффективность предложенного решения на основе экспериментальных исследований и расчётов.
Объектом исследования выступает процесс выпаривания в сахарном производстве, а субъектом – система автоматического управления данным процессом, основанная на использовании промышленных средств автоматизации и алгоритмов регулирования.
В работе применялись следующие методы: анализ научно-технической литературы, системный подход, математическое моделирование, методы теории автоматического управления, а также инженерные расчёты и компьютерное моделирование.
Практическая значимость результатов исследования заключается в возможности внедрения разработанной системы автоматического управления на действующих предприятиях сахарной промышленности, что позволит повысить стабильность технологического процесса, снизить энергозатраты, уменьшить количество брака и сократить зависимость от квалификации обслуживающего персонала.

Весь текст будет доступен после покупки

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Выпарные установки и аппараты
После завершения физико-химической очистки, фильтрации и сульфитации в полученном соке содержание сухих веществ (СВ) составляет примерно 13 %, а доля воды – около 87 %.
Для выделения сахарозы в кристаллической форме из пересыщенного раствора необходимо значительно уменьшить объём воды, то есть провести сгущение раствора. Этот процесс осуществляется в два этапа:
– на выпарной установке до концентрации СВ 60–65 %;
– в вакуум-аппаратах – до 92,5 % СВ.
Двухступенчатое выпаривание обусловлено следующими причинами. По мере удаления воды и повышения концентрации сока в выпарной установке снижается растворимость ряда несахаров, вследствие чего они выпадают в осадок. Такие примеси требуют последующего удаления путём фильтрации сиропа.
Кроме того, в ходе выпаривания возрастает цветность сиропа, что делает необходимым дополнительную его очистку методом сульфитации и повторную фильтрацию перед окончательным увариванием. Однако указанные операции (сульфитация и фильтрация) возможны лишь при концентрации СВ не выше 65 %, когда сироп сохраняет достаточную текучесть. На второй ступени, где вязкость уже существенно выше, сгущение проводят однократно в вакуум-аппаратах.
Принцип многократного использования пара
Выпаривание осуществляется в трубчатых теплообменниках – выпарных аппаратах, обогреваемых водяным паром, поступающим из турбин в виде отработанного пара. После передачи теплоты пар конденсируется, а испарённая вода выводится в виде вторичного пара. Обычно принимают, что для испарения 1 кг воды из сока, нагретого до температуры кипения, требуется около 1 кг свежего пара. Также условно считается, что 1 кг условного топлива позволяет выпарить примерно 8 кг воды.
Таким образом, завод, перерабатывающий 3 тыс. т свёклы в сутки, теоретически нуждается в 400 т условного топлива ежедневно. Однако на практике большинство предприятий расходуют всего около 150 т.
Это достигается за счёт многократного (в 4–5 раз) использования тепла вторичных паров. Выпарные аппараты объединяются в многокорпусную систему, где сок и пар движутся последовательно: вторичный пар одного корпуса используется для обогрева следующего.
Для обеспечения кипения сока в каждом корпусе необходимо поддерживать определённую полезную разность температур (или давлений) между греющим паром и кипящей жидкостью – именно она служит движущей силой процесса. Оптимальная разность температур на один корпус составляет 8–10 °C. В четырёхкорпусной установке суммарная разность должна быть около 40 °C. При этом температура кипения в первом корпусе не должна превышать 126 °C, так как при более высоких значениях начинается интенсивное разложение сахарозы. Следовательно, в последнем корпусе температура кипения должна составлять 90–95 °C.
Чтобы обеспечить кипение при такой температуре, в последнем корпусе создаётся разрежение. Увеличение числа корпусов приводит к уменьшению полезной разности температур на каждый корпус, а чрезмерное разрежение – к росту энергозатрат на работу воздушных насосов, что экономически нецелесообразно. Поэтому применяют следующие конструктивные решения:
– трёхкорпусная установка под давлением с концентратором;
– четырёхкорпусная система с последним корпусом под вакуумом;
– четырёхкорпусная установка с пониженным вакуумом и концентратором.

Весь текст будет доступен после покупки

1) Краснов А.Е., Злобин Л.А., Злобин Д.Л. Цифровые системы управления в пищевой промышленности. – М.: Высшая школа, 2023. – 298 с.
2) Курочкин А.А., Шабурова Г.В., Гордеев А.С. Оборудование и автоматизация перерабатывающих производств. – М.: КолосС, 2022. – 612 с.
3) Сапронов А.Р. Технология сахарного производства. – М.: Колос, 2021. – 402 с.
4) Белов М.П., Новиков В.А., Рассудов Л.Н. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов. – М.: Академия, 2022. – 576 с.
5) Душин С.Е., Зотов Н.С., Имаев Д.Х. и др. Теория автоматического управления. – М.: Высшая школа, 2023. – 584 с.
6) Клюев А.С. (ред.). Проектирование систем автоматизации технологических процессов. – М.: Энергоатомиздат, 2021. – 480 с.
7) ГОСТ Р 58242-2018. Системы автоматизации в пищевой промышленности. Общие требования. – М.: Стандартинформ, 2021.
8) Михайлов Д.В., Петров И.А. Применение ПИД-регуляторов в системах управления выпарными установками // Автоматизация и современные технологии. – 2023. – № 5. – С. 45–51.
9) Сидоренко О.Н., Кузнецов А.Л. Энергоэффективность многокорпусных выпарных установок в сахарной промышленности // Химическая промышленность сегодня. – 2022. – № 8. – С. 32–38.
10) Федоров А.С., Егорова Е.М. Современные подходы к автоматизации выпарных процессов в АПК // Пищевая промышленность. – 2023. – № 4. – С. 56–60.
11) Иванов В.К., Лебедев А.Ю. Интеллектуальные системы управления на базе SCADA в пищевой отрасли // Вестник машиностроения. – 2022. – № 11. – С. 70–75.

Весь текст будет доступен после покупки