Задачка пивовара

[Remeslo]

Привет уважаемым специалистам по автоматизации от простого ремесленника-пивовара :)
Так случилось, что довелось мне трудится на совсем небольшом производстве, минипивоварне. Оборудование хоть и новое, но буржуйское и с коммуникацией с производителем есть определенные сложности. И назвать его полностью автоматизированным довольно сложно. Но и сказать, что владелец зажал денег тоже нельзя. С открытия прошло около полугода и я исправно тружусь, но мысли о частичном апгрейде меня не оставляют. Я не профессионал в электронике, поэтому прошу не пинать меня сильно, а в постараюсь изложить -

Суть проблемы:
В процессе приготовления пива есть этап, который называется фильтрация дробины. Он представляет собой перекачку насосом сусла из одного чана в другой, фильтруя дробину (оболочки солода) через фальшь-дно. При нормальных условиях эта процедура длится 1,5-2 часа. В нашем случае это 2,5 а то и все 5. Я было грешил на засорение фильтрующего элемента дробиной, что в ходе фильтрации приводило к постепенному замедлению. Приходилось постоянно вручную добавлять скорость насоса. Но смоделировав те же условия с чистой водой выяснилось, что скорость перекачки тоже падает. Появилась версия, что на это влияет высота столба сусла в чане: чем меньше столб сусла, тем меньше давление сусла на мотор и ему как бы «тяжелее» становится перекачивать сусло. Каждые 3-5 минут скорость перекачки (согласно расходомеру, который представляет собой оцинкованную колбу, внутри которой мотыляется поплавок, указывающий на скорость протока) падает примерно на 50 литров/час. Таким образом, если постоянно не дежурить около этого нехитрого прибора и не добавлять ручкой обороты мотору, то скорость фильтрации будет замедлятся, соответсвенно увеличится ее длительность. Врубить мотор на полную мощность тоже нельзя, иначе дробину присосёт к фальшь-дну и фильтрация встанет окончательно. В эти 1,5-3 часа можно было бы заняться какой-то полезной работой, чем каждые 3 минуты уныло добавлять обороты. Можно было бы конечно поставить туда директора, который выбрал такую конфигурацию оборудования, но он полностью абстрагировался от этой проблемы. Получается, что мне ее необходимо будет решить своими силами и, вероятнее всего, за свой счет.

На пивоваренном форуме мы уже прикинули пару вариантов, то наших знаний в какой-то момент стало недостаточно, поэтому я принял решение обратиться за советом к профессионалам в своей области.
С вашего позволения подлюсь, что пришло в голову:

Вариант первый (он же основной)
Установить на трубу расходомер, который бы измерял скорость движения сусла в трубе и при падении ниже заданой величины, отправлял бы на преобразователь частоты насоса (установлен Unidrive M200) коррективы для выравнивания скорости протока сусла.

Вариант второй (топорный)
Запрограммировать (или купить устройство которое бы это делало), так чтобы частник каждые 3 минуты увеличивал частоту.

Вариант третий (х/з-шный)
То же самое как и в первом варианте, но вместо расходомера будет датчик разряжения.


Еще раз прошу не пинать за изложение и термины :)
Прошу высказать свое видение решения проблемы и возможно где-то далеко одним грустным пивоваром станет меньше :)

[Valerich]

Что за насос? Центробежный, кулачковый, винтовой?
На каком расстоянии от емкости стоит насос? Могут быть условия для возникновения кавитации.
Исключен ли подсос воздуха? Проверьте соединения - под давлением может и не бежать, но при разряжении подсасывать.

Если проблем с подачей нет, то можно поставить датчик давления перед насосом и по нему регулировать насос.

[Ryzhij]

По-хорошему, тут, кроме потока, надо бы следить и за перепадом на фильтро-элементе, в нашем случае это фальш-дно.
Уменьшился перепад - увеличивать подачу насоса, слишком увеличился - уменьшать.

За потоком следить нетрудно, если сменить ваш ротаметр-"показометр" на такой же поплавковый, но ещё и с выходным электрическим сигналом - хоть аналоговым, хоть с парой дискретных. Есть такие, с магнитиком в поплавке и герконами или датчиками Холла снаружи трубки. Осталось найти в гигиеническом исполнении.

Отправлено спустя 6 минут 29 секунд:

Если проблем с подачей нет, то можно поставить датчик давления перед насосом и по нему регулировать насос.

Это же не газовый компрессор (вентилятор), тут давление на всасе не столь информативно.

