Автоматизация вертикальных автоклавов

Консервная промышленность, входящая в качестве подотрасли в пищевую промышленность, занимает весомое место в экономике Украины.

В условиях современного консервного производства, при больших загрузках технологических линий задействованных в переработке сельскохозяйственного сырья и процессах носящих поточно-массовый характер, высокое качество готовой продукции возможно только при полной автоматизации производства и максимального исключения влияния на процесс человеческого фактора. Прогресс не стоит на месте, и в настоящее время существует великое множество средств и систем автоматизации, выбор которых осуществляется в зависимости от поставленной задачи.

Одним из важнейших процессов консервирования является стерилизация –термообработка консервов , позволяющая значительно увеличить срок их дальнейшего хранения. В зависимости от технологического процесса , аппараты для стерилизации делятся на непрерывного и периодического действия. В свою очередь, аппараты периодического действия бывают открытого типа (ванны) и закрытого типа — автоклавы. Автоклавы по конструкции делятся а вертикальные и горизонтальные, из них вертикальные получили более широкое распространение, ввиду их универсальности и нетребовательности к виду тары продукции.

Основными параметрами регулирования процесса стерилизации являются температура и давление, автоматизированная система управления позволяет поддерживать их в заданных пределах. В данной статье описывается одна из таких систем управления , установленная на автоклаве водяной стерилизации консервов. Система работает на всех стадиях технологического процесса : подача холодной воды в бак, прогрев воды, заполнение пространства автоклава консервами, возрастание значений температуры и давления до заданных пределов, сама стерилизация и охлаждение готовой продукции. Система представляет из себя готовое решение- автоматизированное рабочее место технолога автоклава и может использоваться как на одном автоклаве, так и на комплексе агрегатов.

Преимущества, получаемые за счет внедрения системы автоматического управления автоклавом:

• увеличение срока эксплуатации автоклава за счет соблюдения технологических норм;
• получение продукции высокого качества за счет соблюдения технологии и поддержания точно заданной температуры при равномерном прогреве изделий;
• уменьшение эксплуатационных расходов, в частности энергоресурсов за счет оптимального их использования при точном алгоритме работы;
• улучшение безопасности работы путем установки дополнительных блокировок и защит;
• уменьшение расходов на ремонты посредством диагностики системы, планирования технического обслуживания и ремонтов;
• введение автоматизированного документооборота, что позволяет снизить затраты на ведение документации.

Используемые в промышленности автоклавы представляют из себя сложные высокотехнологичные агрегаты работающие с большой производительностью. В настоящее время существует много разновидностей автоклавов, есть среди них специализированные модели, оно несмотря на это все они работают по одному принципу: нагрев подвергающегося стерилизации продукта в фасованных емкостях до высокой температуры при определенном давлении. Давление имеет повышенное значение по сравнению с атмосферным, в результате чего предотвращается разрушение (разрыв) тары (посуды) за счет компенсации температурного расширения нагреваемых консервов. Для определения необходимого значения давления существует формула автоклавирования, в которую заносятся такие данные, как коэффициент температурного расширения, время термической обработки, температура процесса и т.д.

Автоклав Б6-КА2-В-2 состоит из следующих узлов и агрегатов: корпуса. поддерживаемого опорой, средств механизации, термоизоляции. Корпус автоклава представляет собой сварную емкость цилиндрической формы с дном формы эллипса, увенчанный сверху крышкой такой же эллиптической формы. Назначение корпуса — размещение корзин с консервами во время стерилизации. Корпус 2 и крышка 4 для предотвращения тепловых потерь покрыты термоизоляцией 3.

Для улучшения герметичности корпус с крышкой соединяются через фланцевый затвор 9, конструкция которого состоит из двух встречных фланцев соответственно на корпусе и на крышке с проточенными концентрическими канавками, в полости которых вставлены резиновые уплотнения. Для перевозки и монтажа автоклава к корпусу приварены три опоры 1 и четыре рым-болта.

Для установки датчиков во внутренней плоскости автоклава, к его нижней поверхности приварена коробка 16. Также внутри корпуса размещены кронштейны 5, для того чтобы на них разместить корзины с продукцией, установлен кольцевой барботер 18, соединенный с патрубком 6. Для слива воды к днищу приварен сливной патрубок 7, оборудованный защитной сеткой. На крышке 4 располагается ручка для открывания и закрывания, а также рычаги противовесов 8.

Фланцевый затвор 9 фиксируется при помощи разжимного кольца, состоящего из разжимной системы, пальцев, рукоятки и кольцевого пружинного пояса. Для безопасности обслуживающего персонала, на разжимном кольце установлены блокировки и элементы защиты.

Блоки арматуры представляют из себя обвязку для присоединения автоклава к питающим магистралям, при помощи них осуществляется подача воды, пара, подача сжатого воздуха, слив отработанной воды. На магистралях подвода воды , пара и воздуха в качестве исполнительных механизмов используются пневмоклапаны МИМ (мембранные исполнительные механизмы). Блоки арматуры магистралей слива состоят из МИМов и запорных вентилей (ВЗ).

В пищевой промышленности в данное время еще можно встретить стерилизацию консервов где используется исключительно ручное управление в водяной среде. На таких производствах персонал подвергает продукцию воздействию высокой температуры с выдержкой определенного периода времени. При этом весь контроль за ходом технологического процесса осуществляется визуально по данным показаний термометров и манометров, высоко влияние человеческого фактора, что не может не сказаться на ходе технологического процесса. На таких производствах неизбежен брак продукции и финансовые потери.

