CC BY
21
УДК 664.61
Профессор Г.О. Магомедов, аспирантВ.В. Богданов, доцент Т.А. Шевякова, инженер-конструктор Н.В. Евсеев
(Воронеж. гос. ун-т инж. технол.) кафедра технологии хлебопекарного, кондитерского, макаронного и зерноперерабатывающего производств, тел. (473) 255-38-51
Разработка универсальной установки с автоматической системой контроля и управления процесса замеса, сбивания и формования бисквитного теста
Разработана смесительно-сбивально-формующая установка с автоматизированной системой контроля, управления технологическими процессами и структурообразования при интенсивном замесе, сбивании и формовании бисквитного теста.
The mixing-melting-forming installation with the automated system of monitoring and managements of technological processes and structurizations at intensive kneading, melting and formation of biscuit dough.
Ключевые слова: автоматическая система управления, замес теста, сбивание и формование
В настоящее время актуальной задачей является создание инновационной технологии мучных кондитерских изделий и адаптированной, универсальной установки с автоматической системой контроля и управления технологическими процессами.
Создана универсальная установка для проведения последовательно процессов перемешивания и сбивания теста в одном аппарате с последующим формованием [1].
С целью создания автоматизированной системы контроля и управления технологическими процессами сбивных бисквитных кондитерских изделий разработана смесительно-сбивально-формующая установка с применением микропроцессорной техники.
Принцип работы смесительно-сбивально-формующей установки. Установка (рисунок 1) работает следующим образом. По умолчанию, после включения установки тум-блером «Сеть», выбран ручной режим работы. Ручной режим удобен для подготовки установки к работе в автоматическом режиме -проверки основных узлов, работы привода мешалки и механизма подъема каретки модуля перемешивания, осмотра и, при необходи-мости, чистки мешалки и камеры.
После проверки готовности установки к эксперименту тумблером «Верх» / «Низ» ручного пневмораспределителя поднимают каретку с установленным на ней перемешивающим модулем в верхнее положение. При этом загрузочная воронка системой тяг устанавливается в
© Магомедов Г.О., Богданов В.В., Шевякова Т.А., Евсеев Н.В., 2013
рабочее положение и через нее производится загрузка всех компонентов в соответствии с рецептурой. После этого каретка опускается в нижнее рабочее положение, при этом автоматически происходит герметизация камеры.
Первый эксперимент проводится в ручном режиме. При этом предварительно устанавливают обороты мешалки с помощью частотного преобразователя, используемого в приводе, и задают рабочее давление в камере с помощью редуктора давления, установленного на входной воздушной магистрали. После опускания камеры в рабочее положение, закрывают байонетный замок, фиксирующий перемешивающий модуль, и подают сжатый воздух под давлением. После достижения заданного давления в камере включают привод мешалки на заданное время при постоянных оборотах. В режиме перемешивания мешалка вращается в направлении, при котором шнек-наконечник, установленный на нижнем конце вала мешалки, возвращает тесто, попавшее в разгрузочный патрубок, обратно в камеру. Направление вращения мешалки обязательно проверяется в процессе первоначальной настройки установки. После завершения перемешивания привод переключают на режим «Выгрузка», при котором вал на небольших оборотах вращается в противоположном рабочему направлении, а шнек-наконечник при этом нагнетает тесго в направлении выгрузки. Выгрузку приготовленного теста производят в формы через шаровой кран на разгрузочном патрубке, расположенном в нижней точке конической части камеры.
