Дипломная работа: Схема автоматического регулирования продолжительности выпечки с коррекцией по температуре во второй зоне пекарной камеры

8.1 Формализация условий работы установки

При автоматизации печей объектом управления является собственно пекарная камера, в которой происходят преобразования заготовок теста в готовое изделие. Задача автоматического управления пекарной камерой заключается в том, чтобы, учитывая свойства исходного продукта—теста и особенности механизма процесса выпечки, устанавливать такие параметры среды и условия тепло- и влагообмена в пекарной камере, при которых процесс выпечки будет протекать наиболее экономично, а готовый продукт будет иметь высокое качество и соответствовать требованиям ГОСТа [19].

 Согласно теории тепло- и массообмена, главным физическим фактором, определяющим процесс выпечки, является процесс переноса теплоты и влаги в тестовой заготовке, который, как указывает А. С. Гинзбург, происходит в два периода.

В первый период выпечки влага в основном в виде жидкости, перемещается от поверхностных слоев к центральным. В этот период за счет перемещения влаги внутрь образуется корка изделия. Наряду с этим в первом периоде протекают физико-химические процессы, в результате которых влага в тесте-мякише связывается клейстеризующимся крахмалом.

Во втором периоде выпечки происходит дальнейшее формирование корки выпекаемого изделия за счет интенсивного испарения влаги при углублении поверхности испарения. В этот период влажность мякиша изделия почти не изменяется, а испарение происходит главным образом на поверхности испарения, являющейся границей корки и мякиша.

В соответствии с представлениями о различных периодах выпечки в пекарной камере различают следующие зоны увлажнения: первого периода выпечки, второго периода выпечки.

В зоне увлажнения должны быть созданы условия для обеспечения интенсивного влагообмена между окружающей средой н поверхностью изделия, в результате которого происходит поглощение пара массой теста и конденсация его на поверхности тестовой заготовки. Поэтому основным условием, которое должно быть создано в зоне увлажнения, является высокое насыщение среды паром при минимальной вентиляции камеры и пониженной интенсивности теплообмена, чтобы достичь здесь относительной влажности порядка 70—80%. Чем ниже интенсивность теплообмена в зоне увлажнения, тем медленнее температура поверхности изделия достигает значения точки росы и тем длительнее период конденсации. Это позволяет снизить насыщение среды паром при сохранении хорошего качества изделий.

После зоны увлажнения интенсивность теплообмена в пекарной камере резко повышается с целью передачи изделию требуемого количества теплоты. На увлажненной поверхности изделия происходит клейстеризация крахмала при избытке влаги, в результате чего образуется слой крахмального клейстера, закрывающий поры и подготавливающий поверхность изделия для последующей тепловой обработки. Повышение температуры этого слоя обеспечивает оформление корки, что является одним из основных качественных требований, определяющих внешний вид изделия.

В первый период выпечки важно передать изделию большее количество теплоты также и для образования необходимой структуры изделия. В этот период происходит значительный подъем изделия, обусловленный расширением нагревающихся газов в массе теста и зависящий от интенсивности прогрева изделия. При интенсивном прогреве поверхностных слоев в выпекаемом изделии создается значительный температурный градиент, обусловливающий соответствующее повышение эффекта термовлагопроводности и увеличение количества влаги, перемещающейся внутрь изделия, благодаря чему уменьшается упек.

Во второй период выпечки происходит интенсивное углубление зоны испарения и дальнейшее образование корки за счет влагоотдачи в окружающую среду. При углублении зоны испарения прогрев внутренней части изделия обусловливается температуропроводностью мякиша и температурным градиентом, величина которого определяется постоянной температурой поверхности испарения и снижением температурного поля по направлению к центру. В этот период интенсивность теплообмена резко снижается, так как менее интенсивный теплообмен мало влияет на прогрев изделия, но зато снижает потери теплоты от упека, которые достигают общего расхода теплоты на выпечку. Снижение интенсивности теплообмена во второй период выпечки достигается сведением до минимума излучения на открытую поверхность изделия или полным его исключением с одновременным уменьшением температуры среды пекарной камеры.

Таким образом, качество выпекаемой продукции и расход тепла на выпечку определяется временем ее пребывания в каждой зоне и режимными параметрами внутри пекарной камеры.

Рассмотрим порядок включения и выключения всех механизмов печи. После подключения механизмов печи к питающей сети необходимо выставить требуемое задание температур по зонам пекарной камеры и включить электронагреватели. При достижении температур в зонах пекарной камеры до заданных следует включить конвейер пода печи и установить необходимое время выпечки, обеспечить подачу пара в зону пароувлажнения. Температуры в зонах пекарной камеры и продолжительность выпечки выставляется в соответствии с технологическими требованиями на изделие. После этих процедур можно загружать конвейер тестовыми заготовками, для транспортирования их в пекарную камеру. Удаление паро-воздушной среды из пекарной камеры может осуществляться принудительно при помощи вентилятора или за счет естественной тяги. При выходе из пекарной камеры первых выпеченных изделий необходимо включить механизм опрыскивания

готовой продукции и механизм очистки ленты. После последних

действий все механизмы печи включены и в таком состоянии печь работает длительное время (несколько часов, смена и т.д.).

