Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ технологического процесса стерилизации и обоснование способов повышения его эффективности 8
1.1 Основные сведения о технологическом процессе стерилизации 8
1.1.1 Описание стерилизационной установки авк-30. технологический процесс стерилизации консервов 10
1.1.2 Особенности управления стерилизационной установкой 13
1.2 Состояние рыбоконсервного производства в настоящее время 14
1.3 Современные направления совершенствования процесса стерилизации 16
1.4 Анализ факторов, оказывающих влияние на стерилизующий эффект, и обоснование способов повышения эффективности процесса стерилизации 19
1.5 Технология научного исследования по теме диссертации 23
Выводы по первой главе 27
2 Исследование автоклава как системы, состоящей из стерилизуемого продукта и стерилизационной камеры, являющейся объектом автоматического управления 28
2.1 Математическое описание стерилизационной камеры как объекта автоматического управления 29
2.1.1 Разработка методики поиска наименее прогреваемой области и определения симметричности температурного поля стерилизационной камеры автоклава 32
2.1.2 Выбор аппаратного и программного обеспечения для проведения экспериментов 39
2.1.3 Проведение экспериментов по определению симметричности температурного поля стерилизационной камеры 41
2.1.4 Выбор входных переменных и обоснование структуры модели теплообмена в стерилизационной камере 42
2.1.5 Разработка методики идентификации параметров стерилизационной камеры как объекта, обладающего осевой симметрией 51
2.1.6 Обработка экспериментальных данных и определение параметров модели стерилизационной камеры 54
2.2 Разработка методики косвенной оценки динамических характеристик продукта 56
2.2.1 Проведение экспериментов по определению параметров модели имитатора паштета шпротного, стерилизуемого в банке №3 56
2.2.2 Проведение экспериментов по определению параметров модели имитатора супа рыбного кубанского, стерилизуемой в банке №3 58
Выводы по второй главе 60
3 Разработка способов рационального использования ресурсов в процессе работы стерилизационной установки 61
3.1 Оптимизация контура регулирования температуры в стерилизационной камере 61
3.1.1 Выбор критериев оптимальности 61
3.1.2 Определение типа регулятора контура управления температурой в стерилнзацнонной камере и алгоритма смены его коэффициентов 64
3.1.3 Расчет оптимальных коэффициентов регулятора для стерилизации имитаторов паштета шпротного и супа рыбного кубанского в АВК-30 65
3.1.4 Проведение экспериментов по стерилизации паштета шпротного и супа рыбного кубанского с оптимальными и неоптимальными коэффициентами 69
3.2 Разработка способа использования вторичного тепла и воды по замкнутому циклу 75
3.2.1 Определение характеристик экономайзера 75
3.2.2 Управление экономайзером 76
3.2.3 Оценка сокращения продолжительности этапа пароподготовки и скорости потери энергии содержимым экономайзера 78
3.2.4 Экспериментальное исследование экономайзера в рабочем цикле АВК-30 82
Выводы по третьей главе 8 6
4 Разработка микропроцессорной системы управления стерилизационной установкой АВК-30 87
4.1 Разработка программно-аппаратного комплекса для исследования стерилизационной камеры 87
4.2 Разработка оптимальной системы управления стерилизационной установкой мист.оптим 94
4.3 Разработка методики оптимизации управления стерилизационной установкой для заданного вида консервов при помощи мист.пак 96
4.4 Оценка экономического эффекта от внедрения 97
Выводы по четвертой главе 99
Заключение 100
- Описание стерилизационной установки авк-30. технологический процесс стерилизации консервов
- Разработка методики поиска наименее прогреваемой области и определения симметричности температурного поля стерилизационной камеры автоклава
- Расчет оптимальных коэффициентов регулятора для стерилизации имитаторов паштета шпротного и супа рыбного кубанского в АВК-30
- Разработка программно-аппаратного комплекса для исследования стерилизационной камеры
Введение к работе
Актуальность темы. Консервное производство является отраслью, затрагивающей вопросы продовольственной безопасности и самообеспечения страны продуктами питания. Необходимость его совершенствования и повышения эффективности является очевидной. В настоящее время одним из инструментов развития производственной сферы, обеспечивающим конкуренцию на рынке и рост числа рабочих мест, считается малый бизнес. Он мобилен и хорошо приспосабливается к рыночной обстановке. Тем не менее, в консервной отрасли малый бизнес не играет существенной роли, так как данное производство требует сравнительно больших капиталовложений, а современные стерилизационные установки имеют достаточно высокую стоимость. Малые предприятия, в основном, используют автоклавы предыдущих поколений, имеющие большие затраты ресурсов на выпуск продукции.