Предлагаемая система автоматизации автоклава полностью исключает влияние на процесс стерилизации человеческого фактора и выполняет следующие функции:

• наблюдение за ходом технологического процесса и оперативное изменение рабочих параметров с компьютера технолога;
• отображение как общей, так и обобщенной информации о параметрах каждой варки на дисплее оператора с возможностью выбора наиболее удобной формы просмотра: в виде трендов (графики изменения параметров во времени), либо в текстовом виде;
• расчет параметров для формирования закона регулирования процесса с применением обратной связи от датчиков установленных в автоклаве;
• автоматическое управление исполнительными механизмами для точного соблюдения технологического режима;
• возможность выбора из банка данных формулы стерилизации для конкретного продукта;
• ввод, корректировка и удаление формул стерилизации;
• возможность архивировать данные каждой варки консервов и передавать данные для просмотра и распечатки на принтере;
• передача данных с локального щита управления автоклава на компьютер оператора;
• просмотр протоколов аварийных ситуаций, запусков и остановок программ.

В нашей системе функцию главного регулирующего устройства выполняет программируемый логический контроллер (ОВЕН ПЛК), обладающий высокой производительностью и большим объемом внутренней памяти, позволяющим составлять программы для объектов высокого уровня сложности. При возникновении необходимости увеличить количество входов/выходов, контроллер может расширен путем подключения внешних модулей.

В приведенной схеме вертикальный автоклав является объектом регулирования. Основные параметры регулирования- давление и температура, тесно взаимосвязаны между собой, что обусловило настройку двух связанных каналов управления по температуре и давлению.

Центральное управляющее устройство, на входы которого поступает вся информация о процессе – программируемый логический контроллер ПЛК150 (фирма ОВЕН) на борту которого размещены 6 дискретных и 4 аналоговых входа для подключения широкого спектра датчиков.

В автоклаве производится измерение температуры с помощью медного термопреобразователя сопротивления. Сигнал с него поступает непосредственно на аналоговый вход контроллера.

Так же помимо температуры во внутреннем пространстве автоклава непрерывно контролируется внутреннее давление при помощи датчика давления ПД100-ДИ (фирма ОВЕН) с унифицированным токовым сигналом 4-20 мА. Чтобы исключить внештатные аварийные ситуации во время режима охлаждения, при сливе горячей воды и заполнении холодной водой, на подаче холодной воды установлен датчик давления, контролирующий давление воды в магистрали охлаждения. Если вдруг напор упадет ниже допустимого, то система отреагирует на это сигналом для оператора и будет включена дополнительная магистраль с запасного резервуара. Таким образом, охлаждение продолжится следовательно, уровень давления воды в автоклаве будет оставаться неизменным. В данном автоклаве не предусмотрено регулирование давления в магистралях пара и воздуха, но при желании их можно так же осуществить посредством установки необходимых датчиков и исполнительных механизмов, благо в контроллере для этого есть все необходимые входы и выходы.

Управление выходными устройствами осуществляется модулем выхода управляющим МВУ8 (фирма ОВЕН). Связь между контроллером и модулем расширения выходов МВУ8 осуществляется по промышленному сетевому интерфейсу RS-485.

Вся информация о технологическом процессе непосредственно на объекте выводится на панель оператора ИП320 (фирма ОВЕН) установленную на пульте оператора. Связь между ПЛК и цифровой панелью ИП320 осуществляется напрямую (без использования адаптера) так же по сетевому интерфейсу RS-485.

При помощи интерфейса Ethernet, происходит передача данных о системе с контроллера на верхний уровень и сигналов управления в обратном направлении. В качестве SCADA-системы выбрана среда программирования CoDeSys с помощью которой происходит визуализация и управление технологическим процессом. Имея простой и удобный интерфейс, CoDeSys позволяет оператору легко и комфортно управлять процессом стерилизации

Характеристика закона управления каналами регулирования температуры и давления выбрана непрерывная (линейная) , для обеспечения нужной точности регулирования – дифференциал температурного поля 2 0С, давления 0, 02 МПа. Таким образом, управление исполнительными механизмами происходит с МВУ8 постоянно изменяющимися сигналами от 4 до 20 мA.

В роли исполнительного механизма выступает мембранный пневматический клапан типа МИМ с пневмопозиционером, характеризующийся быстротой срабатывания и высокой точностью регулирования, его электронные аналоги ( с электроприводом) в этом плане имеют более посредственные характеристики.

В системе регулирования используются пневматические исполнительные механизмы, поэтому для преобразования унифицированного токового сигнала 4-20 мА в пневматический 0, 02-0, 1МПа используются электропневмопреобразователи марки ЭПП-21.

В завершение хочется сказать, что проект полностью соответствует требованиям по точности и надёжности, предъявляемым к оборудованию для стерилизации консервов. Проект не требует больших расходов на покупку оборудования и его монтаж, имеет быстрый срок окупаемости, что делает его экономически выгодным к внедрению на производстве. Современное оборудование и новые методы автоматического управления делают разработанную систему надёжной и удобной в эксплуатации. Использование данной системы управления позволит снизить брак продукции и облегчает труд технолога пищевой промышленности.

Требования к автоматизации логистических систем на предприятиях пищевой промышленности
Кроме того, необходима реализация функционала транзитных поставок, когда клиенты, которым продукция приходит из других городов, получали бы ее не через склад местного филиала, а напрямую со склада-отправителя