Отключение механизмов печи осуществляется в следующей последовательности. Сначала отключаются электронагреватели, а при снижении температуры следует отключить все оставшиеся механизмы печи.

При работе установки могут возникнуть аварийные режимы: неисправность привода конвейера, неисправность электронагревателей. Такие аварийные режимы могут возникать при механических повреждениях кинематической цепи и при срабатывании защит. При неисправности привода конвейера необходимо сразу же отключить электронагреватели, чтобы избежать сгорания выпекаемой продукции, а также отключить все механизмы печи. При неисправности электронагревателей необходимо сразу же прекратить загрузку тестовых заготовок. При возникновении какой-либо другой неисправности нужно отключить печь, устранить неисправность и включить печь по алгоритму, описанному выше.

8.2 Разработка алгоритма управления

Составим алгоритм управления хлебопекарной печью (рис. 8.1).

В блоках 1, 2, 3 производится подача напряжения на пуско-регулирующую аппаратуру механизмов печи и электронагреватели (F1=1, F2=1, F3=1, F4=1, F5=1), задание температурного режима по зонам печи (Т=Т1) и включение электронагревателей (SB21=1).

В блоке 5 происходит выдержка времени нагрева печи до заданной температуры Т1.

В блоках 6, 7 происходит включение привода конвейера (SB17=1), заданного времени выпечки (t=t1) и включение вентилятора (SB18=1).

В блоке 8 происходит выдержка времени до появления первых выпекаемых изделий (И=1).

В блоках 9 происходит включение механизма опрыскивания готовой продукции (SB19=1) и механизма очистки ленты (SB20=1).

В блоке 10 происходит выпечка хлебобулочных изделий до конца рабочего дня (смены и т.д.).

Блоки 10, 12, 13, 14 описывают отключение механизмов печи: очистки ленты (), опрыскивания готовой продукции (), вентилятора (), конвейера () и электронагревателей ().

8.3 Разработка функциональной и логической схемы

8.3.1 Разработка функциональной схемы

Функциональная схема автоматизации хлебопекарной печи А2 – ХПА – 25 представлена в графической части проекта (лист 7). На схеме приняты обозначения технологического оборудования:

1 – ленточный конвейер;

2 – щетка очистки ленты;

3, 4, 5, 6 – электронагреватели температурных зон печи;

7 – вентилятор;

8 – механизм опрыскивания готовой продукции.

Схемой предусмотрены четыре контура контроля и регулирования температуры по зонам пекарной камеры, а также коррекция времени выпечки по температуре во второй зоне. Стабилизация давления пара, подаваемого в зону увлажнения, осуществляется регулятором прямого действия. В качестве измерительных приборов температуры применены термометры сопротивления (ТЕ). Устройством, формирующим законы регулирования температуры, является программируемый контроллер (ПК). В ПК сводятся сигналы задания температуры (ТН) и сигналы обратных связей (ТЕ). Выходы регуляторов температуры подключены к управляющим тиристорных регуляторов напряжения (NC), которые изменяют выходное напряжение в пределах 0…380В. При изменении напряжения, прикладываемого к электронагревателям, изменяется количество выделяемого тепла и следовательно температуры в пекарной камере.

Контур регулирования температуры в нулевой зоне пекарной камеры построен следующим образом: термометр сопротивления (1-1), температурный модуль ПК (1-2), модуль ПИД регулирования ПК (1-4), регулятор напряжения (1-5) и электронагревателей 0-ой зоны (3).

Задание температуры происходит с потенциометра (1-6), расположенного на пульте управления. Контроль температуры осуществляется с помощью аналого-цифрового преобразователя (1-3), расположенного на пульте управления и соединенными с аналоговым выходным модулем ПК. Температурный модуль ПК (1-2) производит преобразование значения сопротивления терморезистора в унифицированный сигнал 0…10 В, прропорциональный температуре.

Аналогичным образом построены контура регулирования температуры 1-ой, 2-ой и 3-ей температурных зон пекарной камеры.

Как говорилось выше, в схеме автоматизации предусмотрена коррекция скорости движения конвейера печи по температуре во второй зоне пекарной камеры.

Подолжительность выпечки задается с потенциометра (3-9), расположенного на пульте управления. Закон коррекции реализуется на ПК с помощью стандартного ПИД регулятора (3-7), реализующего пропорциональный закон регулирования (постоянная времени дифференцирования принята равной нулю, а постоянная времени интегрирования – бесконечности). На суммирующий вход преобразователя частоты (3-8) заведены сигнал задания продолжительности выпечки и сигнал с выхода регулятора температуры (3-7). Таким образом, скорость движения конвейера пропорциональна сигналу задания и температуре во 2-ой зоне пекарной камеры.

