Задача автоматизации
Высокое качество консервной продукции достигается благодаря четкой и слаженной организации всех этапов переработки, начиная с сортировки, мойки, бланшировки, фасовки и заканчивая упаковкой и стерилизацией. Стерилизация считается одним из ключевых и наиболее ответственных процессов в обработке сельскохозяйственных продуктов.
Для этого этапа используются аппараты периодического действия, такие как автоклавы. Эффективное управление автоклавами может быть реализовано с использованием наших шкафов автоматики, что позволяет создать надежную автоматизированную систему управления (АСУ). Основной задачей такой системы является контроль двух главных параметров процесса автоклавирования: температуры и давления.
Процесс стерилизации
Современные промышленные автоклавы отличаются высокой производительностью и делятся на два основных типа: вертикальные и горизонтальные. В консервной индустрии наиболее распространены вертикальные модели, поскольку они подходят для стерилизации всех видов консервов, упакованных как в стеклянную, так и в жестяную тару. Несмотря на разнообразие моделей, принцип их работы остается единым. Он заключается в нагреве продукта, обычно расфасованного в стеклянную или жестяную упаковку, до высоких температур под повышенным давлением. Это давление, превышающее атмосферное, позволяет компенсировать температурное расширение нагреваемого содержимого, предотвращая повреждение упаковки. Уровень давления определяется формулой автоклавирования и зависит от температуры стерилизации, типа упаковки, коэффициента термического расширения продукта и прочих факторов.
Процесс стерилизации состоит из нескольких этапов. На первом этапе, который называется загрузкой, в автоклав заливают холодную воду, которая затем нагревается до нужной температуры. После достижения заданной температуры в устройство помещают продукцию и герметично закрывают крышку. Далее следует второй этап – тепловая обработка. На этом этапе температура повышается до установленного значения и удерживается в течение определенного времени, чтобы обеспечить необходимый уровень обработки. Третий этап – охлаждение. Нагрев прекращают, в автоклав подают холодную воду для постепенного снижения температуры содержимого с одновременным выравниванием давления. Завершив этот этап, процесс пастеризации считается оконченным.
Автоматизированная система управления автоклавом
Основной задачей автоматизированной системы управления (АСУ) является регулирование двух ключевых параметров процесса автоклавирования – температуры и давления. На рисунке представлена структура системы, отвечающей за автоматизированный контроль и управление процессом стерилизации консервов в автоклаве. Данная система оснащена автоматизированным рабочим местом (АРМ) оператора и охватывает все этапы стерилизации: наполнение автоклава водой, подогрев, загрузку продукта, повышение температуры и давления, собственно процесс стерилизации, а также охлаждение консервов. В качестве главного элемента управления выступает программируемый логический контроллер ОВЕН ПЛК150, обеспечивающий возможность создания систем управления высокой степени сложности. Измерение внутреннего давления в автоклаве осуществляется с помощью датчиков, обеспечивающих унифицированный выходной сигнал (4…20 мA), который поступает на входы контроллера. Температура и давление в процессе взаимозависимы, и для управления ими используется система с двумя взаимосвязанными каналами регулирования. Управление выходными устройствами осуществляется модулем ОВЕН МВУ8, взаимодействующим с контроллером через интерфейс RS-485. Для предотвращения аварийных ситуаций на стадии охлаждения продуктов, когда происходит слив горячей воды и заполнение автоклава холодной, в магистрали холодного водоснабжения установлен датчик давления. Он контролирует уровень напора воды, необходимый для нормального функционирования системы. В случае падения напора ниже допустимого значения система посылает оператору сигнал на АРМ. После получения сигнала оператор обязан закрыть кран, соединяющий автоклав с магистралью холодного водоснабжения, и переключить его на подачу воды из резервного бака. После этого работа автоклава будет продолжена в соответствии с заданной программой. По желанию заказчика возможно дополнительно организовать контроль давления в магистралях подачи пара и воздуха.
Передача данных и управление на верхнем уровне реализуются через интерфейс Ethernet. Для задач визуализации, архивирования и управления процессом применяется программная среда CoDeSys, выступающая в роли SCADA-системы. Однако, по желанию заказчика, может быть использована любая другая SCADA-система. Для отображения технологической информации непосредственно на объекте предусмотрена операторская панель ОВЕН ИП320. Связь между панелью и контроллером осуществляется с использованием сетевого интерфейса RS-485. В качестве исполнительного механизма установлен мембранный односедельный пневматический клапан (МИМ). Его выбор обоснован высокой скоростью срабатывания и чувствительностью к управляющему сигналу, что делает его более эффективным по сравнению с электрическими приводами. Поскольку исполнительные механизмы являются пневматическими, в системе предусмотрены электропневматические преобразователи (ЭПП) для трансформации стандартного электрического сигнала (4…20 мА) в пневматический сигнал (0,02…0,1 МПа).
Система автоматического управления автоклавом обеспечивает:
— Организация централизованного сбора данных о ходе процесса и текущем состоянии автоклавов на персональном компьютере.
— Вывод необходимых данных (номер варки, ФИО оператора, давление и температура в автоклаве) и оперативной информации в текстовом и графическом форматах (графики зависимости давления и температуры от времени) на экран компьютера.
— Выполнение расчетов и описание функций управления для внедрения автоматического регулирования процесса стерилизации. — Автоматизация управления клапанами для точного выполнения установленной формулы стерилизации.
— Возможность выбора формулы стерилизации из списка или вручную с панели оператора для выполнения процесса варки в каждом автоклаве.
— Создание архива данных каждого цикла варки консервов с возможностью последующего просмотра и печати информации на принтере.
— Мониторинг производственного процесса с рабочего места оператора через компьютер.
— Повышение ресурса работы автоклавной установки за счет строгого соблюдения технологического режима.
— Гарантированное обеспечение высокого качества продукции благодаря точному поддержанию параметров обработки изделий.
— Повышенная безопасность работы установки за счет встроенных автоматических защитных систем и блокировок.
— Снижение затрат энергоресурсов благодаря оптимизации технологического процесса и строгому соблюдению алгоритмов работы.
— Уменьшение затрат труда при обслуживании оборудования.
Результат автоматизации
Автоматизированная система управления (АСУ), описанная в статье, была успешно внедрена и оптимизирована на консервном предприятии. За всё время эксплуатации данной системы не зафиксировано ни одного случая выпуска бракованной продукции, что подчёркивает её экономическую эффективность и оправданность внедрения. Ранее используемые системы, а также ручное управление, не могли гарантировать должного качества процесса варки, поскольку был заметен негативный эффект человеческого фактора. Новая система полностью устранила эти проблемы. Сотрудники пищекомбината отмечают, что использование данной АСУ отличается простотой и высокой степенью интуитивной понятности. Освоить все основные функции можно буквально за один день, проводя варки самостоятельно по инструкции или под руководством специалиста. К примеру, для обучения инженеров предприятия работе с SCADA-системой специалиста потребовалось всего несколько часов. Лабораторные специалисты, отвечающие за контроль качества продукции, также высоко оценили систему. Вся необходимая информация централизованно хранится на едином компьютере. Кроме того, сохраняются файлы каждой варки, которые содержат такие данные, как графики температуры и давления, формулы стерилизации, а также данные об операторе, таре и типе продукта. Эта информация доступна сразу на трёх уровнях: в цехе, в лаборатории и на бумажных копиях. Компания в настоящее время работает над созданием обновлённой версии системы, которая сможет одновременно управлять несколькими автоклавами с одной рабочей станции. Это инновационное решение значительно сократит затраты на производство таких систем.