Automatyczne sterowanie i optymalizacja operacji jednostkowych produkcji żywności - przegląd wybranych metod

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Automatyczne sterowanie i optymalizacja operacji jednostkowych produkcji żywności - przegląd wybranych metod"

Liliana Kasprzak
8 lat temu
Przeglądów:

1 Automatyczne sterowanie i optymalizacja operacji jednostkowych produkcji żywności - przegląd wybranych metod Dr hab. inż. Antoni Ryniecki, prof. nadzw. kwiecień Pojęcia podstawowe; cele i zadania automatycznego sterowania. 2. Podstawowe metody sterowania. 3. Współczesne trendy w sterowaniu procesem sterylizacji konserw. Podst. ozn.: T -temperatura τ -czas

2 Literatura Ryniecki. Komputerowe sterowanie procesami cieplnego utrwalania żywności. Postępy Nauk Rolniczych, Nr 5/95: Ryniecki A. Podstawy automatyzacji procesów w przemyśle spożywczym. Wyd. Akademii Rolniczej 1990, Poznań. Ryniecki A., D.S. Jayas. Process Control for Thermal Processing. Chapter 9 in: Computerized Control Systems in the Food Industry (ed. G.S. Mittal). M. Dekker, Inc. New York, USA. 1997, s

3 Pojęcia podstawowe (wykorzystano m.in.6 t. Encykl. PWN) 1. STEROWANIE: takie oddziaływanie na wejście obiektu sterowania, aby jego sygnały wyjściowe osiągnęły pożądaną wartość. St. ręczne: sterowanie realizowane przez człowieka; St. automatyczne: - za pomocą specjalnie skonstruowanego urządzenia (np. regulatora lub sterownika). 2. STEROWANIE W UKŁADZIE OTWARTYM (ręczne lub automatyczne): takie nastawienie wielkości wejściowej, aby na wyjściu otrzymać zadaną wartość (ważna charakterystyka obiektu). 3. STEROWANIE W UKŁADZIE ZAMKNIĘTYM (REGULACJA) takie ciągłe nastawianie wielkości wejściowej, które sprowadza do zera błąd regulacji e [e = wart. zadana minus wart. rzeczywista, wielk. wyj.] 4. AUTOMATYKA: dyscyplina naukowa zajmująca się teorią i praktyczną realizacją urządzeń sterujących procesami (gł. technologicznymi) samoczynnie, bez udziału człowieka. Etymologia słowa: gr. autómatos = samoczynny 5. AUTOMATYZACJA: praktyczne zastosowanie automatyki.

4 Przykłady sterowania Jerzy Kostro: Podstawy automatyki. WSiP, p zas p st 1 Układ sterowania temperatury pieca opalanego gazem 1 termometr manometryczny. Układ AUTOMATYCZNEGO sterowania temperatury pieca opalanego gazem. 1 termometr, 2 mieszek sprężysty, 3 dźwignia, 4 dysza, 5 - siłownik membranowy, 6 zawór, 7 śruba do nastawiania wartości zadanej, p zas ciśnienie zasilania, p st ciśn. sterujące.

5 Cele automatyzacji w inżynierii procesowej Automatyzacja? najlepsze narzędzie na czas globalnej konkurencji i rosnących wymagań konsumentów. Automatyzacja? najlepsza by poprawić wskaźnik jakości do kosztów produkcji. Cele ogólne (wybrane) 1. Eliminacja monotonnych czynności. 2. ELIMINOWANIE ZAKŁÓCEŃ in-line (tak, aby zmniejszyć problemy kontroli jakości off-line) 3. Zmniejszenie kosztów energii i pracy (precyzyjne i oszczędne wykorzystanie energii, zmniejszenie odpadów, zwiększenie potencjału prod., zmniejszenie zatrudnienia). 4. Polepszenie jakości produktów (np. lepsze zachowanie naturalnych własności żywności dzięki precyzji procesu) 5. Wykrywanie in-line braku właściwej zawartości pożądanych składników. 6. Wykrywanie in-line niepożądanych składników.