Заданный алгоритм включения и выключения электроприемников осуществляет логическая схема NY, реализованная с помощью программируемого контроллера. Схема также обеспечивает сигнализацию о включении (выключении) электроприемников (НА), аварийную звуковую сигнализацию (А) и местное освещение в пекарной камере. Сигналы о включении (выключении) электроприемников поступают на входы ПК с кнопок управления (НА), расположенных на пульте управления. Эти сигналы обрабатываются по программе, заложенной в ПК, и преобразуются в выходные сигналы, поступающие на магнитные пускатели (NS), регуляторы напряжения (NC) и преобразователь частоты (NC). Логическая схема устройства управления будет составлена позже.

8.3.2 Разработка логической схемы

Логическая схема автоматизации должна обеспечит заданный алгоритм включения и выключения электроприемников. Логическая схема имеет входные, выходные и промежуточные сигналы., поступающие из пульта управления, а также кнопок управления, расположенных в начале и конце пекарной камеры.

Т. к. входные сигналы поступают от кнопок, то назовем эти сигналы также, как и соответствующие кнопки.

К входным сигналам относятся:

SB16 – «ПУСК».При поступлении этого сигнала должна собираться схема управления;

 – «СТОП». При поступлении этого сигнала в логическую схему должны отключиться электронагреватели и все механизмы печи;

 – «КОНВЕЙЕР ВЫКЛ.». При поступлении этих сигналов в схему управления отключается привод конвейера;

SB17 – «КОНВЕЙЕР ВКЛ». Сигнал включает привод конвейера;

SB18 – «ВЕНТИЛЯТОР ВКЛ.». При поступлении сигнала в схему управления включается вентилятор отсоса паро-воздушной среды из зоны пароувлажнения;

 – «ВЕНТИЛЯТОР ВЫКЛ.». Сигнал выключает вентилятор;

QF1 – Сигнал, снимаемый с автоматического выключателя QF1, подключающего электродвигатель вентилятора к сети;

SB19 – «ЩЁТКА ВКЛ.» При подаче этого сигнала в схема управления включается механизм очистки ленты;

 – «ЩЁТКА ВЫКЛ.»;

QF2 – Сигнал, снимаемый с автоматического выключателя QF2, подключающего электродвигатель механизма очистки ленты к сети;

SB20 – «ОПРЫСКИВАНИЕ ВКЛ.». При подаче этого сигнала в схему управления включается механизм опрыскивания готовой продукции;

 – «ОПРЫСКИВАНИЕ ВЫКЛ.»;

QF3 – Сигнал, снимаемый с автоматического выключателя QF3, подключающего электродвигатель механизма очистки готовой продукции к сети;

SB3, SB4 – «ОСВЕЩЕНИЕ». Сигналы включают местное освещение внутри пекарной камеры;

SB1 – «НАГРЕВАТЕЛИ ВКЛ.» При поступлении этого сигнала в схему управления включаются электронагреватели;

 – «НАГРЕВАТЕЛИ ВЫКЛ.»;

 – «СИГНАЛИЗАЦИЯ ВЫКЛ.». При поступлении этого сигнала в схему управления снимается сигнал звуковой сигнализации;

Выходные сигналы:

КМ1 – Управление приводом ленточного конвейера и сигнализации о включении/выключении;

КМ2 – Управление приводом вентилятора и сигнализации о включении/выключении;

КМ3 – Управление приводом механизма очистки ленты и сигнализации о включении/выключении;

КМ4 – Управление приводом механизма опрыскивания готовой продукции и сигнализации о включении/выключении;

КМ5 – Управление электронагревателями и сигнализации о включении/выключении;

НА – Включение/выключение звуковой сигнализации;

EL1, EL2 – Управление местным освещением в пекарной камере;

НL1 …HL6 – Сигнализация о работе механизмов печи и электронагревателей.

Промежуточные сигналы:

 – Сигнал аварийного останова и сигнализация об останове;

КМ6 – Подготовка и съем звуковой сигнализации;

По алгоритму работы печи составим логические функции для промежуточных и выходных сигналов:

HL1=K1;

HL2=KM1;

  (8.1)

HL3=KM2;

HL4=KM3;

HL5=KM4;

HL6=KM5;

8.4 Выбор аппаратов

8.4.1 Выбор программируемого контроллера и составление программы

По функциональной схеме и логическим функциям определим количество требуемых входов и выходов для ПК (табл. 8.1):

Таблица 8.1.

Выбираем для реализации схемы автоматизации программируемый контроллер фирмы SIEMENS типа SIMATIC S5.

Для входных сигналов выбираем из [20] дискретный входной модуль 6ES5 430 – 7LA11 на 32 цифровых входа 24 В постоянного тока. Технические данные этого модуля приведены в таблице 8.2:

Таблица 8.2

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15