Sterowanie procesami technologicznymi w produkcji żywności - ebook

Przedmowa

Szybki rozwój nowoczesnej techniki pomiarowej i sposobów sterowania procesami technologicznymi w wielu gałęziach przemysłu, także w produkcji żywności, stwarza konieczność zapoznania technologów tego przemysłu z podstawami metrologii oraz automatyzacji produkcji. Postęp techniczny nie może być bowiem dokonywany bez udziału użytkowników nowej techniki, znających najlepiej fizyczną i chemiczną stronę procesów zachodzących w urządzeniach technologicznych. Z drugiej strony, technolog musi znać możliwości i wymagania automatyki, aby wspólnie z automatykiem móc projektować nowe układy pomiarowo-regulacyjne i właściwie je wykorzystać.

W pierwszej części książki szeroko omówiono zagadnienia związane z pomiarami parametrów procesów technologicznych stosowanych w produkcji żywności – rodzaje i właściwości czujników pomiarowych, przetworników i urządzeń wyjściowych układu pomiarowego. Uwzględniono też pomiary wielkości nietypowych, specyficznych dla niektórych branż przemysłu spożywczego.

W drugiej części książki opisano statyczne i dynamiczne właściwości obiektów regulacji automatycznej, regulatorów i urządzeń wykonawczych, omówiono rodzaje analogowych i dyskretnych układów regulacyjnych oraz sposoby regulacji podstawowych parametrów procesów w produkcji żywności. Ponieważ w literaturze można się spotkać z dużą różnorodnością rozwiązań, ograniczono się do omówienia rozwiązań stosowanych w przemyśle w obecnym stanie techniki. W opisie dyskretnych, cyfrowych metod sterowania procesami uwzględniono najnowsze rozwiązania układów regulacji z mikroprocesorowymi, samoparametryzującymi się regulatorami wykorzystującymi logikę rozmytą oraz przemysłowe sterowniki programowalne PLC.

Zagadnienia omówione w książce łączą wiadomości z wielu dyscyplin podstawowych, takich jak: fizyka, chemia, chemia fizyczna, elektrotechnika, elektronika, inżynieria procesowa, matematyka czy informatyka. Ze względu na łatwość uzupełnienia tych wiadomości z dostępnej literatury większość zagadnień teoretycznych została przedstawiona w dużym skrócie. Ponieważ jednak podręczniki do miernictwa przemysłowego i automatyki zawierają znaczną ilość teorii, posługują się często aparatem matematycznym wykraczającym poza możliwości chemika technologa i są adresowane głównie do automatyków mechaników i elektryków, omówioną w książce problematykę pomiarów i automatyzacji procesów dostosowano do profilu wykształcenia absolwentów kierunków technologicznych – technologów zatrudnianych w przemyśle biotechnologicznym, fermentacyjnym, cukrowniczym, chłodniczym, skrobiowym czy ochronie środowiska.

Książkę uzupełniono spisem literatury oraz wykazem przepisów normalizacyjnych.

Marek i Michał Ludwiccy

Łódź, marzec 2015 r.1Znaczenie miernictwa przemysłowego

Miernictwo przemysłowe stanowi gałąź metrologii, której zadaniem jest dostarczanie informacji potrzebnych do optymalnego prowadzenia procesów produkcyjnych. Jeszcze niedawno głównym źródłem tych informacji były własne obserwacje obsługującego urządzenie oraz indywidualne, proste układy pomiarowe z lokalnymi wskaźnikami. Obecnie, ze względu na budowę coraz większych zakładów przemysłowych, rosnące skomplikowanie procesów technologicznych, wzrost wymagań dotyczących jakości produkcji oraz poziomu ochrony zdrowia i bezpieczeństwa pracowników, a także ze względu na ochronę środowiska, powstało duże zapotrzebowanie na nowoczesne, automatyczne urządzenia pomiarowe. Jednocześnie dzięki dynamicznemu rozwojowi elektroniki, produkcji układów scalonych o wysokim stopniu integracji i mikroprocesorów powstała możliwość znacznego zwiększenia niezawodności działania i dokładności urządzeń pomiarowych.