[Valerich]

Это же не газовый компрессор (вентилятор), тут давление на всасе не столь информативно.

Суть в том, чтобы поддерживать постоянное давление на всасе, не допуская чрезмерного разряжения. При падении уровня в танке уменьшается подпор (или увеличивается разряжение) на насос - уменьшаем производительность насоса.

[ASUTP_PLC]

Тут диапазон по давлению такой, что чисто скорее всего обычный перепад высот и датчик давления уже обязан показать.
А это некислые требования в датчику давления. Может и обычные требования, но датчик давления паскали должен видеть.

[Remeslo]

Что за насос? Центробежный, кулачковый, винтовой?

Центробежный.
Благодарю всех за интерес к теме и за ваши вопросы.
Отвечаю.

На каком расстоянии от емкости стоит насос? Могут быть условия для возникновения кавитации.

Насос находится в непосредственной близости от фильтр-чана. Если по прямой, то сантиметров 50. Если считать по длине трубы, то сантиметров 80-90.

Могут быть условия для возникновения кавитации.

Не знаю, могу ли этим аргументировать, но в варочном цехе довольно тихо и какого-либо намека на шум схлопывания пузырьков не слышен.

Исключен ли подсос воздуха? Проверьте соединения - под давлением может и не бежать, но при разряжении подсасывать.

Как правильно упоминалось, проблема долгой фильтрации скорее всего комплексной, поэтому я проверяю всё. Поэтому чтобы исключить подсос воздуха, я прошелся по всем соединениям по пути от начала приема сусла, до его выхода в варочный котел. В большинстве случаев пришлось немного дотянуть соединения, но не так критично. Тем нем менее, буду уверен, что подсос воздуха будет исключен.

можно поставить датчик давления перед насосом и по нему регулировать насос.

Не могли бы вы порекомендовать конкретную модель датчика?
Так же бы хотелось уточнить, - между датчиком и частотником должен стоять какой-либо прибор, заставляющий частотник корректировать обороты? Или же частотник (в моем случае это Unidrive M200) способен быть запрограммированным делать это самостоятельно, без промежуточного прибора?

Отправлено спустя 5 минут 38 секунд:

По-хорошему, тут, кроме потока, надо бы следить и за перепадом на фильтро-элементе, в нашем случае это фальш-дно.
Уменьшился перепад - увеличивать подачу насоса, слишком увеличился - уменьшать.

Благодарю вас за мнение. Скажите, а предложенного and909-ым датчика давления разве не будет хватать в этой связке? Промеряли давление после фальшь-дна (в выходной трубе фильтр-чана) и по этим данным скорректировали обороты насоса. Нет?

[Valerich]

Центробежный

Нужно изучить документацию на насос на предмет самовсасывания, также установить: в трубопроводе перед насосом всегда напор или бывает разряжение и соответствует ли это возможностям насоса (самовсасывание). Может насос подобран неверно?

ПС: я, конечно, не сказать, что большой спец по насосам, есть кое-какой опыт, но может более продвинутые специалисты меня поправят?

Отправлено спустя 5 минут 38 секунд:
Если помогает метод ручного регулирования насоса (увеличивать производительность при падении протока) то можно установить датчик протока с аналоговым выходом и завести напрямую на частотник (не знаю, позволяет ли это ваша модель ПЧ, но у большинства такая возможность есть), и запрограммировать ПЧ на поддержание постоянного протока.

[Ryzhij]

Промеряли давление после фальшь-дна (в выходной трубе фильтр-чана) и по этим данным скорректировали обороты насоса. Нет?

Мы имеем тот случай, когда нас мало интересует гидростастическое давление, нам нужно подерживать профиль динамического перепада давления, связанного с потоком.
Перепад давления на фильтре как раз и будет пропорционален квадрату потока, а коэффициент пропорциональности будет зависеть от засорённости фильтра.
Просто давление может и быть, а нормального потока (и перепада) может при этом и не быть. Особенно если уровни в чанах изменяются.

[petr2off]

Просто давление может и быть, а нормального потока (и перепада) может при этом и не быть. Особенно если уровни в чанах изменяются

Ключевая фраза. Прежде чем что то регулировать, нужно о целевой функции подумать. И в данном случае, как правильно замечено, цель не в поддержании давления на всасе или на напоре, а обеспечение постоянного расхода через фильтр.
Т.е. самое правильное мерить и поддерживать постоянный расход.