Рисунок 1 - Смесительно-сбивально-формующая установка
Для автоматической работы установки необходимо тумблер «Ручн» / «Авт» установить в положение «Авт», при этом на экране монитора появляется таблица с параметрами процесса перемешивания из последнего эксперимента. В памяти компьютера, кроме того, хранятся результаты и таблицы параметров ряда предыдущих экспериментов. На этой стадии можно изменить значения любых параметров в текущей таблице или выбрать таблицы параметров из других проведенных ранее экспериментов. На этой же стадии также выбирается вариант алгоритма управления работой установки. После задания параметров процесса и выбора алгоритма управления производят загрузку всех ингредиентов теста, как описано выше, опускают перемешивающий модуль в рабочее положение, закрывают байонетный замок и нажимают кнопку «Пуск». При нажатии кнопки «Пуск» запускается программа, реализующая выбранный алгоритм управления процессом приготовления сбивного теста:
- при этом закрывается нормально-открытый электропневмоклапан на выходе
камеры и одновременно открывается нормально-закрытый клапан на входной воздушной магистрали, в камеру подается сжатый воздух до заданной величины давления;
- по достижении заданного давления по сигналу датчика давления закрывается входной клапан и включается привод мешалки;
- обороты мешалки, продолжительность перемешивания в каждом периоде и число периодов задается программой управления установкой;
- в процессе перемешивания определяет -ся величина тока в обмотках двигателя, в зависимости от числа оборотов мешалки вычисляется крутящий момент на валу мешалки (удельная мощность привода - УМП);
- в режиме реального времени строятся графики «крутящий момент (удельная мощность) - время», «обороты мешалки - время»;
- после прекращения роста крутящего момента (УМП), через заданный промежуток времени с момента его стабилизации или падения, мешалка выключается;
- производится реверсное включение электродвигателя мешалки с заданными обо-
ротами и производится выгрузка приготовленного сбитого теста в хлебопекарные формы;
- в установке предусмотрено несколько блокировок, исключающих возникновение аварийных и опасных ситуаций:
- датчик положения байонетного замка контролирует закрытие и открытие замка, так электропневмоклапан на входе камеры останется закрытым после нажатия кнопки пуск и не разрешит подачу давления, если не закрыть замок;
- открытие замка возможно только после сброса давления в камере; давление контролируется датчиком давления сжатого воздуха;
- подъем каретки с перемешивающим модулем возможен только при открытом замке и отсутствии давления в камере.
Таблица параметров эксперимента, а также все графики, построенные по результатам каждого эксперимента, сохраняются в памяти компьютера и привязываются к порядковому номеру эксперимента. В последующем сохраненные результаты экспериментов в любое время могут использоваться для обработки, сравнения разных режимов обработки и выбора оптимальных для различных видов теста.
Состав автоматической системы управления:
1. Программируемый логический контроллер DVP20EX200R.
2. Преобразователь частоты VFD037 EL43A.
3. Электродвигатель АИР 90L4 (2,2 кВт, 1400 об/мин, ток 5,78А) - Эдв.
4. Электропневматический клапан 623-15G-A63 (нормально закрытый, 24В, присоединение 3/8') - 2шт. (на входе в камеру и на пневмоцилиндре).
5. Электропневматический клапан 348015-02 (3лин/2позиции - нормально открытый, 24В, присоединение G1/8') - 1шт. (На выходе камеры).
6. Температурный датчик TS1-K-3,8-5-M6-S1-1,5M-U - 1шт - измерение температуры теста ( tT ).
7. Температурный датчик TS1-K-4,8-30-M8-S2-1,5-U - 2шт. - измерение температуры охлаждающей воды на входе tß1 и выходе tß2 охлаждающей рубашки.
8. Датчик давления DMP 330M-1002-1-100-800-00R (Измеряемое давление избыточное Диапазон 0...10 бар; Выходной сигнал 4...20 мА /2-х пров.; Электрическое присоединение DIN 43650; Механическое присоединение М20 х 1,5 EN 873-1/-3).
9. Индуктивный датчик положения замка.
10. Расходом ер охлаждающей воды.
Структурная схема системы контроля
и управления сбивальной установкой представлена на рисунке 2.
Органы управления на рабочей панели пульта:
1. Тумблер «Сеть» - Общее включение
АСУ.
2. Поворотная ручка регулировки частоты вращения мешалки.