Automatyzacja, od wielu lat wprowadzana w przemyśle, ograniczająca udział człowieka w prowadzeniu procesu technologicznego, wymaga opanowania techniki mierzenia różnorodnych parametrów procesów, często nietypowych. Wielu z nich jeszcze nie potrafimy zmierzyć w warunkach przemysłowych lub dokładność ich pomiaru jest zbyt mała. Z tego względu miernictwo przemysłowe jest dziedziną rozwijającą się dynamicznie na całym świecie .

Rozwój miernictwa przemysłowego w połączeniu z rozwojem techniki cyfrowej i informatyki umożliwił przejście na wyższy poziom automatyzacji prowadzenia procesu produkcyjnego – uzupełnienie bądź nawet częściowe zastąpienie technologa komputerem. Pierwszym krokiem w tym kierunku był wdrożony w polskim przemyśle spożywczym w latach 1970–1980 komputerowy system centralnej rejestracji i przetwarzania danych (CRPD). Kolejnym etapem było opracowywanie mikroprocesorowych systemów automatycznego sterowania poszczególnymi urządzeniami lub operacjami technologicznymi. Wreszcie ostatecznym celem jest wprowadzanie, także w przemysłowej produkcji żywności, komputerowych systemów bezpośredniego sterowania cyfrowego, wykorzystujących bardzo zaawansowane informatycznie programowalne sterowniki logiczne PLC, mogące sterować praktycznie całym procesem technologicznym.2Charakterystyka wielkości mierzonych

Prowadzenie każdego procesu technologicznego wymaga uzyskania informacji o stanach, zjawiskach czy przemianach zachodzących w czasie jego trwania. Informacje takie uzyskuje się drogą pomiarów. W praktyce pomiarów przemysłowych mierzy się niemal wszystkie znane właściwości materii o charakterze fizycznym, fizykochemicznym, chemicznym czy biologicznym . Z tego względu podstawowe wielkości mierzone można podzielić według klasycznego podziału dyscyplin fizyki i chemii na:

a) wielkości elektryczne:napięcie elektryczne (siła elektromotoryczna),

- natężenie prądu elektrycznego,
- moc elektryczna,
- rezystancja,
- pojemność elektryczna,
- indukcyjność,
- częstotliwość napięcia;

b) wielkości mechaniczne:stan geometryczny (wymiary, wysokość słupa substancji),

- ruch ciał (przesunięcie, prędkość, przyspieszenie),
- ruch płynów (natężenie przepływu),
- siła, ciśnienie,
- liczba sztuk;

c) wielkości termiczne:temperatura,

- przepływ ciepła,
- konduktywność cieplna;

d) wielkości chemiczne:skład chemiczny,

- stężenie substancji;

e) fizyczne właściwości materii:masa,

- gęstość,
- lepkość;

f) optyczne właściwości materii:współczynnik załamania światła,

- kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła,
- pochłanianie promieniowania (absorpcja),
- zmętnienie,
- zabarwienie;

g) elektryczne właściwości materii:przenikalność elektryczna,

- potencjał elektrochemiczny,
- konduktywność elektryczna,
- przenikalność magnetyczna;

h) czas.

W technologiach przemysłu spożywczego konieczne jest mierzenie prawie wszystkich wymienionych wielkości. Niektóre z tych pomiarów, takie jak np. ciągłe pomiary poziomu i przepływu cieczy, ciśnienia, temperatury czy pH mają charakter wręcz podstawowy. Inne, jak np. pomiary kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła, pochłaniania promieniowania czy zmętnienia, są specyficzne dla niektórych technologii i najczęściej wykonuje się je tylko w zakładowych laboratoriach.

Metody i urządzenia służące do przemysłowych pomiarów wielkości najczęściej spotykanych w technologiach produkcji żywności omówiono w rozdziałach od 8 do 12.3Metody pomiarowe

Pomiar jest procesem poznawczym polegającym na porównaniu mierzonej wielkości z wzorcem przyjętym za jednostkę miary tej wielkości, przy czym we współczesnym miernictwie, zwłaszcza przemysłowym, operacja ta jest z reguły wykonywana automatycznie .

Kolejne etapy pomiaru obejmują uzyskanie informacji z obiektu pomiaru, jej transmisję, przetworzenie na odpowiednią postać, porównanie z wzorcem oraz podanie wyniku tej operacji. Niekiedy w skład procesu pomiaru wchodzą też opracowanie oraz interpretacja jego wyniku.