6 Cele automatyzacji w inżynierii procesowej c.d. Cel wewnętrzny inżynierii sterowania: doskonalenie układów sterowania automatycznego; można je podzielić na: > PODSTAWOWE UKŁADY STEROWANIA: stabilizacja wartości podstawowych parametru procesów, takich jak temperatura, ciśnienie, ph itp. (operacje jednostkowe muszą przebiegać w kontrolowanych warunkach), np. najkorzystniejsza temperatura sterylizacji konserw mieści się w granicach 121,1 ± 0,2 C; > ZAAWANSOWANE UKŁADY STEROWANIA: parametry procesu powinny być utrzymywane na optymalnym poziomie tak, aby zapewnić: - najwyższą możliwą jakość (pożądane cechy) produktu i - najmniejsze koszty produkcji, np. minimalne zużycie energii.

7 Układ regulacji sterowania (feedback control) Budowanie sprzężenia zwrotnego Zakłócenia sterująca Obiekt kontrolowana (proces) regulowana Element Element wykonawczy pomiarowy Tor sprzężenia zwrotnego Sygnał Sygnał sterujący Regulator błędu regulacji Węzeł sumacyjny Wartość zadana wielkości regulowanej

8 Obiekt sterowania proces (lub ogólniej układ dynamiczny), którego pewien istotny parametr (lub ogólniej stan) podlega sterowaniu lub regulacji. Obiekt automatyzowany - urządzenie, maszyna lub aparatura technologiczna, w której zachodzi proces sterowania lub regulacji. kontrolowana (sterowana, regulowana) PARAMETR wyodrębniony spośród innych wielkości fizycznych obiektu, którego wartość należy utrzymywać na określonym poziomie (stałym lub zmieniającym się w czasie). sterująca wielkość fizyczna, która ma decydujący wpływ na wartość wielkości kontrolowanej lub regulowanej w obiekcie regulacji.

9 Sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym schemat uproszczony (FEEDBACK CONTROL) Zakłócenia Obiekt regulowana sterująca Element wykonawczy Element pomiarowy Regulator Wartość zadana

10 Sterowanie z pomiarem zakłóceń FEEDFORWARD CONTROL Zakłócenia są Czujnik Zakłócenia mierzone bezpośrednio i układ regulacji podejmuje akcję eliminowania ich skutków. sterująca Obiekt Element Element wykonawczy pomiarowy regulowana Stosuje się tam, gdzie nie można zmierzyć wielkości regulowanej Regulator lub Wartość zadana sterownik

11 Automatyczne Sterowanie Sterylizacją Konserw Zarys problemu 1. Sterylizacja konserw zabicie mikroorganizmów tak, aby wyeliminować ryzyko zepsucia i zatrucia lub zachorowania konsumentów. 2. Inaktywacja żyjących mikroorganizmów (której wskaźnikiem jest tzw. letalność skumulowana F) (F h ) + (F c ). Udział F c może dochodzić nawet do 40% letalności całkowitej. 3. Od chwili rozpoczęcia chłodzenia konserw nie ma możliwości wpływania na letalność F c dlatego F c musi być przewidywana on-line. 4. Termo-bakteriologia zdefiniowała najkorzystniejsze wartości F dla różnych rodzajów konserw (np. dla mięsnych F zad = 6 min). Przekroczenia tej wartości sygnalizowane były w literaturze światowej. 5. Współczesne trendy optymalizacja realizowana przez sterowanie z pomiarem zakłóceń i wykorzystaniem modeli matematycznych (sterowanie komputerowe).

