- 140 -

Проектирование системы управления расстойным шкафом

Синегубкин Сергей Александрович Ó1998

Содержание:

Страница:

1. Введение

2. Описание процесса расстойки тестовых заготовок. Требования к системе управления

2.1. Стадии производства хлебобулочных изделий

2.2. Описание процесса расстойки тестовых заготовок

2.3. Конструкция расстойного шкафа

2.4. Требования к системе управления расстойным шкафом

3. Разработка полной математической модели процессов в расстойном шкафу

3.1. Сведения из теории термодинамики и теплопередачи

3.2. Модель поддержания заданной температуры

3.3. Модель поддержания заданной влажности воздуха

4. Разработка и идентификация упрощенной математической модели процессов в расстойном шкафу

4.1. Принятые упрощения и допущения

4.2. Уравнение теплового баланса расстойного шкафа

4.3. Теплота, затрачиваемая на прогрев воздуха

4.4. Тепловой поток с поверхности ТЭНов

4.5. Тепловой поток, получаемый тестовыми заготовками

4.6. Тепловой поток, получаемый тележками

4.7. Потери теплоты через стенки расстойного шкафа

4.8. Система дифференциальных уравнений

4.9. Расчет и идентификация процессов протекающих в расстойном шкафу

5. Выбор элементов и конструкции системы управления расстойным шкафом

5.1. Состав системы управления

5.2. Принцип работы системы управления расстойным шкафом

6. Расчет параметров СУ, обеспечивающих заданный режим

6.1. Выбор мощности ТЭНов

6.2. Выбор допуска на отклонение температуры

6.3. Расчет циркуляционного вентилятора

7. Технологическая часть: автоматизация процесса испытаний асинхронных двигателей малой мощности

7.1. Автоматизированная установка для проведения приемо-сдаточных и периодических испытаний асинхронных двигателей малой мощности

7.2. Программа испытаний

7.3. Определение коэффициента трансформации, тока и потерь холостого хода и короткого замыкания

7.3.1. Определение коэффициента трансформации

7.3.2. Определение потерь холостого хода

7.3.3. Определение тока и потерь короткого замыкания.

7.4. Определение КПД, коэффициента мощности и скольжения по рабочей характеристике

7.5. Определение максимального и минимального вращающих моментов

7.5.1. Определение максимального вращающего момента

7.5.2. Определение кривой вращающего момента при пуске.

7.5.3. Способ определения максимального вращающего момента непосредственным измерением вращающего момента при нагрузке.

7.5.4. Вычисление максимального вращающего момента по мощности на валу и частоте вращения при нагрузке электродвигателя.

7.5.5. Определение минимального вращающего момента.

7.6. Определение соответствия номинальных показателей двигателей требованиям стандартов

7.6.1. Методы контроля номинальных показателей электродвигателей по результатам приемо-сдаточных испытаний

7.6.2. Автоматизированная испытательно-диагностическая система для контроля за качеством электродвигателей с использованием ЭВМ

8. Экономическая часть: расчет трудоемкости и затрат на ОКР по разработке СУ расстойного шкафа

8.1. Структура планируемой к разработке СУ расстойным шкафом и данные о составе элементов СУ-аналогов

8.2. Расчет трудоемкости проектирования СУ

8.3. Распределение трудоемкости по основным этапам ОКР

8.4. Расчет трудоемкости, стоимости и длительности цикла разработки СУ

8.5. Определение длительности этапов и построение календарного графика разработки СУ

8.6. Расчет распределения трудоемкости этапов по календарным периодам и построение графика готовности разработки СУ на конец календарного периода

8.7. Расчет распределения материальных затрат и фонда основной заработной платы по календарным периодам

9. Охрана труда и окружающей среды: безопасность труда при работе с расстойным шкафом

9.1. Анализ опасностей и вредностей

9.2. Безопасность работы технологического оборудования

9.3. Электробезопасность

9.4. Обеспечение на рабочих местах нормативных метерологических условий

9.5. Борьба с вредным воздействием шума и вибраций

9.6. Выводы по охране труда и окружающей среды

10. Заключение

11. Приложения

11.1. Приложение 1: программа для расчета термодинамических процессов и для исследования работы СУ расстойного шкафа

11.2. Приложение 2: спецификация к сборочному чертежу

12. Список используемой литературы

1Введение

С целью наиболее полного удовлетворения потребности населения в хлеббулочных изделиях расширенного ассортимента и высокого качества необходимо использовать прогрессивные производственные технологии, реконструировать и обновлять производство таким образом, что позволит получить наивысший экономический эффект.

Наиболее полно данная проблема может быть решена путем создания комплексов минипекарен, где наиболее гибко и рационально решаются как технологические, так и экономические задачи.

Комплекс вопросов, связанных с разработкой и внедрением автоматизированных систем управления технологическим оборудованием минипекарен, используемым при производстве хлебобулочных изделий в настоящее время может успешно решаться на базе сформировавшихся научных достижений в области технологии хлебопекарного производства, автоматизации производственных процессов и освоения информационной, измерительной и вычислительной техники.