Для оснащения малого бизнеса требуются недорогие и эффективные автоклавы. Поэтому разработка способов повышения эффективности стерилизационных установок с целью снижения затрат на производство консервной продукции является актуальной и практически полезной задачей. Ее решение напрямую связано с сокращением расхода ресурсов на процесс стерилизации. Помимо собственно повышения конкурентоспособности выпускаемой продукции, это позволит уменьшить экологическую нагрузку на окружающую среду, что становится особенно актуальным в последнее время, когда антропогенное воздействие на природу достигло высокого уровня.
В настоящее время стерилизационное оборудование постоянно совершенствуется, разрабатываются автоклавы.новых конструкций и новые способы ведения процесса стерилизации. Однако остаются неисследованными вопросы оптимизации- системы' управления- процессом стерилизации, в частности, необходимость' ее настройки на конкретный вид консервной продукции. Также не исследована экономическая целесообразность применения устройства, позволяющего обеспечить использование по замкнутому циклу вторичного тепла, вырабатываемого автоклавом. Ответы на эти вопросы, позволят обоснованно выбрать направление повышения экономичности имеющегося стерилизационного оборудования и разработки энергетически эффективных стерилизационных установок.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка способов повышения эффективности процесса стерилизации консервов и их научное обоснование. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
Разработка методики исследования стерилизационной камеры с целью получения ее математического описания;
Разработка и создание измерительного программно-аппаратного комплекса;
Формулирование и апробация критериев- оптимальности, позволяющих обеспечить выполнение требований технологического процесса и экономию ресурсов;
Разработка и создание оптимальной системы управления процессом стерилизации;
Разработка и реализация способа использования вторичного тепла (продувочного пара, конденсата и отводимой, из стерилизационной камеры охлаждающей воды) по замкнутому циклу.
Научная новизна работы. В диссертации впервые решены следующие вопросы: доказано, что сокращения затрат на процесс и уменьшения неоднородности температурного поля в автоклаве при сохранении заданного уровня летальности возможно , достичь применением индивидуальных для- каждого вида консервной продукции оптимальных коэффициентов регулятора температуры в стерилизационной камере; теоретически обосновано и экспериментально доказано, что для оптимального расходования теплоносителя необходимо применять индивидуальные коэффициенты. регулятора температуры в автоклаве для этапов продувки, нагрева и собственно стерилизации; предложены аппроксимирующие математические модели стерилизационной камеры с продуктом при стерилизации в паровой среде, используемые в ходе оптимизации управления температурой в автоклаве, учитывающие влияние продукта на динамические характеристики объекта управления и изменение параметров объекта на этапах процесса стерилизации; разработан способ рационального использования вторичного тепла по замкнутому циклу при помощи «экономайзера» и исследована экономическая целесообразность его внедрения.
Практическая значимость работы. Разработан и создан программно-аппаратный комплекс для исследования стерилизационной камеры МИСт.ПАК и методика оптимизации регулятора температуры в автоклаве с его помощью, позволяющая повысить эффективность работы стерилизационной установки. Спроектирована и реализована оптимальная микропроцессорная система управления процессом стерилизации. Разработан способ использования вырабатываемого стерилизационной установкой вторичного тепла при помощи «экономайзера». Предложенные алгоритмы, методики и программно-аппаратный комплекс могут быть использованы в консервной промышленности, а также в научно-исследовательских работах, направленных на изучение технологических процессов пищевой промышленности и разработку систем управления промышленным оборудованием.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается проработкой моделей исследуемых процессов, корректным применением методов аппроксимации, идентификации и теории оптимального управления, использованием апробированных расчетных методик, согласованием данных расчетов и экспериментов, воспроизводимостью опытов.
