Введение к работе
Актуальность темы. Реализация концепции государственной политики в области здорового питания населения РФ предусматривает увеличение производства витаминов, биологически активных добавок (БАД), создание обогащенной пищевой продукции и улучшение структуры ее потребления. При производстве комбинированных продуктов питания одной из основных проблем является равномерное распределение различных добавок (витаминов, БАД, наполнителей, стабилизаторов, ароматизаторов и т.д.), вносимых в небольших количествах (0,01 - 1%) по всему объему смеси.
Перспективными направлениями при переработке дисперсных материалов являются: смешивание в тонких разреженных слоях; возможность совмещения в одном аппарате процессов смешивания и диспергирования; организация в его рабочей зоне направленного движения материальных потоков за счет использования различных рециклов; аппаратурное оформление стадии смешивания по непрерывной схеме.
Поэтому интенсификация процессов в смесительных агрегатах непрерывного действия для получения комбинированных смесей, создание теории и на ее основе средств автоматизированного управления ими являются актуальной научной задачей, представляющей большой практический интерес для пищевой и ряда других отраслей промышленности.
Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов получения смесей сыпучих компонентов, проведенных в России и за рубежом, показывает значительное преимущество агрегатов непрерывного действия в сравнении с периодическими, что представляет широкие возможности для его автоматизации, резкого повышения производительности при одновременном снижении энергопотребления, металлоемкости и себестоимости готового продукта, улучшения условий труда и оздоровления экологической обстановки.
Однако до последнего времени непрерывно действующие смесительные агрегаты не получили широкого применения в промышленности из-за нерешенности ряда вопросов. В частности, недостаточно изучена проблема влияния входных сигналов, формируемых дозаторами различного типа, на структурные параметры выходных потоков, а также совместное влияние этих факторов и динамических характеристик смесителей непрерывного действия (СНД) на качество готовой смеси. Особенно это важно при получении комбинированных продуктов с высоким соотношением смешиваемых компонентов.
Несмотря на то, что в последние годы опубликованы исследования в области разработки теории и практики непрерывного смешивания, перечисленным вопросам, тем не менее, посвящено сравнительно небольшое количество работ.
Кроме того, в настоящее время отсутствует системный подход, который бы увязывал в единую цепочку процессы дозирования и смешивания с точки зрения кибернетических представлений о динамических системах. Большинство систем автоматического управления (САУ) процессами непрерывного смешивания сухих материалов построены на принципе поддержания нагрузки дозаторов на определенном уровне путем использования косвенных методов: измерения активной мощности электродвигателя привода, шумов, давления на опорные подшипники и т. п. Эти системы отличаются высокой погрешностью и практически не откликаются на изменение качественного состава смеси на выходе из смесителя. Поэтому вопросы интенсификации процесса смесепри-готовления и получения смесей высокого качества на основе автоматизации и управления его динамикой являются актуальными.
Одним из способов, позволяющих решить эту задачу, является применение автоматизированного управления процессами в технологических объектах пищевой промышленности, в частности, в смесеприготовительных агрегатах (СМПА) непрерывного действия для производства дисперсных комбинированных продуктов, на базе вейвлет-преобразований.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами НИР Кемеровского технологического института пищевой промышленности (КеМТИПП), грантом губернатора Кемеровской области «Разработка научно-практических аспектов создания дозировочно-смесительного оборудования для производства комбинированных кормов и продуктов питания» на 2007 г., с планами НИР и развитием тем по грантам министерства образования РФ: 1) ТО2-06.7-1238 «Научно-практические основы разработки непрерыв-нодействующих смесителей центробежного типа с регулируемой инерционностью для получения сухих и увлажненных композиционных материалов» 2) ТО2-03.2-2440 «Система технологического мониторинга и автоматизированного управления динамикой непрерывных технологических процессов в агрегатах для производства пищевых дисперсных композиций на базе всплесковых преобразований».
Цель работы - интенсифицировать непрерывный процесс получения смесей заданного качества на основе автоматизированного управления смесеприготовительным агрегатом для производства пищевых комбинированных продуктов.
