автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка методов и систем автоматического контроля при производстве вин, насыщенных диоксидом углерода

6У/Ш - ¿г/т* - о

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

На правах рукописи УДК: 663.25.012-52 ВОРОБЬЕВА АЛЛА ВИКТОРОВНА

Разработка методов и систем автоматического контроля при производстве вин, насыщенных диоксидом углерода

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и

производств

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель -Д.т.н.,проф. Маклаков В.В. Научный консультант К.т.н.,доц. Жиров М.В.

Москва - 1999

Глава 1.

1.1.

1.2. 1.3.

1.3.1.

1.3.2.

1.3.3.

1.3.4.

Глава 2.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение_ 5

Обзор методов контроля и управления технологических процессов производства вин, насыщенных диоксидом

углерода_ 10

Контроль уровня жидкостей в технологических

резервуарах_ 10

Контроль расхода жидкостей_ 16

Анализ радиофизических параметров технологических

жидкостей_ 24

Характеристика радиофизических методов измерений _ 24 Электрофизические параметры технологических

жидкостей_ 27

Анализ технологических объектов и выбор методов

контроля уровня_ 32

Анализ технологических объектов и выбор методов

контроля расхода_ 34

Разработка радиофизических методов контроля уровня жидкостей в технологических резервуарах_ 39

2.1. Методы построения уровнемеров жидкостей__39

2.1.1. Корреляционный метод__3 9

2.1.2. Методы измерений на основе отрезков длинных линий__45

2.2. Методы построения инвариантных уровнемеров__61

2.2.1. Время-частотный метод и конструкции датчиков__64

2.2.2. Время-амплитудный метод и конструкции датчиков__72

2.2.3. Фазо-частотный метод и конструкции датчиков__78

2.2.4. Методы измерений с применением тестовых сигналов__84

Глава 3. Радиофизические методы контроля расхода

жидкостей__96

3.1. Резонансные методы___96

3.1.1. Конструкция П-образных волноводных резонаторов__98

3.1.2. Применение одно - торцевых волноводных резонаторов__105

3.2. Доплеровский метод__109

3.2.1. Частотный метод__111

3.2.2. Фазо - частотный метод__120

3.3. Корреляционный метод__127

3.4.

Косвенный метод определения расхода по изменению

Глава 4.

4.1.

4.2.

4.2.1.

4.3.

4.4.

5.

6. 7.

уровня жидкости в резервуаре

Применение радиоволновых датчиков уровня и расхода

в системах автоматического процесса производства

вин, насыщенных диоксидом углерода_

Первичная обработка информации_

140

140

Применение программируемых микропроцессорных

модульных систем для контроля и регулирования

расхода и уровня

152

Программное обеспечение автоматических систем

контроля

156

Разработка автоматических систем контроля и регулирования уровня и расхода бродильной смеси_

158

Применение радиоволновых датчиков и

программируемых микропроцессорных модулей в

автоматизированных

системах

управления

процесса производства вин, насыщенных диоксидом

углерода_

Заключение

Литература

Приложения

168

174

176

184

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных задач, стоящих при автоматизации технологического процесса, является достижение заданного режима, для обеспечения требуемого качества продукта.

Процесс автоматизации при производстве вин, насыщенных диоксидом углерода в непрерывном потоке заключается в обеспечении постоянства потоков, соблюдении заданных значений давления, температуры, измерения количественных параметров (расход и уровень) при перекачке и закачке в резервуары и постоянный контроль за другими технологическими параметрами, поскольку ставится задача получения готового продукта, характеризующего высокими показателями качества.

Технологическое оборудование для производства вин, насыщенных диоксидом углерода в непрерывном потоке оснащается приборами и средствами автоматизации, позволяющими наиболее полно удовлетворять требованиям технологии и безопасности обслуживания, а также существенно облегчает работу персонала.

Управление процессом осуществляется в едином потоке с автоматическим регулированием и контролем технологических параметров, обеспечивающих максимальную производительность оборудования при высоком качестве получаемого продукта.

Актуальность проблемы. При автоматизации процесса производства вин, насыщенных диоксидом углерода (шампанского, игристых вин), важное

место занимает контроль технологических параметров: уровень вещества в емкости, расход вещества, перемещаемого по трубопроводам.

Применяемые в настоящее время средства контроля запасов технологических жидкостей в резервуарах с поплавковыми, кондуктометрическим и иными известными датчиками уровня, не отвечают требованиям современного производства. Поэтому необходимо разработать новые методы определения уровня и расхода технологических веществ, в процессе производства шампанского, игристых вин и др.

Проведенный анализ показал, что, отсутствуют эффективные технические решения для бесконтактного контроля уровня и расхода. Поэтому могут быть применены методы, основанные на принципе взаимодействия электромагнитных волн высокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов частот с контролируемыми объектами.

Целью работы является разработка конструкции датчиков и автоматических систем контроля в процессе производства вин, насыщенных диоксидом углерода.

