Automation of fish smoking process

Krasnoyarsk State Agrarian University

Красноярский государственный аграрный университет

Institute of power engineering and energy resources management

Институт энергетики и управления энергоресурсами АПК

Chair Principles

of Electroengineering

Кафедра теоретических

основ электротехники

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО АВТОМАТИКЕ

Student work

AUTOMATION OF FISH SMOKING PROCESS

Автоматизация процесса копчения рыбы

BILINGUAL TEACHING AID

Двуязычное учебно-методическое пособие

Krasnoyarsk Красноярск 2009

Рецензенты:

Мошанов А.И., доктор техн. наук, зав. кафедрой КрасГАУ

Самойлов В.А., доцент, канд. техн. наук, КрасГАУ

Составители:

Мельников Е.С., Семёнов А.Ф., Себин А.В.

Мельников Е.С., Семёнов А.Ф., Себин А.В.Автоматизация процесса копчения рыбы: учеб.-метод. пособие по выполнению курсовой работы по автоматике / Е.С.Мельников; Краснояр. гос.аграр.ун-т.- Красноярск, 2009.- 24 с.

Цель пособия – облегчить изучение основных понятий теории автоматического регулирования на примере системы автоматизации процесса копчения рыбы. В пособии показан принцип моделирования систем автоматического регулирования в среде MATLAB, включая нахождение переходных процессов в выбранных узлах системы. Даются способы повышения качества работы системы, которые могут быть применены в процессе настройки студентом своего варианта задания. Приведены варианты заданий. Пособие написано на двух языках: русском и английском.

.

On the cover - Domestic smoker in hands of students

На обложке – Бытовая коптильня в руках студентов: «Щас автоматизируем!»

Laboratory stand Лабораторный стенд

The smoker has a cylinder steel case with bottom uplifted several centimeters over the table surface. This compartment is for heater. The upper side of the bottom keeps wooden pieces covered with the fat-collecting plate. The product to be smoked is hanged by hooks at upper part of the smoking chamber. There is a cover with water lock to prevent smoke entering room. Gas exhaust is performed through special pipe.

Коптильня выполнена в виде стального цилиндра, дно у которого приподнято над уровнем стола на несколько сантиметров. Таким образом, нижняя часть цилиндра образовала отсек для нагревателя. На верней части дна помещались древесные частицы и они прикрывались жиросборной тарелкой. Продукт, подлежащий копчению, помещался на крючках в верхней части коптильной камеры. Имеется крышка, оснащенная водяным затвором для предотвращения попадания дыма в помещение. Выброс коптильного газа осуществляется по специальной трубе.

Figure 1 – Scheme of laboratory stand

Рисунок 1 – Схема лабораторного стенда

This installation was not equipped with any automation. We got a thermo-regulator with temperature sensor to switch on the heater at low product temperature. The sensor was placed into product. The heater plug we switched to regulator socket. The regulator plug we inserted into wall socket. This equipment became our teaching laboratory stand.

Установка не была оборудована какой-либо автоматикой. Мы приобрели терморегулятор с датчиком температуры для того, чтобы нагреватель включался при недостаточной температуре продукта. Датчик поместили в продукт. Вилку от нагревателя (электроплитки), включили в розетку, имеющуюся на регуляторе. Вилку терморегулятора включили в настенную розетку. Эта установка и стала нашим учебным стендом.

*********

Everything was prepared and we started our lab work. Unfortunately we couldn't run process long enough because of smoke in our classroom. We stopped the process. Chickens were passed into the high frequency oven to make them ready. We began dismounting our stand and suddenly noticed that our heater was red hot! Chickens were poor heated, but heater - over heated. There was a great risk of heater breakdown during the process. It appeared our smoker wasn't organized properly. It contained fast changing element (heater) and slow changing element (chickens). Their work wasn't coordinated. There was a reason to investigate the dynamic of the process.

Все было готово, и мы приступили к проведению лабораторной работы. К несчастью мы не смогли проводить копчение долго из-за дыма, появившегося в помещении. Мы остановили процесс. Кур перенесли в высокочастотную печь для дальнейшего приготовления. Мы начали разбирать стенд и вдруг увидели нашу раскаленную плитку. Куры ещё не были как следует прогреты, а нагреватель уже раскалился! Оказывается, пока продукт медленно нагревался, плитка успела перегреться. В такой коптильне плитка может быстро перегореть. Вывод: коптильня работает неправильно. Необходимо заняться исследованием динамики процесса.

*********

The block diagram of energy flows is shown on figure 4: electric energy is come to the heater, the heater warms up air, and air warms up the product.

Схема потоков энергии показана на рисунке 2: электрическая энергия подаётся на плитку, плитка подогревает воздух, воздух разогревает продукт.