3. Тумблер ручного пневмораспредели -теля включения прямого и обратного хода пневмоцилиндра (нормально закрытый).
4. Большая красная грибовидная кнопка «Авария» - аварийная остановка работы установки - при нажатии выключается питание установки.
5. Красная кнопка «Стоп» ручного выключения электродвигателя.
6. Зеленая кнопка «Пуск» - ручного включения электродвигателя.
7. Зеленая кнопка «Выгрузка» - ручного включения вращения мешалки в обратном направлении. При этом автоматически включается скорость вращения, соответствующая этому режиму работы - скорость отличная от скорости вращения в прямом направлении. Реверс используется при выгрузке теста из камеры.
8. Зеленая кнопка «Сброс давления» ручного включения сброса давления в камере через нормально открытый пневмоэлектрокла-пан.
9. Зеленая кнопка «Подача давления в камеру» ручного включения подачи давления в камеру через нормально закрытый пневмо-электроклапан на входе камеры.
10. Переключатель «Ручн» / «Автомат» -переключение режимов «Ручной »-«Автоматический».
11. Зеленая индикаторная лампочка «Сеть».
12. Красная индикаторная лампочка «Замок открыт».
13. Красная индикаторная лампа «Перегрев теста ».
14. Зеленая индикаторная лампа «Перемешивание завершено».
15. Зеленая индикаторная лампа «Сбивание завершено»
Рисунок 2 - Структурная схема системы контроля и управления сбивальной установкой ЭП - электропривод; ПЧ - частотный преобразователь; ДТ1 - ДГ3 - датчик температуры; ДД - датчик давления; ИД - индуктивный датчик положения замка; Р - расходомер; ЭПК1 - ЭПК3 - электропневматический клапан; ПЛК - программируемый логический контроллер; ППУ - панель пульта управления; ПЭВМ - персональная ЭВМ; К - клавиатура; Д - дисплей; ПУ - печатающее устройство
Измеряемые и вводимые параметры
1. Давление в камере:
a. манометр на редукторе давления;
b. датчик давления - значение текущего давления считывается контроллером как один из параметров, управляющих работой уста -новки, и выводится на дисплей компьютера в соответствующую ячейку таблицы отслежива-емых параметров.
2. Температура теста:
а. температурный датчик Т81-К-3,8-5-М6-81-1,5М-и - текущее значение температуры считывается контроллером как один из параметров, управляющих работой установки, и выводится на дисплей в соответствующую ячейку таблицы отслеживаемых параметров.
3. Температураохлаждающейводы:
a. температурный датчик Т81-К-4,8-30-М8-82-1,5-и на входе рубашки;
b. температурный датчик Т81-К-4,8-30-М8-82-1,5-И на выходе рубашки. Текущие значения температуры на входе и выходе выводятся на дисплей в соответствующую ячейку таблицы отслеживаемых параметров, а также обрабатываются контроллером для вычисления количества отводимого от теста тепла.
4. Частота вращения мешалки:
а. можно считать визуально с панели частотного преобразователя. Для получения информации о частоте на панели частотного преобразователя необходимо, переключая последовательно выводимые на панель величины, выбрать «Частота вращения».
Ь. текущее значение частоты вращения мешалки выводится на экран дисплея в соответствующую ячейку таблицы выводимых на дисплей параметром процесса. Значение частоты берется с частотного преобразователя.
5. Крутящий момент на валу мешалки/Сила тока в обмотках двигателя:
а. текущее значение крутящего момента (УМП) на валу мешалки и/или значение потребляемого двигателем тока, выводится на экран дисплея в соответствующую ячейку таблицы выводимых параметров процесса. Значение силы тока берется с частотного преобразователя. Значение крутящего момента (УМП) вычисляется контроллером.
6. Текущее время эксперимента - постоянно отражается в выбранной ячейке таблицы выводимых параметров процесса.
7. График «Температура теста - Время».
8. График «Температура охлаждающей воды - Время».