Основные задачи исследования:

• Анализ радиофизических методов и разработка на их основе средств для контроля уровня жидкостей в технологических емкостях производства вин, насыщенных диоксидом углерода;

• Выбор радиофизических методов и средств контроля расхода жидкостей в технологических трубопроводах;

• Разработка систем автоматического контроля и регулирования технологических параметров при производстве вин, насыщенных диоксидом углерода;

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы технической электродинамики, теории радиоволнового метода измерения неэлектрических величин, теории инвариантности измерительных устройств и имитационного моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан корреляционный метод контроля уровня жидкостей, основанный на возбуждении электромагнитных колебаний в объеме технологического резервуара в фиксированном диапазоне частот.

2. Предложен способ автоматического контроля уровня жидкостей в резервуарах, основанный на возбуждении электромагнитных колебаний в объеме технологической емкости в фиксированном диапазоне частот (корреляционный метод), в отрезках длинной линии (частотный, рефлектометрический методы).

3. Разработаны новые технические решения построения инвариантных двухканальных уровнемеров жидкостей, с отрезками длинных линий (частотный, амплитудный, фазо - частотный методы). Предложены структурные схемы инвариантных уровнемеров.

4. Разработан метод контроля расхода жидкостей в технологических трубопроводах: резонансный метод (с применением волноводных

резонаторов с упругими торцевыми стенками); доплеровские методы ( частотный, фазо - частотный), корреляционный метод. Разработан косвенный метод определения расхода по изменению уровня жидкости в технологической емкости. Для реализации этих методов разработаны соответствующие схемы расходомеров жидкостей.

5. Предложены системы автоматического контроля технологических параметров при производстве вин, насыщенных диоксидом углерода, на основе современных микропроцессорных технологий и программного обеспечения, реализующих функции аппаратно-программного интерфейса между технологическим процессом и управляющей вычислительной машиной.

Практическая ценность работы: разработаны эффективные методы автоматической системы контроля, которые позволяют измерить уровень и расход при производстве вин, насыщенных диоксидом углерода. Предложенные методы автоматической системы контроля этих параметров могут найти применение и в других отраслях пищевой промышленности.

Реализация результатов диссертационной работы. Разработанные в диссертации методы и автоматические системы контроля технологических параметров внедрены на Крымском винзаводе.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции «Приборостроение - 97», на конференциях профессорско - преподавательского состава Московского государственного

института пищевой промышленности. Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ по Госбюджетной теме (код ГАСНТИ: 65.01.81) «Разработка научных основ радиофизических методов контроля и управления технологических процессов пищевых производств». По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе получено три положительных решения на выдачу патентов России на изобретение.

ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА ВИН, НАСЫЩЕННЫХ ДИОКСИДОМ УГЛЕРОДА

1.1. КОНТРОЛЬ УРОВНЯ ЖИДКОСТЕЙ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

РЕЗЕРВУАРАХ

В пищевой промышленности и, в частности, в винодельческой, уровень жидкости в каком-либо резервуаре является одним из основных параметров, подлежащих измерению. Уровнемеры широко используются в отраслях, связанных с переработкой и транспортировкой больших объемов жидкостей (это винодельческая, спиртовая и ликеро-водочная отрасли, производство фруктовых вод, кваса, пива и др).

В настоящее время применяются многие типы уровнемеров жидкостей. К их числу относятся механические и поплавковые, гидростатические, электрические, акустические (ультразвуковые), радиоизотопные и другие приборы [10,43,58]. Основной классификацией уровнемеров следует считать такую, которая базируется на применяемых методах измерения уровня [43,58,65,61]. Эти методы группируются по тем физическим свойствам, различие которых у веществ, образующих поверхность раздела, положено в основу метода. Классификацию методов можно, в таком случае разделить на шесть основных групп методов, в соответствии с использованием различия

плотностей; акустических, тепловых, электрофизических, оптических, механических свойств, свойств сред, образующих поверхность раздела.

В пищевой отрасли наибольшее применение нашли лишь некоторые методы и реализующие их приборы. К их числу относятся, в первую очередь, механические уровнемеры и сигнализаторы уровня. Их принцип действия заключается в силовом воздействии контролируемого вещества на чувствительных элемент - поплавок, свободно плавающий на поверхности жидкости, или мембрану, щуп, зонд, лопасть и др.

Среди известных типов приборов такого типа находят применение, в частности [43]: уровнемеры поплавковые пневматического типа ДУЖП - 200 М; гидростатического типа ПИГ - 2; дифманометр - уровнемер мембранный показывающий типа ДУМП - 100.

В применяемых гидростатических уровнемерах и сигнализаторах уровня жидкостей принцип действия основан на определении давления столба жидкости или выталкивающей силы, действующей на опущенное в жидкость тело. Широко применяются гидростатические буйковые приборы, в которых измеряют выталкивающую силу, действующую на буек, погруженный в контролируемую жидкость. Используются, в частности, буйковые уровнемеры типов УБ - Э, преобразователь уровня УБ - ЭП и их аналоги.