[Barsik]

Самое простое что можно сделать за три копейки, прикрутив в частотнику несколько кнопок - запрограммировать очень медленный рампинг, чтобы он прибавлял обороты самостоятельно.

Отправлено спустя 8 минут 25 секунд:
Есть еще один весьма незатейливый вариант, вообще без автоматики - поставить дроссельную шайбу на выходе насоса. Которая потребует значительно бОльшего давления, на фоне которого перепад в емкости будет пофиг. При CIP будете вытаскивать

[Remeslo]

в трубопроводе перед насосом всегда напор

перед насосом как такового прям напора нет. Определенное давление там конечно же создается, но обусловлено оно лишь статическим давлением столба сусла в фильтр чане.

Может насос подобран неверно?

Возможно. На шильдике указано следуюющее GEA Hilge DURIETTA I/200, а дакже рассмотрел там такой параметрт как Q: 5m3/h. При этом объем нашего варочного котла в десять раз меньше и составляет всего 0,5m3. То есть если бы перекачивалась чистая вода без дробины, то на максимальных оборотах этот мотор справился бы с нашим объемом всего за 6 минут.
Как думают уважаемые участники обсуждения, имеет ли смысл говорить с производителем о замене двигателя на менее мощный?
Между дном и фильтрующим (перфорированным) дном есть расстояние в 2 см. В него собирается сусло, образуя соединенный через отверстия в фильтр-дне единый столб жидкости. По идее (но это не точно) все это должно постепенно перетягиваться в варочный котел и при этом не должно образовываться вакуума. Может ли этот двигатель из-за своей мощности, пусть даже на своих низких оборотах, образовывать вакуум между двумя днами и тем самым останавливать/замедлять фильтрацию?

Особенно если уровни в чанах изменяются.

Не знаю будет ли иметь моя ремарка какое-то значение, но со стороны котла В! который перекачивается сусла, давление нет, тк выходная трубка заведена сверну. У меня есть изображения от проектной документации в .pdf, могу выложить для наглядности, если потребуется.

Т.е. самое правильное мерить и поддерживать постоянный расход.

то есть между фаильтр-дном и дном?

Самое простое что можно сделать за три копейки, прикрутив в частотнику несколько кнопок - запрограммировать очень медленный рампинг, чтобы он прибавлял обороты самостоятельно.

Да, это как раз второй описанный мной вариант. Я просто там опечатку допустил :) Не могли бы вы подробнее написать, что за кнопки надо прикрутить :) Я рассматриваю все варианты.

[Valerich]

Врубить мотор на полную мощность тоже нельзя, иначе дробину присосёт к фальшь-дну и фильтрация встанет окончательно.

Может быть дробину все-таки присасывает и тогда имеет смысл останавливать насос или вообще периодически подавать жидкость в обратную сторону?

Отправлено спустя 2 минуты 6 секунд:
Я предполагал неверный подбор насоса в случае создания в подающей линии разряжения, а насос на это был бы не рассчитан.

Отправлено спустя 6 минут 10 секунд:
Предлагалось поддерживать постоянный расход в трубопроводе насоса, для этого расход нужно измерить и вывести на ПЧ в удобном виде, например 4-20мА. Для этого нужно установить расходомер (датчик протока), вариантов масса в зависимости от требуемой точности и бюджета.

[Remeslo]

Может быть дробину все-таки присасывает и тогда имеет смысл останавливать насос или вообще периодически подавать жидкость в обратную сторону?

На такие случаи в фильтр чане установлены... что-то вроде ножей с электроприводом, которые разрыхляют дробину. Их периодическое использование в ходе фильтрации не давало видимых изменений.

Для этого нужно установить расходомер

Хорошо, а если говорить о месте установки, то речь же естественно идет о трубе ПОСЛЕ насоса?

вариантов масса в зависимости от требуемой точности и бюджета.

Точность - 300 литров час с допустимым отклонением в +-20 литров. Бюджет - это не особо высокая зарплата меня как наемного рабочего. :) Ультразвуковый? Не могли бы вы пожалуйста привести пример, какой именно бы подошел?

Так же хотелось бы уточнить у всех: нужен ли какой-то доп.блок или мой частотник вполне способен воспринимать и обрабатывать данные с расходомера?

[Barsik]

Как думают уважаемые участники обсуждения, имеет ли смысл говорить с производителем о замене двигателя на менее мощный?

А при CIP вы тогда что делать будете?