9. График «Крутящий момент - Время».
10. График «Количество тепла, отводимого охлаждающей водой от теста - Время» (количество тепла вычисляется контроллером на основании значений расхода и температуры охлаждающей воды на входе и выходе).
Задаваемые параметры:
- задание рабочего давления;
- задание максимально допустимого значения тока потребляемого двигателем;
- задание числа оборотов мешалки при прямом вращении;
- задание числа оборотов мешалки при выгрузке (реверсивное вращение);
- задание максимально допустимой температуры теста;
- задание времени задержки момента выключения привода мешалки после прохождения максимума момента (УМП) на валу мешалки;
- задание времени задержки момента выключения привода мешалки после стабилизации крутящего момента (УМП), наступающего после прохождения максимума крутящего момента.
Алгоритм работы АСУ:
1. Установка может работать в двух режимах - «Ручной» и «Автоматический». Выбор режима производится переключателем «Ручн.»/ «Авт.».
2. В режиме «Автоматический» установка должна работать под управлением одной из нескольких программ, реализующих различные алгоритмы управления. (Процесс выбора и задания нужной программы из списка нуждается в доработке).
3. В режиме «Ручной»:
- пневмоэлектроклапан на входе камеры (нормально закрытый) - ЗАКРЬП;
- клапан на выходе (нормально открытый) - ЗАКРЬП;
- клапан на пневмоцилиндре (нормально закрытый) - ОТКРЬП;
- клапан на входе камеры открывается кнопкой «Подача давления в камеру»;
- клапан на выходе камеры открывается кнопкой «Сброс давления в камере»;
- нормально закрытый клапан на пневмоцилиндре в ручном режиме ОТКРЬП, если нет никаких запрещающих условий;
- клапан на пневмоцилиндре в ручном режиме закрыт если индуктивный датчик замка показывает «Закрыт», и/или датчик давления показывает давление в камере больше 0,1атм.
4. В режиме «Автоматический» в нормальном состоянии:
- нормально закрытый клапан на входе камеры - ЗАКРЫТ;
- нормально открытый клапан на выходе - ОТКРЫТ;
- нормально закрытый клапан на пневмоцилиндре - ЗАКРЬП.
5. Нормально закрытый клапан на входе в камеру в автоматическом режиме:
- открывается кнопкой «Подача давления в камеру», если индуктивный датчик положения замка показывает «закрыт»;
• не открывается кнопкой «Подача давления в камеру», если индуктивный дат-
чик положения замка показывает «открыт». В этом случае должна замигать индикаторная лампочка «Замок открыт». После того как замок будет закрыт, для подачи давления в камеру необходимо еще раз нажать кнопку «Подача давления в камеру».
6. Нормально открытый клапан на выходе камеры в автоматическом режиме:
- открывается кнопкой «Сброс давления в камере» (открывается всегда - ив ручном и в автоматическом режимах);
- открывается, если индуктивный датчик Замка показывает/переведен в положение «Открыт»;
- закрывается программой управления работой АСУ в автоматическом режиме после нажатия кнопки «Подача давления в камеру» при условии, что индуктивный датчик замка показывает «Закрыт».
7. Нормально закрытый клапан на пневмоцилиндре в автоматическом режиме:
- открывается после нажатия кнопки «Автомат» и открыт всегда, если нет запрещающих условий программы управления;
- закрывается, если индуктивный датчик положения замка показывает «Закрыт» и/или датчик давления показывает давление в камере больше 0,1атм.
8. ВКЛЮЧЕНИЕ привода мешалки в ручном и автоматическом режиме производится кнопкой «Пуск».
9. ВЫКЛЮЧЕНИЕ привода мешалки в ручном и автоматическом режиме производится кнопкой «Стоп».
