Разработка функциональной схемы автоматизации процесса плавления сыра

Министерство образования и науки РФ
ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет»
Кафедра «Мехатроники и автоматизации технологических систем»
Разработка функциональной схемы автоматизации процесса плавления
сыра
пояснительная записка
к расчетно-графической работе
00.00.000 ПЗ
Выполнил: ст. гр. ПМ-081
Козлов Н.И.
Проверил: доц. Иванов П.П.
Кемерово 2021
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 2
1.ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ............ 3
1.1 Описание технологического процесса ......................................................... 3
1.2 Описание технологического оборудования ................................................ 3
2.2 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА КАК ОБЪЕКТА
АВТОМАТИЗАЦИИ. .............................................................................................. 8
3. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМЕ
АВТОМАТИЗАЦИИ ............................................................................................. 10
3.1 Требования к информационным функциям системы
автоматизации
................... 10
3.2 Требования к управляющим функциям системы автоматизации ........... 14
4. ОПИСАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ. ....... 15
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ .................................................. 16
00.00.000. ПЗ
Изм. Лист
№ докум.
Разраб.
Козлов Н.И.
Провер.
Иванов П.П.
Реценз.
Н. Контр.
Утверд.
Подпись Дата
Разработка функционально
й схемы автоматизации
процесса плавления сыра
Лит.
Лист
Листов
2
21
КемГУ, гр. ПМ-081
Введение
Плавленый сыр - молочный продукт, который вырабатывается из
сычужных сыров, сыров для плавления, творога, масла и других молочных
продуктов с добавлением специй и наполнителей путём плавления сырной
массы при температуре 75-95 °С. Изобретён в швейцарском городе Туне
швейцарцем Вальтером Гербером в 1911 году. Джеймс Крафт, основатель
одноименной компании "Крафт Фудз", в 1916 году запатентовал свой метод
производства плавленого сыра. Его компания в 1950 году впервые в мире
выпустила в продажу нарезанный ломтиками плавленый сыр.
Твердые сыры известны человечеству с незапамятных времен, а
плавленые - продукт XX века из высококачественных продуктов:
натуральных твердых жирных и обезжиренных сыров, масла натурального,
сухого коровьего молока и сливок.
Плавленый сыр - питательный молочный продукт, ценность которого
обусловлена высокой концентрацией белка и жира, наличием незаменимых
аминокислот, их хорошей сбалансированностью, а также витаминов, солей
кальция и фосфора, крайне необходимых для нормальной жизнедеятельности
организма человека. Сырьем для производства плавленых сыров является:
сыры натуральные с различными пороками внешнего вида, сыры нежирные,
сырная масса для плавления, жиры, масло, сливки, творог, сухое молоко,
СОМ, различные вкусовые наполнители, соли плавители и многое другое.
Разработка функциональной схемы автоматизации процесса
плавления сыра
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
2
1.Описание технологического объекта управления
1.1 Описание технологического процесса
Плавление сыра — это основной процесс при производстве плавленого
сыра. Обычно плавление сырной массы осуществляется в котлах с паровой
рубашкой и мешалкой. Нагрев сырной массы в котле происходит путем
подачи пара в межстенное пространство котла или путем ввода
непосредственно в сырную массу.
Незначительное отступление от верных режимов плавления сыра
может привести к получению испорченного продукта с нарушенной
структурой.
Составляющие будущего плавленого сыра нагреваются в специальной
ёмкости, постоянно перемешиваясь. Около 100 кг сырья при помощи ковша
на пневмоприводе закладывается в ёмкость для плавления. Каждые пару
минут через специальные отверстия в ёмкость попадает пар. Когда состав
нагреется до 60°С, нагрев останавливают, открывают крышку и добавляют
наполнители.
При нагреве до 53°С сыр уже становится жидким, но для
обеззараживания его продолжают нагревать до 95°С. По времени процедура
плавления занимает не более 15-20 минут. Если исходное сырьё имеет
большой процент влаги, температуру плавления следует увеличить.
