Как написать диплом по автоматизации производства шоколада — полное руководство со схемами и примерами

Введение. Актуальность и цели проекта

Кондитерская отрасль является важной частью пищевой промышленности, а ее конкурентоспособность сегодня напрямую связана со степенью автоматизации производственных процессов. Качество и стабильность вкусовых характеристик шоколадных масс критически зависят от точного соблюдения технологических параметров, таких как температура, время обработки и дозирование компонентов. Автоматизация позволяет не только минимизировать влияние человеческого фактора, но и оптимизировать расход дорогостоящего сырья.

Проблема заключается в том, что многие предприятия все еще используют устаревшие системы управления или недостаточно автоматизированные линии. Это приводит к нестабильности качества конечного продукта, перерасходу сырья (например, какао-масла) и снижению общей эффективности. Человеческий фактор остается одним из главных рисков нарушения сложной технологии.

Цель данной дипломной работы — разработка проекта системы автоматического управления (АСУ ТП) для участка производства шоколадных масс, обеспечивающей повышение стабильности качества продукции и оптимизацию расхода компонентов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие ключевые задачи:

• Провести анализ технологического процесса как объекта управления.
• Разработать функциональную схему автоматизации (СФА).
• Выполнить обоснованный выбор комплекса технических средств автоматизации.
• Разработать структурную и принципиальную электрическую схемы.
• Описать ключевые алгоритмы управления для программного обеспечения контроллера.
• Рассчитать технико-экономическую эффективность предложенного проекта.

Глава 1. Анализ технологического процесса как объекта управления

Объектом автоматизации выступает рецептурно-смесительный комплекс на линии производства шоколадных масс. Технологический процесс представляет собой многостадийную последовательность операций, каждая из которых требует строгого контроля параметров.

Основные стадии производственного цикла:

1. Подготовка и дозирование сырья. На этом этапе ключевые компоненты, такие как какао-тертое, какао-масло и сахарная пудра, подаются из бункеров в весовую станцию. Точность дозирования является фундаментальным фактором для получения продукта с заданными рецептурой свойствами.
2. Смешивание. Компоненты поступают в смеситель, где тщательно перемешиваются до образования однородной тестообразной массы. Здесь важно контролировать время перемешивания и температуру.
3. Тонкое измельчение (вальцевание). Полученная масса далее измельчается, например, на пятивалковых мельницах для достижения необходимой степени дисперсности частиц. Этот процесс определяет нежность и «тающую» текстуру будущего шоколада.
4. Конширование. Это один из самых длительных и ответственных этапов, занимающий от 24 до 72 часов. В процессе длительного механического перемешивания при строго контролируемой температуре (от 45°С до 90°С в зависимости от рецептуры) из шоколадной массы удаляется излишняя влага, округляются твердые частицы, снижается вязкость и формируется окончательный вкус и аромат.
5. Гомогенизация и подача. После конширования масса может проходить через гомогенизатор для достижения идеальной однородности и затем перекачиваться в сборники для последующего темперирования и формования.

Ключевыми управляемыми параметрами на всех этапах являются температура в рубашках емкостей и смесителей, уровень продукта в сборниках, давление и время выполнения технологических операций. Возмущающими воздействиями могут выступать колебания температуры окружающей среды и непостоянство характеристик сырья.

Глава 2. Разработка функциональной схемы автоматизации

Функциональная схема автоматизации (СФА) — это проектный документ, который наглядно представляет логическую структуру будущей системы управления. Она определяет, какие параметры измеряются, как информация обрабатывается и какие исполнительные механизмы задействуются, не привязываясь к конкретным моделям оборудования.

В рамках проекта будут реализованы следующие основные контуры регулирования и управления:

• Контур автоматического поддержания температуры в рубашках смесителя и конш-машины. Этот контур обеспечивает точное соблюдение температурных режимов, критически важных для этапов смешивания и конширования.
• Контур контроля и поддержания уровня в приемных и расходных сборниках для предотвращения их переполнения или опустошения.
• Система автоматического дозирования компонентов по рецептуре. Она управляет подачей сырья в смеситель в строгом соответствии с заданными весовыми параметрами.

Основными элементами, отображаемыми на схеме, являются:

1. Датчики (измерительные преобразователи): датчики температуры, уровня и давления.
2. Контроллер: программируемый логический контроллер (ПЛК), являющийся «мозгом» всей системы.
3. Исполнительные механизмы: регулирующие клапаны на линиях подачи сырья и теплоносителя, двигатели мешалок, насосы.
4. Средства взаимодействия с оператором: панель оператора (HMI), на которой отображается мнемосхема процесса и задаются уставки.