10. ВЫКЛЮЧЕНИЕ привода мешалки в автоматическом режиме производится кнопкой «Стоп» или рабочей программой управления в соответствии с алгоритмом:
- если температура теста достигла максимально допустимого значения;
- если ток, потребляемый двигателем достиг максимально допустимого значения;
- через заданное время после прохождения максимума момента (УМП) на валу;
- через заданное время после прохождения минимума момента на валу.
11. ВКЛЮЧЕНИЕ режима «Выгрузка» -включение привода мешалки в реверсном направлении и в ручном и автоматическом режиме производится кнопкой «Выгрузка».
Порядок включения и работы установки:
1. Включить тумблер «Сеть», при этом должна загореться зеленая индикаторная лампочка «Сеть ».
2. Установить переключатель «Ручн.»/ «Авт.» в положение «Ручн».
3. Если мешалка находится в верхнем положении, внести необходимое количество исходных рецептурных компонентов, опустить мешалку до крайнего нижнего положения и закрыть замок.
- При закрытом замке пневмоцилиндр опускать мешалку не будет, т.к. электропнев-моклапан будет закрыт.
4. Если мешалка находится в нижнем положении, открыть замок и, управляя джойстиком ручного пневмораспределителя, поднять мешалку с помощью пневмоцилиндра.
- При закрытом замке пневмоцилиндр поднимать мешалку не будет, т.к. электроп-невмоклапан будет закрыт.
- При наличии давления в камере пневмоцилиндр поднимать мешалку не будет, т.к. электропневмоклапан будет закрыт, и давление в нижнюю камеру пневмоцилиндра подавать невозможно.
5. Внести необходимое количество исходных рецептурных компонентов, опустить мешалку до крайнего нижнего положения и закрыть замок.
6. Нажать кнопку «Подача давления в камеру».
7. После достижения заданного давления в камере установить автоматический режим работы установки переключателем «Ручн.»/ «Авт.».
8. Включить электродвигатель привода мешалки кнопкой «Пуск».
9. Далее управление процессом перемешивания и сбивания теста будет происходить автоматически по одной из программ автоматической работы вплоть до выключения привода мешалки.
АСУ может иметь несколько подпрограмм управления:
1. Программа управления «Ручной режим работы».
2. Программа управления - «Начало перемешивания».
3. Программа управления - «Процесс перемешивания теста с завершением через заданный промежуток времени ».
4. Программа управления - «Процесс перемешивания теста с завершением через за -данный промежуток времени после прохождения максимума момента на валу».
5. Программа управления - «Процесс сбивания теста с завершением через заданный промежуток времени».
6. Программа управления - «Процесс сбивания теста с завершением через заданный промежуток времени после прохождения максимального момента на валу мешалки».
7. Программа управления - «Процесс сбивания теста с завершением через заданный промежуток времени после стабилизации момента на минимальном уровне»:
- выбор текущей программы должен производиться из списка программ на экране монитора, например двойным щелчком левой кнопки мыши на соответствующей программе в списке;
- задание параметров процесса сбивания производится внесением значений соответствующих параметров в таблице задаваемых параметром на мониторе.
Программа управления. «Начало перемешивания» имеет несколько особенностей:
- включается каждый раз в начале любого перемешивания перед программой «Основное перемешивание» после последовательного нажатия кнопок «Автомат» и «Пуск»;
- задает два параметра - число оборотов мешалки и время начальной стадии перемешивания. Обычно обороты мешалки на этой стадии меньше, чем на основной - порядка 200300 об/мин. Время перемешивания - 1-3 мин.
Программа управления. «Процесс перемешивания теста с завершением через заданный промежуток времени»:
- после последовательного нажатия кнопок «Автомат» и «Пуск» вначале в автоматическом режиме запускается подпрограмма «Начало перемешивания» - (п= 200 об/мин , т=3 мин);
- после завершения подпрограммы «Начало перемешивания» сразу включается программа «Основное перемешивание» -(п=800 об/мин, х=10 мин), которая завершается через заданный промежуток времени - 10 мин;
- на стадии «Основное перемешивание» возможно выключение привода мешалки при превышении температуры теста максимально допустимого значения, при этом должна замигать красная индикаторная лампа «Перегрев теста».