Методы исследования. В работе используются методы теории автоматического управления, планирования эксперимента, численные методы интегрирования, итерационные методы решения задач оптимизации.
Внедрение. Результаты диссертационной работы в виде программно- аппаратного комплекса для исследования автоклава, оптимальной микропроцессорной системы управления процессом стерилизации и «экономайзера» внедрены в лаборатории «Современных технологий производства продуктов из гидробионтов» (СТППГ) кафедры «Технологий пищевых производств» (11111) ФГОУВПО Мурманского государственного технического университета (МГТУ). Результаты диссертационной работы используются в ходе дипломного проектирования студентов специальности 220301.65 «Автоматизация технологических процессов и производств» и внедрены в учебный процесс по дисциплине «Интегрированные системы проектирования и управления» для студентов специальности 220301.65 в виде алгоритмов управления стерилизационной установкой на языках SFC, ST и FBD, а также учебно-лабораторного стенда-имитатора стерилизационной установки в лаборатории «Компьютерных систем управления» (КСУ) кафедры «Автоматики и вычислительной техники» (АиВТ) МГТУ.
В диссертации защищаются: способ снижения затрат ресурсов на процесс стерилизации консервов паром в автоклавах, основанный на выборе оптимальных в смысле затрат на управление коэффициентов регулятора температуры в стерилизационной камере, индивидуальных для каждого вида консервной продукции; ' способ использования вторичного тепла по замкнутому циклу при помощи «экономайзера».
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и были одобрены на: международных научно-технических конференциях «Наука и образование» (Мурманск, 2007 - 2010); XI международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2007);
Ш международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства^ технология и надежность машин,'приборов и оборудования» (Вологда, 2007); VI-УШ всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и ' молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии» (Томск, 2008-2010); международной научно-практической конференции, посвященной памяти профессора H.H. Рулева «Техника и технологии переработки гидробионгов и сельскохозяйственного сырья» (Мурманск, 2008); X Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, 2010), золотая медаль.
Экспериментальная часть работы выполнена в Мурманском государственном техническом университете в'рамках научно-исследовательской работы по госбюджетной теме «Комплексная модернизация систем контроля и управления процессами стерилизации и копчения» (ГР 01200900799).
Диссертация обсуждена на расширенном заседании кафедры Автоматики и вычислительной техники ФГОУ ВПО МГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, в том числе 3 работы в изданиях из списка российских научных журналов ВАК Минобрнауки России, 5 авторских свидетельств на программные продукты и 1 патент.
Структура и объем диссертации.. Диссертация» состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы (104 наименования) и 14 приложений. Работа изложена на 167 страницах, содержит 69 рисунков и 39 таблиц. В приложениях представлены алгоритмы, расчеты, программы и акты испытаний, акт внедрения.
1 Анализ технологического процесса стерилизации и обоснование способов повышения его эффективности
1.1 Основные сведения о технологическом процессе стерилизации
Стерилизация — один из наиболее распространенных и надежных методов сохранения (консервирования) пищевых продуктов, при котором расфасованные в герметичную тару (стеклянные банки и бутылки, металлические банки, алюминиевые тубы, тара из полимерных и комбинированных материалов) пищевые продукты подвергаются обработке, в процессе которой достигается разрушение тканевых ферментов сырья, прекращение жизнедеятельности микроорганизмов и их спор, а также обеспечивается кулинарная готовность продукта. За счет герметичной упаковки достигается возможность длительного сохранения продукции без порчи, так как находящиеся в окружающей среде новые возбудители внутрь тары попасть не могут. Расфасованные и обработанные таким образом пищевые продукты принято называть консервами [7, 58, 88, 90].