Далее сыр выдерживают или в холодильнике до 15 часов, или
пропускают через холодильный туннель, в котором постоянно движется
холодный воздух. Тогда время остывания сокращается до двух часов.
Продукт считается остывшим при температуре 15°С. Масса затвердевает и
уже может перенести транспортировку и фасовку по коробкам.
1.2 Описание технологического оборудования
Процесс плавления сыра начинается с аппарата для плавления сырной
массы (рис.1)
Разработка функциональной схемы автоматизации процесса
плавления сыра
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
3
Рисунок 1- Аппарата для плавления сырной массы.
Аппарат (рис. 1) состорит из следующих основных частей:
станины, двух котлов, крышки котла, перемешивающего устройства,
коммуникаций с фильтрами для очистки пара, вакуум-насосной установки и
электрооборудования.
1 — станина; 2,3 — электродвигатели; 4 — поворотный кронштейн; 5
— крышка котла; 6 — перемешивающее устройство; 7 — котел; 8 — сливное
отверстие; 9 — держатель; 10 — полый шток.
Технические характеристики:
Параметр
Геометрическая вместимость котла, м3, не менее
Значение
0,125
Производительностью по расплавленной
сырной массе, цикл плавки 15 мин, кг/ч
400
Масса сырья, на одну плавку, кг, не более
100
Частота вращения мешалки, с1-(об/мин)
Температура плавления сырной массы, °С
Расход пара при избыточном
давлении 0,25 МПа, кг/ч, не более
Избыточное давление пара, подаваемого в
сырную массу и рубашку котла, МПа, не более
1,67 (100)
85 - 90
48
0,25
Разработка функциональной схемы автоматизации процесса
плавления сыра
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
4
Разрежение в котле, Мпа
0,05-0,065
Расход охлаждающей воды при избыточном
давлении 0,3 МПа, м3/с (л/ч), не более
Суммарная установленная мощность
электродвигателей, кВт
0,000042 (150)
16,2 2,2
Котел представляет собой цилиндрическую чашу с эллиптическим
дном, укомплектованную паровой рубашкой, теплоизоляцией и наружным
металлическим кожухом. Пар или горячая вода подводится в рубашку через
опорные цапфы, расположенные в средней части котла и служащие
одновременно осями, вокруг которых его поворачивают при выгрузке
сырной массы. Для выгрузки ее без опрокидывания котла в нижней его части
предусмотрено сливное отверстие, закрываемое шиберной заслонкой.
Перемешивающее устройство приводится в действие от трехскоростно
го электродвигателя. Привод обеспечивает вращение перемешивающего
устройства с частотой 86, 115 и 173 мин~'. Котлы поднимаются и опускают
при помощи электродвигателя.
Измельченную сырную массу загружают в котел, герметично
закрывают его крышкой, включают перемешивающее устройство и в
теплообменную рубашку (при необходимости и в котел) подают пар под
давлением 300 кПа. Сырная масса нагревается до 85...90°С. Плавление
осуществляется при перемешивании сырья в течение 15... 18 мин. По
окончании процесса из котла выливают расплавленную сырную массу,
второй котел заполняют исходным продуктом, перемещают к нему крышку с
мешалкой и поднимают. Процесс плавления повторяется.
Разработка функциональной схемы автоматизации процесса
плавления сыра
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
5
Рисунок 2 - Гомогенизатор для мягких и плавленых сыров.
Технические характеристики:
Параметр
Производительность, кг/ч
Установленная мощность, кВт
Рабочее давление гомогенизации, МПа
Температура продукта поступающего
на гомогенизацию, град.
Габаритные размеры, мм
Масса, кг.
Значение
500
4
15
70-80
1900х560х2234
800
1-змеевиковый охладитель; 2-трубопровод для подачи мела; 3-кривошипношатунный механизм; 4-гомогенизирующий клапан; 5-блок цилиндров; 6муфта; 7-станина; 8-устройство для выдвижения электродвигателя.