Технологические процессы хлебопекарного производства характеризуются многокомпонентностью исходного сырья, высокой степенью неопределенности на различных этапах протекания процесса производства пшеничного хлеба, нелинейными зависимостями между параметрами, т.е. являются сложными системами. В большинстве своем они представляют собой сочетание гидродинамических, тепловых, биохимических и механических процессов.

Цель настоящего дипломного проекта заключается в создании такой системы управления расстойным шкафом, входящим в состав комплекса минипекарни, которая позволит полностью использовать внутренние ресурсы перерабатываемого сырья, улучшить качество выпекаемых изделий, уменьшить процент брака и снизить трудоемкость операции расстойки тестовых заготовок.

В в связи с этим в данном дипломном проекте выбраны к рассмотрению следующие вопросы:

• описание процесса расстойки тестовых заготовок и требования к системе управления;

• разработка полной математической модели процессов в расстойном шкафу;

• разработка и идентификация упрощенной математической модели процессов в расстойном шкафу;

• выбор элементов и конструкции системы управления;

• расчет параметров системы управления, обеспечивающих заданный режим;

• автоматизация и технология приемо-сдаточных и периодических испытаний асинхронных двигателей малой мощности (в технологической части);

• расчет затрат на ОКР по разработке СУ расстойного шкафа (в экономической части);

• безопасность труда при работе с расстойным шкафом (в разделе охраны труда и окружающей среды).

Спецчасть

2Описание процесса расстойки тестовых заготовок. Требования к системе управления

2.1Стадии производства хлебобулочных изделий

Процесс производства хлебобулочных изделий делится на три основные стадии:

1. приготовление теста;

2. разделка тестовых заготовок;

3. выпечка хлеба,

которые, в свою очередь, делятся соответственно на технологические операции:

• замес теста и его созревание;

• деление теста на куски;

• округление тестовых заготовок;

• предварительная расстойка;

• закатка;

• окончательная расстойка;

• выпечка хлеба.

2.2Описание процесса расстойки тестовых заготовок

Одной из важнейших технологических операций выпечки хлебобулочных изделий является процесс расстойки тестовых заготовок. Расстойка теста является предпоследней стадией производства, на которой происходит окончательная подготовка тестовой заготовки к процессу выпечки.

До процесса расстойки сформированная тестовая заготовка имеет беспористую структуру. Поэтому для протекания процесса релаксации напряжений, разрыхления тестовой заготовки, т.е. придания ей пористой структуры и формы будущего хлеба или хлебобулочного изделия проводится процесс окончательной расстойки. Чтобы данный процесс протекал достаточно интенсивно и без образования подсохшей корочки на поверхности тестовой заготовки, параметры воздуха (Т_в, W_в) в расстойном шкафу должны соответствовать определенным значениям температуры и относительной влажности (35-45°С, 75-85%).

При расстойке протекают биохимические, микробиологические, коллоидные и физические процессы.

При поступлении тестовой заготовки в расстойный шкаф на ее поверхности конденсируется влага и интенсифицируется процесс теплопередачи от паровоздушной среды к тестовой заготовке. В результате этого скорость прогрева ее поверхности увеличивается. Влага, покрывающая тестовую заготовку, предотвращает ее от заветривания. Конденсация влаги прекращается по достижении поверхностью тестовой заготовки температуры точки росы.

После удаления диоксида углерода в результате формирования тестовой заготовки, он опять начинает продуцироваться хлебопекарными дрожжами. В начале расстойки процесс газообразования протекает достаточно интенсивно ( участок кривой скорости изменения электрического сопротивления (см. рис. 2.1) до первого экстремума). Это можно объяснить повышением активности дрожжевых клеток в результате насыщения тестовой заготовки кислородом воздуха после ее разделки и частичным удалением продуктов жизнедеятельности дрожжей. При расстойке образующийся диоксид углерода задерживается тестом, что приводит к увеличению его объема и созданию пористой структуры.

Давление пузырьков диоксида углерода, образующихся вокруг дрожжевых клеток, увеличиваясь, приводит к растягиванию клейковинного каркаса и образованию пор, которые при дальнейшем газообразовании увеличиваются в объеме. Выравнивание внутреннего давления между порами осуществляется по капиллярам. В момент увеличения пор в размерах происходит снижение в них внутреннего давления и соответственно снятие внутренних напряжений клейковинного каркаса, т.е. в тесте периодически происходит релаксация накапливающихся напряжений. Это способствует образованию тонкостенной пористой структуры. На релаксацию напряжений оказывают влияние также ферментативные процессы. Изменение температуры тестовой заготовки и ее структуры приводит к изменению кинематической вязкости.

рис 2.1.