Способы стерилизации различаются видом воздействия на обрабатываемый продукт: теплом, токами высокой и сверхвысокой частоты, ионизирующими излучениями и пр. [59, 88, 90]. В настоящей работе рассматривается наиболее распространенный способ, а именно тепловая стерилизация, заключающаяся в инактивации ферментов, уничтожении микробных клеток и потере способности спор микроорганизмов к прорастанию (в результате денатурации белковых веществ или нуклеиновых кислот) при помощи воздействия теплоты, подводимой греющей средой к размещенным в стерилизационном аппарате консервам.
Температура и продолжительность стерилизации определяют микробиологическую эффективность процесса, и для конкретного вида консервной продукции зависят от вида микроорганизмов и их спор, их количества в единице объема продукта, кислотности среды, химического состава продукта, размера и материала тары, а также условий проникновения в нее тепла [38]. Для каждого вида консервов существует свой режим стерилизации, в общем случае представляющий собой совокупность следующих параметров: продолжительности этапов термообработки, температуры греющей среды, давления в автоклаве при стерилизации и охлаждении, нормативной летальности [44].
Под нормативной летальностью (нормативным стерилизующим эффектом) понимают время воздействия базисной температуры 121,1 С на продукт, за которое количество микроорганизмов на единицу объема продукта сократится в заданное число раз [59, 88]. Нормативная летальность рассчитывается, исходя из необходимости гарантировать гибель в консервируемом продукте возбудителей ботулизма (О.ВоШИпшп), а также обеспечивать гибель или уменьшение числа других более терморезистентных микроорганизмов до определенного заданного уровня. В случае с рыбной продукцией используют штамм С.8рогоепез, способный вызвать порчу консервов и имеющий большую термоустойчивость по сравнению с О.ВоШНпит [7, 44, 58, 59, 88].
Степень оказанного в ходе процесса стерилизации на продукт теплового воздействия называют фактической летальностью Ь2т (фактическим стерилизующим эффектом). Фактическая летальность равна эквивалентному по воздействию на микроорганизмы отрезку времени при базисной температуре и может быть вычислена из временной зависимости изменения температуры в продукте. Существуют три метода расчета фактического стерилизующего эффекта. При традиционном методе (Бигеллоу-
Болла-Флауменбаума) вычисление фактической летальности производится для наименее прогреваемой точки консервной банки (геометрический центр) [88, 90]:
4 = */(г)аГг, (1Л)
К/(Т) ~ 121,1-ГГг) » 10 2 где а, Ъ - время начала и окончания процесса соответственно; г - время процесса;
К/(т)- переводной коэффициент;
Т(т) - временная зависимость температуры в исследуемой точке; 2- константа термоустойчивости микроорганизмов.
На основе метода Бигеллоу-Болла-Флауменбаума осуществляют исследования температурного поля стерилизационных установок, по результатам которых на конкретном аппарате разработку режима стерилизации для конкретного вида консервной продукции следует производить совершенно определенным способом [17, 44, 54].
Согласно методу Ч. Стамбо, оценка фактической летальности производится послойно. Фактическое значение стерилизующего эффекта, полученное из временной зависимости температуры в наименее прогреваемой точке банки, пересчитывается с - учетом распределения температур по объему консервной банки в процессе стерилизации. Это приводит к численно большим значениям фактического стерилизующего эффекта по сравнению с традиционной методикой, а значит, позволяет сократить продолжительность термической обработки, сделать ее более щадящей [7, 19, 88].
На основании исследований Ч.Стамбо построена разработанная во Всероссийском научно-исследовательском институте консервной и овощесушильной промышленности (ВНИИКОП) методика определения стерилизующего эффекта среднеобъемным способом, согласно которой значение фактического стерилизующего эффекта рассчитывается исходя из температуры стерилизуемого продукта непосредственно перед герметизацией тары и температуры греющей среды в процессе стерилизации. Из этих данных по уравнению нестационарной теплопроводности при граничных условиях первого рода рассчитывают изменение во времени температурного поля стерилизуемого продукта, на основании которого рассчитывают среднеобъемную летальность [7,19, 84].