Получили распространение в пищевой отрасли и электрические уровнемеры и сигнализаторы уровня [66,64]. Их принцип действия основан на изменении электрических параметров чувствительного элемента, помещаемого в контролируемую среду, в зависимости от изменения уровня

этой среды в емкости. По принципу действия электрические уровнемеры можно разделить на кондуктометрические и емкостные приборы. Принцип действия кондуктометрических приборов основан на измерении электрического сопротивления между электродами, опускаемыми в контролируемую среду, или между электродом и стенкой емкости. Эти приборы используются, главным образом, в качестве сигнализаторов предельных значений уровня. Так, такой сигнализатор уровня типа СБК предназначен для сигнализации достижения заданного уровня электропроводными жидкостями с удельной электрической проводимостью до 0,015 См/м. Регулятор - сигнализатор уровня типа ЭРСУ - 3 предназначен для контроля уровня жидкий электропроводных сред с удельной электрической проводимостью не менее 0,015 См/м. В винодельческой промышленности находят применение, в частности, кондуктометрические предельные датчики уровня ПСУ - 1, ДПСУ - 1 [8].

Принцип действия емкостных уровнемеров основан на измерении емкости конденсатора, погруженного в контролируемую среду, при изменении ее уровня вдоль оси конденсатора [10,5,45]. Так, такие уровнемеры типа РУС и модификации предназначены для контроля уровня диэлектрических и электропроводных жидкостей, в том числе агрессивных и взрывоопасных, и преобразования уровня в унифицированный сигнал 0-5,0 - 20 или 4-20 мА. В последнее время из отечественных разработок получили распространение емкостные приборы серии «РОС» и «РИС». Находят в пищевой промышленности также использование акустические

уровнемеры [43,19], в частности, различные модификации типа «ЭХО», «УЗС», «СИГМУР» для измерения уровня неоднородных, кристаллизующихся и выпадающих в осадок сред.

Несмотря на множество существующих методов и средств измерения уровня [10,43,67,60], на практике тем не менее число используемых типов уровнемеров относительно невелико. Это относится и к винодельческой промышленности, где определение объемного содержания вин и виноматериалов производится, в основном, мерниками, замерными емкостями, а также поплавковыми устройствами. При использовании, в частности, мерников не обеспечивается объективный количественный учет продукции, имеется ряд других недостатков (отсутствие контроля жидкости в потоке, увеличение потерь и ухудшение качества продукта из-за двойного перекачивания (закачка и откачка) в процессе каждого измерения и повышенной аэрации в мернике; трудоемкость процесса; низкая культура производства и др.).

Многие организации в течение ряда лет занимались созданием средств измерения количества винодельческой продукции. Было создано немало разных конструкций дозаторов, которые не оправдали себя. Создание дозатора осложнялось как повышенными требованиями отрасли, так и специфическими свойствами винодельческой промышленности. Основные требования, предъявляемые к средствам измерения объемного количества винодельческой продукции, сводятся к следующему: непрерывность дозирования; высокая точность дозирования (не более ± 0,2%); большая

пропускная способность (не менее 500 дал/ч); независимость точности дозирования от температуры, вязкости и содержания взвесей в контролируемой жидкости; надежность; долговечность; технологичность конструкции; легкость обслуживания, мойки, чистки и дезинфекции; экономичность; способность выдавать информацию в виде сигнала, который можно без искажений передавать на большие расстояния и непосредственно использовать в управляющих и регистрирующих машинах - аппаратах. Хотя и был создан дозатор, удовлетворяющий, в основном, предъявляемым требованиям (автоматическое измерение и выдача дискретно, дозами по одному декалитру) объемного количества тихих вин, виноматериалов, он, тем не менее, так и не был внедрен.

При выборе приборов для измерения уровня в условиях пищевого производства следует исходить из требований, предъявляемым к их точности, надежности, удобству обслуживания. Поплавковые и буйковые уровнемеры, например, не могут использоваться при контроле быстро кристаллизующихся жидкостей, липких и вязких продуктов. При применении все же таких приборов следует предусматривать возможность их быстрой без разборной мойки, а иногда и автоматической очистки -механической или с помощью растворов. Так, при измерении уровня виноматериалов требуется периодически удалять отлагающийся винный камень.

Для измерения уровня в технологических аппаратах производства вин, в том числе вин, насыщенных диоксидом углерода, привлекают внимание

бесконтактные уровнемеры, в частности радарного типа. В последние годы такие приборы освоены серийно как зарубежными фирмами (Krohne, Endress + Hauser, Saab и др.), так и рядом отечественных предприятий [12,20]. Однако, при большой потребности в уровнемерах для удовлетворения запросов отрасли с учетом высокой цены каждого такого прибора (стоимость одного зарубежного прибора превышает 10 тыс.долларов), их практическое массовое применение затруднено уже по этой причине. Кроме того, не проработан ряд принципиальных вопросов проведения измерений в замкнутых емкостях, в частности акратофорах, с учетом к тому же специфики условий измерений, свойств контролируемой жидкости.

Сравнительный анализ известных методов уровнеметрии приводит к выводу о целесообразности создания уровнемеров