Разработка функциональной схемы автоматизации процесса
плавления сыра
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
6
В целях улучшения эмульгирования жира и получения более тонкой
структуры плавленого сыра, расплавленная сырная масса, непосредственно
после плавления подвергается эмульгированию.
Процесс эмульгирования состоит в следующем: на плавителе
открывается кран сливного отверстия и горячая сырная масса по
трубопроводам при помощи роторного насоса подается на эмульсор. После
эмульсора, если сырная масса недостаточно эмульгирована, она может быть
возвращена в плавитель, либо направлена на фасовку.
Для предохранения плавленых сыров от плесневения при обильном
обсеменении сырья спорами плесеней целесообразно использовать
сорбиновую кислоту, которая является фунгицидным веществом.
Сорбиновую кислоту вносят в конце плавления (из расчета 0,1% к общей
массе компонентов), предварительно размешав ее в небольшом количестве
воды температурой 25-30°С, которая учитывается при расчете рецептуры.
Для предохранения плавленых сыров, особенно пастообразных, от
возможности вспучивания при большой обсемененности сырья маслянокислыми бактериями рекомендуется использовать низин. Низин антибиотик, образуемый некоторыми штаммами Str.lactis.
По химическому составу низин-полипептид.
В плавленый сыр препарат низин вносят из расчета 1,5 г на 10 кг
готового продукта (150 ед/г). Рассчитанное количество препарата низина
вносят в сухом виде непосредственно в смесь перед плавлением или с сухими
компонентами (сливками, молоком, сывороткой), предварительно тщательно
перемешав.
Разработка функциональной схемы автоматизации процесса
плавления сыра
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
7
2.2 Анализ технологического процесса как объекта автоматизации.
В таблице 1 приведены параметры, подлежащие контролю и
регулированию, необходимые для решения задачи автоматизации данного
технологического процесса.
Таблица 1 – Контролируемые и управляемые параметры
технологического процесса
Технологическ
ое
оборудование
Котел
Технологичес
Параметр
Функция
кий процесс, технологичес системы
операция
кого
автоматиза
процесса
ции
загрузка
масса
плавление
Температура
в котле
Работа
мешалки
Положение
крышки
Гомогенизация
гомогенизаци
я
Давление
Задача
системы
автоматизаци
и
Контроль,
сигнализация
Контроль,
регул.
Сигнализация
блокировка
Контроль,
регул.
Сигнализация
Блокировка (по
величине
крутящ.
момента)
Контроль,
Сигнализация
Блокировка
Контроль
Сигнализация
Блок.
Разработка функциональной схемы автоматизации процесса
плавления сыра
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
8
1
Фасование
2
Дозирование
в формы
3
масса
Продолжение таблицы 1
4
5
Контроль.
Сигнализа
-ция
Запаивание
Контроль.
Сигнализа
-ция
Разработка функциональной схемы автоматизации процесса
плавления сыра
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
9
3. Функциональные требования к системе автоматизации
3.1 Требования к информационным функциям системы
автоматизации
Любая система автоматизации является совокупностью локальных
систем. В зависимости от выполняемых функция различают:
- системы автоматического контроля;
- системы автоматической сигнализации;
- системы автоматического регулирования;
- системы автоматического пуска и останова оборудования;
- системы автоматической защиты и блокировки;
- системы программно-логического управления.
Локальные системы должны обеспечивать требования технологического
регламента к точности, быстродействию и другим показателям их работы.
Используя данные из таблицы 1, зададим основные функциональные
требования к локальным системам для проектируемой системы
автоматизации (таблицы 2-5).
Таблиц 2 - Требования к системам автоматического контроля
Наименование
контролируемо
го параметра
Диапазон
измерения,
абс. единицы
Точность
измерения,
абс. единицы
Загрузка массы
в котел
0…100 кг
±0,5 кг
Температура
плавления в
котле
75…95 °C
±1°C
Показания
на экране
прибора и
монитора
Работа
мешалки
0.....60 об.
мин.
±1 об. мин.