Figure 2 - The block diagram of energy flows

Рисунок 2 - Схема потока энергии в коптильне

Energy flows in the smoker are not of constant value. They are automatically varied with product temperature variations. In case temperature is low, less then 80⁰, comparison element produces an error signal, which switches on the heater and so on. This regime is kept unless temperature of the product reaches 80⁰. At this moment power supply to the heater is shut off.

Поток энергии в коптильне не постоянный. Он изменяется автоматически при изменении температуры продукта. Если она ещё мала, т.е. меньше заданных 80⁰, то в сравнивающем устройстве возникает сигнал ошибки. Включается нагреватель. Чем ближе поднимается температура продукта к заданным 80⁰, тем меньше сигнал ошибки и меньше нагрев! При 80⁰ подача электроэнергии на плитку прекращается. Такое регулирование называется пропорциональным.

*************

Figure 3 – Negative feedback control system

Рисунок 3 - Схема автоматики с отрицательной обратной связью

Составленная модель содержит регулятор температуры, звено «плитка», звено «воздух», звено «продукт» и устройство отрицательной обратной связи по каналу температуры продукта. Модель составлена таким образом, что на вход плитки подается сигнал рассогласования, равный разности между заданным значением (80) и текущим значением температуры продукта. Далее сигнал в виде теплового потока, пропорциональный этой разнице (недогреву), поступает последовательно через воздух камеры и продукт. Воздух камеры отдает тепло не только продукту, но и стенкам корпуса, благодаря чему температура воздуха не может повышаться бесконечно высоко. С ее ростом пропорционально растут и тепловые потери через стенку корпуса. Это придает процессу свойство самовыравнивания. Температура может установиться на определенном значении и без регулятора. Другое дело, что ее величина может не удовлетворять технологическим требованиям, поэтому необходима автоматика или подбор мощности плитки.

In order to analyze and design control systems, we use quantitative mathematical characteristics of our links. The scheme with quantitative characteristics is shown on figure 4.

Чтобы проанализировать работу этой схемы, используем численные характеристики входящих звеньев. Схема с числовыми характеристиками представлена на рисунке 4.

SYSTEM №1Система №1

Figure 4 - MATLAB – model of the of smoker automation system under product temperature control

Рисунок 4 - MATLAB – модель системы автоматики коптильни при управлении по температуре продукта.

При включении модели дисплеи покажут конечные значения температуры плитки и продукта.

Figure 5 – Temperature transients under product temperature control.

Рисунок 5 - Графики переходных процессов при управлении по температуре продукта.

Temperature transients in links of the model are displayed on figure 5. We can see wide fluctuation in heater temperature which takes place till the moment of switching it off as a result of worming up the temperature sensor in the product. Overshooting runs as much as 540⁰. After temperature extreme up there is extreme down. Transient is damping and lasts for 50 model seconds (100 minutes of real time). The heater temperature reached 630⁰ that was though acceptable, but undesirable.

График изменения температуры звеньев показан на рисунке 5. На графике видно резкое повышение температуры плитки, пока не наступило ее отключение в результате прогрева датчика температуры, помещенного в продукт. Перерегулирование достигает 540⁰. За резким подъемом следует и резкое падение температуры. Переходный процесс устойчив и продолжается 50 модельных секунд (100 минут реального времени). Температура плитки поднималась до 630⁰С, что допустимо, но нежелательно: раскалённые плитки долго не живут.

***********

Temperature transients of air, walls and product have substantial oscillations as well. Their nature is in delay of slowly reacting product, where temperature sensor is placed. While product and sensor are slowly warming up, heater quickly raise their temperatures up to very high values. Then at last product and sensor temperatures reach set value and the heater is switched of. But residual heat energy from overheated air and heater proceeds rising product temperature. It comes to oscillations. Is it possible to damp them?

Переходные процессы по температуре воздуха, стенок аппарата, и продукта также имеют существенную колебательность. Причина этого явления заключается в запаздывании медленно реагирующего продукта, куда помещён термодатчик. Во время медленного прогрева продукта и датчика нагреватель быстро достигает больших значений температуры. Затем, наконец, продукт и термодатчик достигают заданной температуры и нагреватель автоматически отключается. Но остаточная тепловая энергия перегретых воздуха и плитки продолжает поднимать температуру продукта. Это приводит к колебаниям. Можно ли успокоить процесс и убрать колебания?

***********

Conclusion

Given example with the domestic appliance – smoker shows, that it is not right way for automatization - simple switching a regulator to an object. It needs to analyze dynamics of the whole system. As a result system may be complicated. Also a method of dynamic systems modeling is presented. The next part will explain mathematical formulas, used in models. They are TRANSFER FUNCTIONS.

Заключение

Приведенный пример с бытовой коптильней показывает, что нельзя автоматизировать процесс, просто подключив регулятор к объекту. Следует проанализировать динамику всей полученной системы в целом. Тогда может выясниться, что требуется что-то посложнее.

*********