Глава 3. Обоснование выбора комплекса технических средств

Выбор конкретных технических средств является ключевым этапом проектирования, определяющим надежность, точность и стоимость будущей системы. Обоснование выбора строится на основе требований, определенных функциональной схемой и условиями эксплуатации.

Выбор центрального контроллера (ПЛК)

В качестве центрального управляющего устройства предлагается использовать программируемый логический контроллер (ПЛК). Для данного проекта может быть выбран Siemens S7-1200 или отечественный аналог, например, ОВЕН ПЛК210. Выбор обоснован следующими факторами:

• Достаточное количество входов/выходов: рассчитанное на основе СФА количество дискретных и аналоговых сигналов с запасом на возможную модернизацию.
• Высокая производительность: обеспечивает быструю обработку алгоритмов, включая ПИД-регулирование температуры.
• Поддержка промышленных интерфейсов: наличие порта Ethernet для связи с панелью оператора и интеграции в общую заводскую сеть.

Выбор датчиков

Для каждого измеряемого параметра подбирается свой тип датчика:

• Температура: для измерения температуры шоколадной массы и теплоносителя в рубашках целесообразно использовать платиновые термосопротивления типа Pt100. Они обладают высокой точностью и стабильностью показаний в требуемом диапазоне температур.
• Уровень: для бесконтактного измерения уровня сыпучих (сахарная пудра) и жидких (какао-масло) компонентов в бункерах и емкостях хорошо подходят ультразвуковые датчики уровня, так как они не контактируют с продуктом и просты в обслуживании.

Выбор исполнительных механизмов

Для регулирования потоков жидкости (какао-масло, теплоноситель) будут применены регулирующие седельные клапаны с электрическим приводом. Для управления электродвигателями насосов и мешалок будут использованы магнитные пускатели или преобразователи частоты для плавного пуска и регулировки скорости.

Выбор средств человеко-машинного интерфейса (HMI)

Для визуализации технологического процесса, отображения аварийных сообщений и ввода рецептурных данных выбирается сенсорная панель оператора (HMI), например, Weintek или Siemens KTP. Диагональ экрана (10-12 дюймов) должна быть достаточной для удобного отображения мнемосхемы участка.

Глава 4. Разработка структурной и принципиальной электрической схем

После выбора «железа» необходимо спроектировать его физическое и информационное взаимодействие. Для этого разрабатываются структурная (С1) и принципиальная электрическая (С3) схемы, являющиеся основой для монтажа и наладки системы.

Структурная схема (С1)

Эта схема демонстрирует иерархию системы автоматизации и информационные потоки между ее уровнями.

• Верхний (операторский) уровень: включает панель оператора (HMI), которая связывается с ПЛК по сети Ethernet для визуализации и управления.
• Средний (управляющий) уровень: представлен программируемым логическим контроллером (ПЛК), который собирает данные с нижнего уровня и управляет им по заложенным алгоритмам.
• Нижний (полевой) уровень: состоит из датчиков (температуры, уровня) и исполнительных механизмов (клапанов, двигателей), непосредственно «работающих» с технологическим оборудованием.

Структурная схема наглядно показывает, что вся информация с полей стекается в ПЛК, который, в свою очередь, обменивается данными с оператором.

Принципиальная электрическая схема (С3)

Данная схема детализирует внутреннее устройство шкафа управления и все электрические соединения. Она служит основной инструкцией для электромонтажника. На схеме С3 отображаются:

1. Цепи питания: вводной автоматический выключатель, блок питания 24В для контроллера и датчиков.
2. Центральный контроллер: детальное подключение дискретных и аналоговых входов/выходов ПЛК.
3. Силовые цепи: подключение магнитных пускателей и автоматических выключателей для защиты и управления электродвигателями.
4. Клеммные колодки: для удобного и структурированного подключения внешних кабелей от датчиков и исполнительных механизмов.

Глава 5. Ключевые алгоритмы программного обеспечения контроллера

Программное обеспечение является «интеллектом» системы автоматизации. Для его разработки используется среда, поддерживающая языки стандарта IEC 61131-3, например, LD (Ladder Diagram) или SFC (Sequential Function Chart). Язык SFC идеально подходит для описания последовательных операций, характерных для рецептурного производства, а LD — для реализации логических блокировок.

Ниже описаны ключевые алгоритмы, которые должны быть реализованы в программе контроллера.

• Алгоритм автоматического дозирования:

  Это последовательный алгоритм. Оператор выбирает рецепт на HMI, система поочередно открывает клапаны подачи каждого компонента. Вес контролируется тензодатчиками. При достижении заданной уставки клапан компонента закрывается и открывается следующий. Процесс повторяется для N компонентов рецепта.

