CC BY
54
Папуша А.Н. и др. Внедрение аппаратно-программной системы автоматизации...
УДК 664.951.3
Внедрение аппаратно-программной системы автоматизации процесса дымогенерации с ИК-энергоподводом
1 л 'J -I
А.Н. Папуша , А.Б. Власов , Ю.В. Шокина , К.Б. Аллояров
1 Естественно-технический факультет МГТУ, кафедра механики сплошных сред и морского нефтегазового дела
Л
Судомеханический факультет МА МГТУ, кафедра электрооборудования судов
3 Технологический факультет МГТУ, кафедра технологий пищевых производств
Аннотация. Разработана система автоматизации инфракрасного дымогенератора, предназначенная для уменьшения энергопотребления и поддержания заданных параметров процесса получения дымовоздушной смеси практически свободной от канцерогенов. Приведены результаты внедрения системы автоматизации.
Abstract. The automation system of an infrared smoke generator has been elaborated. The system is designed for decrease of energy consumption and maintaining planned parameters for production of smoke-air mixture virtually free of carcinogenic agents. The results have been presented for elaboration of automation system.
Ключевые слова: копчение, канцерогенная безопасность продукции, дымогенерация, ИК-энергоподвод, система автоматизации Key words: smoking, carcinogenic safety of product, smoke generation, infrared energy supply, system of automation
1. Введение
На кафедре технологий пищевых производств МГТУ при участии кафедр электрооборудования судов и автоматики и вычислительной техники ведутся работы по совершенствованию ИК-дымогенератора (ИК-ДГ), главным преимуществом которого является генерация дымовоздушной среды (ДВС) с минимальным содержанием канцерогенных веществ. В ходе исследований тепловых потоков ИК-ДГ 2у при помощи разработанного метода количественной термографии был разработан комплекс технических и технологических мер, направленных на оптимизацию тепловых потоков и повышение энергетической эффективности (Аллояров и др., 2011a).
С целью повышения энергоэффективности была поставлена задача разработки схемы автоматизации процесса дымогенерации с ИК-энергоподводом, обеспечивающей соблюдение энергосберегающих режимов эксплуатации при поддержании заданных параметров дымообразования.
2. Разработка и внедрение программно-аппаратной системы автоматизации
В результате проведенных исследований разработана программно-аппаратная система управления ИК-ДГ 2у. Функциональная схема автоматизации представлена на рис. 1.
Изготовлен промышленный образец системы автоматизированного контроля и поддержания заданных параметров дымообразования на основе разработанной функциональной схемы автоматизации (Аллояров, 2011b). Управление температурным режимом пиролиза достигнуто за счет способа увлажнения топлива водяным паром и контролем источников энергии. Экономия энергии достигается путем сокращения непрерывной работы ТЭНа и учета особенностей экзотермической реакции пиролиза топлива.
Спецификация приведена в таблице 1.
Таблица 1. Спецификация схемы автоматизации ИК-ДГ 2у
Поз. обозн. Наименование Кол.
TE Преобразователь температуры первичный измерительный 6
TC Регулятор температуры 6
Y Преобразователь сигнала 6
LD Датчик и регулятор уровня 1
UTYR Модуль аналогового ввода температуры 1
UKSH Логическое устройство управления температурой 1
76
Вестник МГТУ, том 15, №1, 2012 г.
стр. 76-79
Рис. 1. Функциональная схема автоматизации ИК-ДГ 2у
В основе аппаратно-программной системы лежат микропроцессорные контроллеры для малых систем автоматизации. Состав программно-аппаратного комплекса представлен на рис. 2.
Для программирования и настройки микропроцессорных контролеров предусмотрено их подключение к компьютеру IBM-PC. Подключение МВА производится посредством интерфейса RS-485 при помощи автоматического преобразователя интерфейса "ОВЕН AC4". Преобразователь автоматически определяет направление и преобразует сигналы интерфейсов USB и RS-485. Настройка и программирование МВА-8 производится в утилите "Конфигуратор МВА-8". Программирование ПЛК-100 осуществляется в специальной SCADA-системе 3S CODESYS. Текст программы в интерфейсе 3S CODESYS представлен на рис. 3. Программа состоит из двух блоков, первый на языке FBD, второй - на языке ST. Во втором блоке выбирается максимальная температура из трех значений, полученных с датчиков в топливной кассете. В первом блоке на основании максимальной температуры задается управляющее воздействие: включение/выключение ТЭНа, включение/выключение насосов.