Программа управления. «Процесс перемешивания теста с завершением через заданный промежуток времени после прохождения максимума момента на валу»:
- после последовательного нажатия кно -пок «Автомат» и «Пуск» вначале в автоматическом режиме запускается подпрограмма «Начало перемешивания» - (п= 200 об/мин , т=3 мин);
- после завершения подпрограммы «Начало перемешивания» сразу включается программа «Основное перемешивание» - (п=800 об/мин);
- процесс перемешивания теста завершается через заданный промежуток времени после прохождения максимума момента (УМП) на валу;
- на стадии «Основное перемешивание» возможно выключение привода мешалки при превышении температуры теста максимально допустимого значения, при этом должна замигать красная индикаторная лампа «Перегрев теста».
Программа управления. «Процесс сбивания теста с завершением через заданный промежуток времени»:
- после последовательного нажатия кнопок «Автомат» и «Пуск» вначале в автоматическом режиме запускается подпрограмма «Начало перемешивания» - (п= 200 об/мин , т=3 мин);
- после завершения подпрограммы «Начало перемешивания» сразу включается один из вариантов подпрограммы «Основное перемешивание»;
- после завершения подпрограммы «Основное перемешивание», сразу включается подпрограмма «Процесс сбивания теста с завершением через заданный промежуток вре -мени» (п=800 об/мин, т=40 е.).
Программа управления. «Процесс сбивания теста с завершением через заданный промежуток времени после прохождения максимального момента на валу мешалки»:
- после последовательного нажатия кнопок «Автомат» и «Пуск» вначале в автоматическом режиме запускается подпрограмма «Начало перемешивания» - (п= 200 об/мин , т=3 мин);
- после завершения подпрограммы «Начало перемешивания» сразу включается один из вариантов подпрограммы «Основное перемешивание»;
- после завершения подпрограммы «Основное перемешивание», сразу включается подпрограмма «Процесс сбивания теста с завершением через заданный промежуток времени после прохождения максимального момента на валу мешалки», например: п=800 об/мин, выключение происходит через т=5 с. после прохождения максимального момента (УМП) на валу мешалки.
Программа управления. «Процесс сбивания теста с завершением через заданный промежуток времени после стабилизации момента (УМП) на минимальном уровне»:
- после последовательного нажатия кнопок «Автомат» и «Пуск» вначале в автоматическом режиме запускается подпрограмма «Начало перемешивания» - (n= 200 об/мин , т=3 мин);
- после завершения подпрограммы «Начало перемешивания» сразу включается один из вариантов подпрограммы «Основное перемешивание»;
- после завершения подпрограммы «Основное перемешивание», сразу включается подпрограмма «Процесс сбивания теста с завершением через заданный промежуток времени после стабилизации момента на минимальном уровне», например: n=800 об/мин, выключение происходит через т=5 с после стабилиза-ции момента на минимальном уровне.
Таким образом, разработана универсальная смесительно-сбивально-формующая установка с автоматизированной системой контроля и управления технологическими процессами и структурообразования при интенсивном замесе, сбивании и формовании кондитерского теста, позволяющая создавать высокоэффективные технологии и конкурентоспособную продукцию высокого качества.
ЛИТЕРАТУРА
1 Магомедов, Г.О. Установка для приготовления сбивного теста (особенности работы и основные технические характеристики) [Текст] / Г.О. Магомедов, В.В. Богданов, А.В. Евсеев, М.Г. Магомедов // Весгник ВГУИТ. -2013. - № 1. - С. 17-23.
REFERENCES
1 Magomedov, G.O. Installation for préparation of whipped dough (feature of work and the main technical characteristics) [Text] / G.O. Magomedov, V.V. Bogdanov, A.V. Yevseyev, M.G. Magomedov // Bulletin of VSUET. - 2013. - № 1. - P. 17-23.