Задачи исследования. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
выполнить топологический анализ структуры смесеприготовительного агрегата непрерывного действия и разработать математические модели процесса смесеприго-товления;
исследовать влияние режимно-конструктивных параметров на погрешности непрерывного и дискретного дозирования сыпучих материалов; разработать математические модели процессов дозирования;
разработать математическую модель центробежного СНД с рециклом;
разработать методы интенсификации смесеприготовления и управления качеством смеси воздействием на каналы дозирования и внутренней рециркуляции смесителя;
спроектировать и создать систему автоматизированного управления СМПА на базе цифровых методов вейвлет-преобразований.
Научная новизна:
на основе экспериментальных исследований разработаны математические модели процессов дозирования для устройств непрерывного и дискретного действия;
введено понятие мультидозироваиия как процесса совместного функционирования нескольких дозаторов, при котором достигается гармонизация совокупного потока на предсмесительной стадии при минимальных флуктуациях, что позволяет получать качественные смеси; предложен интегральный показатель оценки пульсаций материальных потоков;
решена задача поддержания инвариантными погрешностей дозирования у исследованных типов устройств на заданном уровне, несмотря на нестабильность работы электроприводов дозаторов;
разработаны математические модели описания стационарных и нестационарных процессов дозирования и смешивания с использованием вейвлет-преобразований;
разработаны способ и структура многоконтурной системы управления с обратными связями по вейвлет-координатам смесеприготовительного процесса, позволяющие получать комбинированные смеси заданного качества.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
- выявлены в ходе исследований зависимости степени пульсаций материальных пото
ков и сглаживающих свойств технологических фрагментов СМПА от их режимно-
конструктивных параметров, которые целесообразно использовать для управления ре
жимами смесеприготовления в агрегатах непрерывного действия;
- разработан способ управления рецикл-каналом СНД и выявлены параметры каналов
направленной организации движения материальных потоков в нём, воздействие на ко
торые позволяет повысить качество смеси;
-на основе вейвлет-анализа разработаны способ и система online-мониторирования и управления динамикой процесса смесеприготовления, обеспечивающие непрерывное поддержание процессов мультиингредиентного дозирования и смешивания в номинальных режимах.
С участием автора в лабораториях кафедр «Процессы и аппараты пищевых производств», «Автоматизация производственных процессов и АСУ» и Центра новых информационных технологий КемТИПП проверена и подтверждена достоверность, стабильность и перспективность применения результатов математического моделирования исследуемых процессов для управления агрегатом на базе вейвлет-преобразований.
Материалы диссертационной работы внедрены в научно-учебные комплексы кафедр КемТИПП «Процессы и аппараты пищевых производств» и «Автоматизация производственных процессов и АСУ» для использования в лекционных курсах, курсовом и дипломном проектировании при подготовке студентов и аспирантов. Автор защищает математическое описание и результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов дозирования и смешивания; способы и структуру автоматизированной системы вейв лет-управления смесеприготовительным агрегатом. Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на 7-ми международных и общероссийских научных конференциях: "International Conference on Control of Dynamical Systems, Russian Academy of Sciences (Moscow, Jan., 2009); 8-й межд. конф. «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта» (Москва, окт., 2008); межд. конф. «Перспективы использования новых технологий и научно-технических решений в ракетно-космической и авиационной промышленности» (Москва, ИПУ РАН, авг. 2008); межд. конф. «Пищевые технологии и биотехнология» (Казань, июнь, 2008); межд. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, март, 2007); 6-й межд. конф. «CAD/CAM/PDM-2006» (Москва, ИПУ РАН, окт., 2006); общеросс. конф. «Пищевые технологии» (Казань, май, 2006). Публикации. Основные положения диссертации изложены в 18 публикациях, в том числе одной статье в рецензируемом журнале (из списка ВАК).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов работы и выводов, списка литературных источников и приложений; включает 82 рисунка и 11 таблиц. Основное содержание работы изложено на 145 страницах машинописного текста, приложения - на 19 страницах. Список литературных источников включает 124 наименования.