Рис. 2. Состав программно-аппаратного комплекса
77
Папуша А.Н. и др. Внедрение аппаратно-программной системы автоматизации...
а)
б)
Рис. 3. Текст управляющей ПЛК-100 программы:
а) первый блок программы; б) второй блок программы
По умолчанию после включения оборудования и программно-аппаратной системы управление происходит полностью автоматически.
Обслуживающий персонал осуществляет только перезарядку топливных кассет. Вода подается в бак-накопитель из магистрального трубопровода через
фильтр грубой очистки без участия персонала.
Результаты настройки режимов системы автоматики для контроля и поддержания заданных параметров процесса дымогенерации с ИК-энергоподводом представлены на рис. 4 и рис. 5.
Таблица 2. Продолжительность основных этапов цикла дымогенерации
Период нагрева, мин Продолжительность стационарного дымообразования, мин Продолжительность процесса, мин
Модернизированный ИК-ДГ 2у неавтоматизированный 80 160 240
Модернизированный ИК-ДГ 2у автоматизированный 40 120 160
График на рис. 4 характеризуется стихийным течением процесса. При анализе графика на рис. 5 видны результаты работы системы автоматики: температура верхнего дымообразующего слоя находится в заданном интервале. Продолжительность периода нагрева сократилась с 1 часа 20 минут до 40 минут. Время работы нагревательного элемента, а следовательно, и потребление электроэнергии уменьшилось на 43 %.
Рис. 4. Динамика изменения температуры верхнего слоя до внедрения системы автоматического
управления процессом дымогенерации
78
Вестник МГТУ, том 15, №1, 2012 г.
стр. 76-79
Исходя из полученных результатов, температура на отдельных участках в определенное время превышала допустимые значения, однако при помощи регулирования в короткий промежуток времени температуру дымообразования удавалось вернуть в желаемый диапазон. Время работы ТЭНа сократилось почти в два раза, следовательно, почти в два раза сократилось потребляемая мощность. Потребление системы автоматизации и насосов значительно меньше (менее 0,3 кВт/ч), чем потребление ТЭНа (2,5 кВт/ч, табл. 3).
Таблица 3. Энергопотребление элементов системы автоматизации
Название компонента системы Кол-во, шт Потребляемая мощность, кВт/ч
ТЭН 1 2,5
Блок питания 1 0,2
Водяной насос 2 0,036
МВА-8 1 0,01
ПЛК-100 1 0,006
Рис. 5. Динамика изменения температуры верхнего слоя после внедрения системы автоматического
управления процессом дымогенерации
3. Заключение
Разработанная система автоматизации позволяет сократить энергозатраты почти в 2 раза путем сокращения непрерывной работы ТЭНа и учета экзотермической реакции пиролиза топлива.
Внедрение системы автоматического управления процессом дымогенерации с ИК-энергоподводом от ТЭНов существенно повышает надежность получения коптильной среды с минимальным содержанием канцерогенных веществ по сравнению с неавтоматизированным вариантом такого дымогенератора.
Литература
Аллояров К.Б., Власов А.Б., Шокина Ю.В. Повышение энергоэффективности ИК-дымогенератора на основе оценки тепловых потоков методом количественной термографии. Вестник МГТУ, т.14, № 3, с.515-519, 2011а.
Аллояров К.Б. Разработка схемы автоматизации процесса дымогенерации с ИК-энергоподводом. Наука и образование - 2011: Материалы междунар. научно-техн. конф. (Мурманск, 7-12 апр. 2011). Мурманск, МГТУ, с.807-813, 2011b. Шифр Информрегистра: 0321100504.
79