Metodą pomiarową nazywamy sposób porównania wielkości mierzonej z wzorcem, a więc sposób określenia równania przetwarzania wielkości mierzonej x na sygnał pomiarowy y

(3.1)

gdzie: z – suma wielkości zakłócających pomiar.

Jednostki miar są obecnie znormalizowane w skali międzynarodowej. W Polsce od października 1975 r. obowiązuje stosowanie jednostek Międzynarodowego Układu Jednostek Miar SI (Systeme International d’Unites) , jednostek pochodnych utworzonych z jednostek SI, wielokrotności i podwielokrotności tych jednostek oraz jednostek nienależących do układu SI, ale dopuszczonych do stosowania (legalnych). Zasady stosowania w Polsce legalnych jednostek miar określa odpowiednie rozporządzenie Rady Ministrów .

Wykaz podstawowych i pochodnych jednostek miar SI podano w tab. 3.1 i 3.2. Najważniejsze jednostki legalne w Polsce, nienależące do układu SI, podano w tab. 3.3. Pozostałe jednostki legalne wymieniono w dalszych rozdziałach, przy omawianiu pomiarów poszczególnych wielkości. Przedrostki do określania wielokrotności i podwielokrotności jednostek miar wymieniono w tab. 3.4.

Tabela 3.1. Podstawowe jednostki układu miar SI

Wielkość

Nazwa

Oznaczenie

jednostki podstawowe

Długość, odległość

Masa

Czas

Prąd elektryczny (natężenie prądu elektrycznego)

Temperatura (termodynamiczna), różnica temperatur

Światłość

Liczność materii

metr

kilogram

sekunda

amper

kelwin

kandela

mol

m

kg

s

A

K

cd

mol

jednostki uzupełniające

Kąt (płaski)

Kąt bryłowy

radian

steradian

rad

sr

Tabela 3.2. Pochodne jednostki układu miar SI

+------------------------------------+-----------------+------------------+------------------------------+----------------------------------------+
| Wielkość fizyczna | Nazwa jednostki | Symbol jednostki | Odpowiednik | Odpowiednik w jednostkach podstawowych |
+------------------------------------+-----------------+------------------+------------------------------+----------------------------------------+
| Częstotliwość | herc | Hz | – | s^(−1) |
+------------------------------------+-----------------+------------------+------------------------------+----------------------------------------+
| Siła | niuton | N | – | m · kg · s^(−2) |
+------------------------------------+-----------------+------------------+------------------------------+----------------------------------------+
| Ciśnienie, naprężenie | paskal | Pa | N/m² | m^(−1) · kg · s^(−2) |
+------------------------------------+-----------------+------------------+------------------------------+----------------------------------------+
| Energia, praca, ciepło | dżul | J | N · m, C · V, W · s | m² · kg · s^(−2) |
+------------------------------------+-----------------+------------------+------------------------------+----------------------------------------+
| Moc, strumień promieniowania | wat | W | J/s, V · A | m² · kg · s^(−3) |
+------------------------------------+-----------------+------------------+------------------------------+----------------------------------------+
| Ładunek elektryczny | kulomb | C | – | s · A |
+------------------------------------+-----------------+------------------+------------------------------+----------------------------------------+
| Napięcie elektryczne, | wolt | V | W/A, J/C | m² · kg · s^(−3) · A^(−1) |
| siła elektromotoryczna | | | | |
+------------------------------------+-----------------+------------------+------------------------------+----------------------------------------+
| Pojemność elektryczna | farad | F | C/V, s/Ω | m^(−2) · kg^(−1) · s⁴ · A² |
+------------------------------------+-----------------+------------------+------------------------------+----------------------------------------+
| Rezystancja | om | Ω | V/A | m² · kg · s^(−3) · A^(−2) |
+------------------------------------+-----------------+------------------+------------------------------+----------------------------------------+
| Przewodność elektryczna | simens | S | 1/Ω , A/V | m^(−2) · kg^(−1) · s³ · A² |
+------------------------------------+-----------------+------------------+------------------------------+----------------------------------------+
| Strumień magnetyczny | weber | Wb | V · s, J/A | m² · kg · s^(−2) · A^(−1) |
+------------------------------------+-----------------+------------------+------------------------------+----------------------------------------+
| Indukcja magnetyczna | tesla | T | Wb/m², (V · s)/m², N/(A · m) | kg · s^(−2) · A^(−1) |
+------------------------------------+-----------------+------------------+------------------------------+----------------------------------------+
| Indukcyjność | henr | H | Wb/A, (V · s)/A, Ω · s | m² · kg · s^(−2) · A^(−2) |
+------------------------------------+-----------------+------------------+------------------------------+----------------------------------------+
| Strumień świetlny | lumen | lm | cd · sr | cd |
+------------------------------------+-----------------+------------------+------------------------------+----------------------------------------+
| Natężenie oświetlenia | luks | lx | lm/m² | m^(−2) · cd |
+------------------------------------+-----------------+------------------+------------------------------+----------------------------------------+
| Aktywność ciała promieniotwórczego | bekerel | Bq | – | s^(−1) |
+------------------------------------+-----------------+------------------+------------------------------+----------------------------------------+
| Dawka pochłonięta | grej | Gy | J/kg | m² · s^(−2) |
+------------------------------------+-----------------+------------------+------------------------------+----------------------------------------+
| Równoważnik dawki | siwert | Sv | J/kg | m² · s^(−2) |
| pochłoniętej | | | | |
+------------------------------------+-----------------+------------------+------------------------------+----------------------------------------+
| Aktywność katalityczna | katal | kat | – | s^(−1) · mol |
+------------------------------------+-----------------+------------------+------------------------------+----------------------------------------+