Так же хотелось бы уточнить у всех: нужен ли какой-то доп.блок или мой частотник вполне способен воспринимать и обрабатывать данные с расходомера?

Вроде там все есть, но лучше если бы был точный тип (заказной номер) ЧП

На пищевке в таких задачах как правило применяют электромагнитные расходомеры. В гигиеническом исполнении, изготовленный из специфических материалов, выдерживающих режимы CIP. К примеру с керамической футеровкой нельзя - разваливается от резкой смены температур. Стоит совершенно неприличных денег - сименс к примеру от 3 КЕвро. Если только выпросить у кого то б/у.
Я как то пытался в подобной задаче приспособить отечественный Взлет - полный тырдык. Потому как он работает как звено запаздывания секунд на 5. В таких условиях ПИД работать не может.

[Ryzhij]

Хорошо, а если говорить о месте установки, то речь же естественно идет о трубе ПОСЛЕ насоса?

Нет никакой разницы, что до, что после насоса поток будет одинаковый. Абсолютные давления будут различаться.

[Valerich]

На пищевке в таких задачах как правило применяют электромагнитные расходомеры. В гигиеническом исполнении, изготовленный из специфических материалов, выдерживающих режимы CIP. ... Стоит совершенно неприличных денег - сименс к примеру от 3 КЕвро...

Мы (молочка) уже несколько лет довольно успешно используем расходомеры Badger M2000, в последней закупке цена была чуть больше 100тыр за Ду50. Есть модель попроще M1000, но там нет аналоговых выходов. Используем и на приемке и на регулировании расхода на пастеризаторах.
Можно также посмотреть у Буркерта: есть и навороченные 8098 и попроще.

[petr2off]

Как вариант, расход не мерить, а считать - через измерение уровня. Уровень мерить дешевле, чем расход.

[Barsik]

Уровень мерить дешевле, чем расход.

Датчик давления для пищевки должен быть стоек к компонентам безразборной мойки (CIP) - едкий натр и азотная кислота, не иметь непромываемых зон (должна быть разделительная мембрана), смонтирован таким образом, чтобы обеспечить отсутствие застойных зон. Для емкостей обычно применяют датчики с фланцевым креплением, вот классический случай http://www.etp90.com/Engelska/ETP90_0404_EN.pdf

[hell_boy]

Сдается мне, что процесс фильтрации не такой простой, как его описал топикстартер. Здесь http://www.comodity.ru/beer/beerwort/16.html , например, описан совсем другой процесс

После перекачки затора в фильтрационный чан его оставляют в покое на 20—30 мин для правильного расслоения его, затем производят «отбивку» фильтрационных кранов, т. е. краны по одному или попарно открывают полностью, быстро и рывками, и закрывают, создавая при этом вихревые движения жидкости под ситом. Стекающее мутное сусло перекачивают насосом обратно в фильтрационный чан. Эту операцию повторяют до тех пор, пока из кранов не потечет прозрачное сусло. После «отбивки» краны фильтрационной батареи открывают на 1/4 оборота и начинают фильтрацию сусла.

При открывании крана больше чем на 1/4 оборота может произойти засасывание верхнего слоя (теста) дробины, которая, проникая внутрь массы, заполнит капиллярные ходы, и фильтрация прекратится.

и здесь http://lautertun.narod.ru/filtraition.html

Хорошего качества фильтрования достигают при малых скоростях движения сусла через дробину (4,5-6 л/мин на 1 м2 площади сита). При больших скоростях может создаться разрежение под ситами и в результате - проникновение в дробину теста из верхнего слоя или воздуха в подситовое пространство через краны. Это может привести к замедлению фильтрования или его прекращению.

В начале фильтрования при нормальных условиях следует поддерживать давление 1 кПа. В дальнейшем давление повышается,и, когда достигнет 2,5 кПа, слой дробины необходимо разрыхлить. и снизить давление до первоначального.

[petr2off]

Ну если это так, то тут одним ПИД регулятором точно не обойдешься.

[Valerich]

Фильтрационный чан это вот типа этого?

[hell_boy]

Фильтрационный чан это вот типа этого?

Я уже немного разобрался. На картинке - фильтрационный чан для больших производств. У мини-пивоварен устройство такого чана сильно упрощено, но не отменяет общепринятых технологических значений парамеров: отстой 20-30 минут перед фильтрацией, 4.5-6 л/мин на 1 м2 площади сита, перепад давления на сите 1-2.5 кПа