Показания
на экране
прибора и
монитора
Давление
гомогенизации
0….15 МПа
±0,3 МПа
Показания
на экране
прибора и
монитора
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Способ
отображени
я
информаци
и
Показания
на экране
прибора и
монитора
Характеристи
ки
измеряемой
среды
Разработка функциональной схемы автоматизации процесса
плавления сыра
Лист
10
Продолжение таблицы 2
1
2
3
4
5
Таблица 3 - Требования к системам технологической сигнализации
Наименование
сигнализируемого
параметра
Температура
котле
Значение
сигнализируемого
Вид сигнала
параметра, абс.
единицы
в Предупредительная Световой
сигнализация:
t=95°C
Аварийная
Световой
сигнализация:
t > 97°C
Звуковой
Крышка котла
Аварийная
сигнализация:
Крышка открыта
Предупредительная
сигнализация:
p=15 МПа
Аварийная
сигнализация:
p > 16МПа
Гомогенизация
Световой
Звуковой
Световой
Световой
Звуковой
Примечание
Жёлтый цвет
лампы
Красный
мигающий
Звонок
Красный
мигающий
Звонок
Жёлтый цвет
лампы
Красный
мигающий
Звонок
Таблица 4 - Требования к системам производственной сигнализации
Наименование
технологического
оборудования
Изм. Лист
№ докум.
Состояние
оборудования, при
котором имеется
сигнал
Подпись Дата
Вид сигнала,
соответствующ
ий
определённому
состоянию
оборудования
Примечание
Разработка функциональной схемы автоматизации процесса
плавления сыра
Лист
11
Двигатель
мешалки
Гомогенизатор
Включено
Выключено
Аварийное
отключение
Включено
Выключено
Аварийное
отключение
Световой
Световой
Световой
Звуковой
Световой
Световой
Световой
Звуковой
Зелёный
Красный
Мигающий
красный
Звонок
Зелёный
Красный
Мигающий
красный
Звонок
Давление
Таблица 5 - Требования к системам автоматической защиты и
блокировки
Функция системы
Температура в котле
t > 100°C
Котел
Изм. Лист
№ докум.
Условия срабатывания
системы
Подпись Дата
Примечание
Температура в котле
после первичной
обработки
обеззараживания
Разработка функциональной схемы автоматизации процесса
плавления сыра
Лист
12
3.2 Требования к управляющим функциям системы автоматизации
Системы
автоматического
регулирования
и
управления
технологическим
оборудованием
предназначены
для
обеспечения
стабильного функционирования линии. Основные требования к ним
представлены в таблицах 6 и 7.
Таблица 6 – Требования к системам автоматического регулирования
Заданное
Допустимая
Регулирующий
Наименование
значение
статистическая
орган,
регулируемого регулируемого
ошибка
Тип САР
управляющее
параметра
параметра,
регулирования,
воздействие
абс. единицы
абс. единицы
Температура в
135°С
± 1°С
Стабилизируюкотле
щая
(разогрев)
непрерывная
Температура в
котле
(
плавления)
Давление
гомогенизации
150 бар
±0,2 бар
Стабилизирую- Дросель
на
щая
выходе
из
непрерывная
плунжерного
блока
Таблица 7 – Системы пуска и останова технологического оборудования
Наименование
Режим работы
технологического
системы
оборудования
Электродвигатель Местный
с приводом
ручной
перемешивающего
устройства
Дистанционный
ручной
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Место установки
органов управления
и их тип
Кнопочный пост по
месту
Примечание
Автоматизированное
рабочее
место
оператора-технолога
Разработка функциональной схемы автоматизации процесса
плавления сыра
Лист
13
4. Описание функциональной схемы автоматизации.
Сырная масса попадает в котел. Там она нагревается от 75°C до 90°C.
Температура нагрева контролируется системой, которая регистрирует и
выводит показания на экран монитора.
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Разработка функциональной схемы автоматизации процесса
плавления сыра
Лист
14
Список используемой литературы
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Разработка функциональной схемы автоматизации процесса
плавления сыра
Лист
15