Tabela 3.3. Ważniejsze jednostki spoza układu SI legalne w Polsce

+-----------------------------+-------------------+------------+
| Wielkość | Nazwa | Oznaczenie |
+-----------------------------+-------------------+------------+
| Masa | tona | t |
+-----------------------------+-------------------+------------+
| Czas | minuta | min |
| | | |
| | godzina | h, godz. |
| | | |
| | doba | d |
| | | |
| | dzień | – |
| | | |
| | tydzień | – |
| | | |
| | miesiąc | – |
| | | |
| | kwartał | – |
| | | |
| | rok | a, r |
+-----------------------------+-------------------+------------+
| Temperatura | stopień Celsjusza | °C |
+-----------------------------+-------------------+------------+
| Powierzchnia | hektar | ha |
+-----------------------------+-------------------+------------+
| Objętość, pojemność | litr | l |
+-----------------------------+-------------------+------------+
| Przesunięcie kątowe | obrót | obr. |
+-----------------------------+-------------------+------------+
| Prędkość obrotowa | obrót na sekundę | obr./s |
+-----------------------------+-------------------+------------+
| Tłumienność | bel | B |
+-----------------------------+-------------------+------------+
| Stężenie molowe | mol na litr | mol/1 |
+-----------------------------+-------------------+------------+
| Wykładnik stężenia jonów H⁺ | pH | – |
+-----------------------------+-------------------+------------+
| Stosunek dwóch wartości | procent | % |
+-----------------------------+-------------------+------------+
| Ilość informacji | bit | bit |
+-----------------------------+-------------------+------------+

Tabela 3.4. Przedrostki do tworzenia dziesiętnych wielokrotności i podwielokrotności jednostek miar

+-------------+------------+----------+
| Przedrostek | Oznaczenie | Mnożnik |
+-------------+------------+----------+
| jotta | Y | 10²⁴ |
| | | |
| zetta | Z | 10²¹ |
| | | |
| eksa | E | 10¹⁸ |
| | | |
| peta | P | 10¹⁵ |
| | | |
| tera | T | 10¹² |
| | | |
| giga | G | 10⁹ |
| | | |
| mega | M | 10⁶ |
| | | |
| kilo | k | 10³ |
| | | |
| hekto | h | 10² |
| | | |
| deka | da | 10¹ |
| | | |
| decy | d | 10^(–1) |
| | | |
| centy | c | 10^(–2) |
| | | |
| mili | m | 10^(–3) |
| | | |
| mikro | μ | 10^(–6) |
| | | |
| nano | n | 10^(–9) |
| | | |
| piko | p | 10^(–12) |
| | | |
| femto | f | 10^(–15) |
| | | |
| atto | a | 10^(–18) |
| | | |
| zepto | z | 10^(–21) |
| | | |
| jokto | y | 10^(–24) |
+-------------+------------+----------+

Opracowane na podstawie rozporządzenia Rady Ministrów .