12 Zaawansowane Sterowanie Sterylizacją Konserw Zakłócenia Wielkości sterujące: Zakłócenia kontrolowana: if [ F Proces ogrzewania h τ τ Termostat og d T R Idea sterowania: ( τ ) c d + ( τ ) ] F F Czujnik temperatury T R Obiekt: τ proces og sterylizacji konserw Sygnał Feedforward control sterujący Sterownik z modelem matematycznym Letalność Skumulowana F(τ) Wartość Zadana: F d

13 Algorytm zaawansowanego sterowania sterylizacją konserw Start 1. Dane: wpisz dane niezbędne do wyliczenia T shp (τ), T ref, z, F zad i T end 2. Start ogrzewania: - otwórz zawór dopływu pary grzejnej, - uruchom regulator temperatury T R ; - zmienna faza procesu = ogrzewanie 3. Odczekaj do upływu Δτ, zmierz T R (τ) 4. Oblicz i zapamiętaj: T shp (τ), T scp (τ), L(τ) i F(τ) 5. Jeśli zmienna faza procesu = ogrzewanie : 5A. Oblicz F c (τ) zakładając, że chłodzenie rozpoczyna się w aktualnej chwili (τ); 5B. Jeśli suma (F(τ) + F c (τ) F zad ), to: zamknij dopływ pary grzejnej, otwórz dopływ wody chłodzącej, faza procesu = chłodzenie, przeskocz do p-ktu Jeśli (T scp (τ) T end ) przeskocz do p-ktu 3 Zakończ proces

14 Ogólna metoda Balla i Olsena obliczania wyjałowienia żywności (General Method of Ball & Olsen to calculate bacterial inactivation ) τ F( τ ) = n n L( τ ) = τ n 10 [ T shp ( τ ) T ref ]/ z dz τ 0 τ 0 F( τ n ) τ 0 τ n L T shp T ref z letalność skumulowana, [min] chwila rozpoczęcia wyjaławiania, [min], chwila obliczania aktualnej wartości F, [min], letalność (ang. lethality), temperatura w najmniej dogrzanym miejscu opakowania w fazie chłodzenia, [ C], temperatura odniesienia dla obliczeń procesu wyjaławiania (121,1 C 250 C), współczynnik efektu letalnego (stały dla danego szczepu drobnoustrojów i danej temperatury odniesienia T ref, [ C] (it is the temperature difference required for thermal death-time curve to traverse 1 logarithmic cycle).

15 Pytania 1. Przedstaw definicję sterowania. 2. Jaka jest zasadnicza różnica między sterowaniem i regulacją? 3. Czym się różni sterowanie w układzie zamkniętym od sterowania w układzie otwartym? 4. Wyjaśnij pojęcia: obiekt regulacji, wielkość regulowana, wielkość sterująca na dowolnym przykładzie układu regulacji. 5. Opisz zadania regulatora na dowolnym przykładzie układu regulacji. 6. Jaką rolę pełni sprzężenie zwrotne w układzie sterowania. 7. Wymień i wyjaśnij 3 najważniejsze cele automatyzacji w inżynierii procesowej. 8. Jakie zadania stawia się przed zaawansowanymi układami sterowania operacjami jednostkowymi w inżynierii procesowej i czym te zadania różnią się od zadań tzw. podstawowych układów sterowania. 9. Narysuj i objaśnij schemat blokowy układu regulacji czyli sterowania ze sprzężeniem zwrotnym (w j. ang. feed-back control). 10.Narysuj i objaśnij ogólny schemat blokowy układu sterowania z pomiarem zakłóceń (w j. ang. feed-forward control). 11.Narysuj i objaśnij schemat blokowy zaawansowanego sterowania sterylizacją konserw. 12.Przedstaw algorytm zaawansowanego sterowania sterylizacją konserw.

Podobne dokumenty

Automatyka i sterowania

Automatyka i sterowania Układy regulacji Regulacja i sterowanie Przykłady regulacji i sterowania Funkcje realizowane przez automatykę: regulacja sterowanie zabezpieczenie optymalizacja Automatyka i sterowanie