Через определенное время наблюдается спад интенсивности газообразования ( участок кривой скорости изменения электрического сопротивления после первого экстремума максимума). Это объясняется угнетением дрожжевых клеток продуктами их жизнедеятельности. В этот период времени до экстремума минимума скорости изменения электрического сопротивления происходит адаптация дрожжей к новым условиям жизнедеятельности (полностью анаэробным). После этого интенсивность газообразования увеличивается.

Второе экстремальное максимальное значение скорости изменения электрического сопротивления, отражающей динамику формирования структуры тестовой заготовки, соответствует готовности теста, так как далее начинается флуктуация газовыделения, приводящая со временем к уплотнению структуры теста, т.е. к перерасстойке. Готовность тестовой заготовки в данный момент подтверждается экстремальным минимальным значением скорости изменения температуры поверхностного слоя и качеством готового хлеба.

Обменные процессы, происходящие на поверхности тестовой заготовки могут быть также охарактеризованы кривой dT/dt (скорость изменения температуры поверхностного слоя тестовых заготовок в процессе расстойки), вид которой приведен на рис. 2.2. Кривая имеет три ярко выраженных экстремума, каждый из которых характеризует качественные изменения, происходящие в тестовой заготовке в период окончательной расстойки.

рис 2.2

При поступлении тестовой заготовки в расстойный шкаф, когда температура заготовки меньше температуры точки росы паровоздушной среды, происходит достаточно сильная конденсация влаги на поверхности тестовой заготовки. Конденсация влаги приводит к ускоренному повышению температуры тестовой заготовки (участок а-б). Достижение экстремума максимума в точке “б” соответствует нагреву поверхности тестовой заготовки до температуры точки росы окружающей среды. Конденсация влаги предотвращает заветривание поверхности и образование трещин при увеличении тестовой заготовки в объеме. Более того, насыщение влагой поверхностного слоя тестовой заготовки обеспечивает закупорку капилляров, что блокирует выделение диоксида углевода из тестовой заготовки и повышает газоудерживающую способность теста.

Замедление прогрева тестовой заготовки на участке “б-в” связан с уносом тепла в процессе испарения влаги с поверхности. Процесс испарения избыточной влаги с поверхности тестовой заготовки совпадает с процессом интенсивного разрыхления тестовой заготовки образующимся диоксидом углерода. Точка “в” - экстремум минимум отражает момент стабилизации структуры теста, определяемой внутренним давлением СО₂, реологическими свойствами, соотношением свободной и связанной влаги. Точка “в” - экстремум минимум скорости изменения поверхностного слоя тестовой заготовки является моментом готовности тестовой заготовки к выпечке, так как дальнейшее продолжение расстойки приводит к уплотнению поверхностного слоя за счет увеличения пластической составляющей общей деформации теста и процесса флуктуации газовыделения, за счет снижения газоудерживающей способности теста. Процесс уплотнения поверхностного слоя тестовой заготовки приводит к ускоренному повышению температуры тестовой заготовки, т.е. кривая скорости изменения температуры поверхностного слоя начинает расти. Рост кривой продолжается до точки “г”, после прохождения которой начинается процесс интенсивного газовыделения, связанного с резким снижением газоудерживающей способности теста, вызванной пептизацией белков и увеличением жидкой фазы. После чего тестовая заготовка начинает оседать. В этот период также наблюдается снижение прогрева тестовой заготовки ( участок “г-д” см. рис.). Выпечка хлеба в период времени, соответствующий участку “в‑г”, приводит к получению хлеба худшего качества, чем в момент времени соответствующий точке “в” - экстремум минимум, а на участке “г-д” - приводит к получению брака.

2.3Конструкция расстойного шкафа

Расстойка тестовых заготовок происходит в расстойном шкафу. Расстойный шкаф (см. чертеж) представляет собой однокамерный двухдверный металлический контейнер с теплоизолированными стенками, имеющий габаритные размеры (Ш´Г´В): 1530 мм ´ 830 мм ´ 2280 мм, вмещающий две стандартные стеллажные тележки, размером 450 ´ 660 мм.

В верхней части расстойного шкафа находится отсек, в котором расположена система поддержания температурно-влажностного режима в камере расстойного шкафа, включающая в себя:

• герметичную металлическую емкость для воды;

• нагревательные элементы (ТЭНы);

• циркуляционный вентилятор;

• электроклапаны подачи воды;

• фильтр поступающей воды;

• сливной насос;

• трубки системы подачи и слива воды;

• воздушные каналы;

• рабочие датчики влажности, температуры и уровня воды;

• датчики критических значений температуры и уровня воды;

• выключатели питания и управления;

• задатчики температуры и влажности;

• индикатор температуры;

• индикаторные лампы рабочих и аварийных режимов;

• предохранители и автоматические выключатели;

• электронная система управления;

• преобразователь частоты;

Органы управления расстойным шкафом и приборы индикации находятся на панели управления, расположенной в верхней части расстойного шкафа.