• Алгоритм ПИД-регулирования температуры:

  Для поддержания температуры в рубашке смесителя используется стандартный ПИД-регулятор. Он непрерывно сравнивает текущее значение от датчика температуры с заданным значением (уставкой). На основе разницы (ошибки) регулятор вычисляет управляющий сигнал для регулирующего клапана на линии подачи теплоносителя, стремясь свести ошибку к нулю.

• Алгоритм обработки аварийных ситуаций:

  Система непрерывно отслеживает состояние оборудования. При возникновении аварии, например, выхода температуры или уровня за допустимые пределы, срабатывает защитная блокировка. Она отключает соответствующие механизмы (например, нагрев) и выводит на панель оператора текстовое сообщение с указанием причины аварии.

Глава 6. Расчет технико-экономической эффективности проекта

Внедрение системы автоматизации — это инвестиционный проект, целесообразность которого необходимо доказать экономическими расчетами. Оценка эффективности строится на сопоставлении затрат на реализацию проекта и будущей экономии от его эксплуатации.

Капитальные затраты

В состав единовременных капитальных затрат (К) входят:

• Стоимость оборудования: ПЛК, панель оператора, датчики, клапаны, шкаф управления.
• Стоимость разработки программного обеспечения.
• Затраты на монтажные и пусконаладочные работы.

Годовая экономия

Ожидаемая годовая экономия (Э) складывается из нескольких факторов:

• Снижение расхода сырья: за счет более точного дозирования компонентов по сравнению с ручными операциями или устаревшими системами.
• Сокращение брака: минимизация потерь продукции из-за нарушения технологии (например, перегрева массы), что достигается стабильным поддержанием параметров.
• Оптимизация работы оборудования: возможное снижение энергопотребления за счет более точного управления нагревом и работой двигателей.

Расчет показателей эффективности

На основе полученных данных рассчитываются ключевые показатели:

1. Срок окупаемости (Payback Period): Tок = K / Э. Этот показатель демонстрирует, за какой период времени первоначальные инвестиции вернутся за счет полученной экономии.
2. Чистый дисконтированный доход (NPV): более сложный показатель, учитывающий стоимость денег во времени, который показывает абсолютную величину прибыли от проекта за расчетный период.

На основе этих расчетов делается итоговый вывод об экономической целесообразности внедрения спроектированной АСУ ТП.

Глава 7. Мероприятия по обеспечению безопасности жизнедеятельности

Проектируемая система должна не только эффективно работать, но и быть абсолютно безопасной для обслуживающего персонала. Раздел по безопасности является обязательной частью дипломной работы и демонстрирует учет требований охраны труда.

В ходе анализа были выявлены следующие потенциальные опасные и вредные производственные факторы:

• Электрический ток: опасность поражения при работе с силовым шкафом управления.
• Движущиеся части механизмов: мешалки в смесителях и конш-машинах.
• Повышенная температура поверхностей: трубопроводы и рубашки емкостей с горячей водой.

Для минимизации этих рисков в проекте предусмотрены следующие технические решения:

1. Электробезопасность: Все металлические части шкафа управления должны быть надежно заземлены. Для защиты от коротких замыканий и перегрузок установлены автоматические выключатели.
2. Механическая безопасность: На видных и легкодоступных местах установлены кнопки аварийного останова, нажатие на которые приводит к немедленному отключению всех исполнительных механизмов.
3. Информационная безопасность: Для защиты от несанкционированного доступа к изменению критически важных параметров (рецептур, температурных уставок) в системе предусмотрена система паролей с разными уровнями доступа (оператор, технолог, инженер).

Таким образом, можно сделать вывод, что спроектированная система при правильной эксплуатации и своевременном обслуживании соответствует действующим нормам промышленной безопасности и охраны труда.

Заключение. Основные результаты и выводы

В рамках выполненной дипломной работы был успешно решен комплекс задач по проектированию системы автоматизации для участка производства шоколадных масс. Главная цель проекта — разработка системы, повышающей стабильность качества и экономическую эффективность, — была достигнута.

В ходе работы были получены следующие ключевые результаты:

• Проанализирован технологический процесс, выделены его основные стадии и ключевые параметры для контроля и управления.
• Разработаны функциональная, структурная и принципиальная электрическая схемы, которые составляют основу для реализации проекта.
• Произведен обоснованный выбор комплекса технических средств на базе современного программируемого логического контроллера (ПЛК).
• Описаны основные алгоритмы работы системы, включая дозирование, ПИД-регулирование и обработку аварий.
• Расчетный срок окупаемости проекта составил X лет, что подтверждает экономическую целесообразность его внедрения.

Главный вывод заключается в том, что реализация предложенного проекта автоматизации позволит кондитерскому предприятию существенно повысить стабильность качества выпускаемых шоколадных масс, сократить производственные издержки и снизить влияние человеческого фактора.