Параметры режима стерилизации должны быть такими, чтобы значение фактической летальности превышало значение нормативной летальности на величину, учитывающую возможные отклонения температурных и временных параметров процесса в меньшую сторону [44]. Тем самым гарантируется термогибель компонентов, опасных для потребителя и оказывающих непосредственное влияние на сохранность продукта.
С другой стороны, при нагревании происходит разрушение витаминов, гидролиз белков с образованием аммиака, амидов и сероводорода, окисление и пигментация продукта, а также его разваривание [7, 90]. Это приводит к снижению пищевой ценности и органолептических показателей качества консервов, особенно при интенсивном тепловом воздействии. Существует зависимость между температурой, временем нагревания и качеством получаемого продукта. Поэтому температурные и временные параметры режима стерилизации выбираются так, чтобы, обеспечивая требуемый уровень стерильности, установить оптимальное соответствие между качеством итоговой продукции и эффективностью работы установки.
Описание стерилизационной установки авк-30. технологический процесс стерилизации консервов
Консервное производство является отраслью, затрагивающей вопросы продовольственной безопасности и самообеспечения страны продуктами питания. Необходимость его совершенствования и повышения эффективности является очевидной. В настоящее время одним из инструментов развития производственной сферы, обеспечивающим конкуренцию на рынке и рост числа рабочих мест, считается малый бизнес. Он мобилен и хорошо приспосабливается к рыночной обстановке. Тем не менее, в консервной отрасли малый бизнес не играет существенной роли, так как данное производство требует сравнительно больших капиталовложений, а современные стерилизационные установки имеют достаточно высокую стоимость. Малые предприятия, в основном, используют автоклавы предыдущих поколений, имеющие большие затраты ресурсов на выпуск продукции.
Для оснащения малого бизнеса требуются недорогие и эффективные автоклавы. Поэтому разработка способов повышения эффективности стерилизационных установок с целью снижения затрат на производство консервной продукции является актуальной и практически полезной задачей. Ее решение напрямую связано с сокращением расхода ресурсов на процесс стерилизации. Помимо собственно повышения конкурентоспособности выпускаемой продукции, это позволит уменьшить экологическую нагрузку на окружающую среду, что становится особенно актуальным в последнее время, когда антропогенное воздействие на природу достигло высокого уровня.
В настоящее время стерилизационное оборудование постоянно совершенствуется, разрабатываются автоклавы.новых конструкций и новые способы ведения процесса стерилизации. Однако остаются неисследованными вопросы оптимизации- системы управления- процессом стерилизации, в частности, необходимость ее настройки на конкретный вид консервной продукции. Также не исследована экономическая целесообразность применения устройства, позволяющего обеспечить использование по замкнутому циклу вторичного тепла, вырабатываемого автоклавом. Ответы на эти вопросы, позволят обоснованно выбрать направление повышения экономичности имеющегося стерилизационного оборудования и разработки энергетически эффективных стерилизационных установок.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка способов повышения эффективности процесса стерилизации консервов и их научное обоснование. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи: 1. Разработка методики исследования стерилизационной камеры с целью получения ее математического описания; 2. Разработка и создание измерительного программно-аппаратного комплекса; 3. Формулирование и апробация критериев- оптимальности, позволяющих обеспечить выполнение требований технологического процесса и экономию ресурсов; 4. Разработка и создание оптимальной системы управления процессом стерилизации; 5. Разработка и реализация способа использования вторичного тепла (продувочного пара, конденсата и отводимой, из стерилизационной камеры охлаждающей воды) по замкнутому циклу. Научная новизна работы. В диссертации впервые решены следующие вопросы: доказано, что сокращения затрат на процесс и уменьшения неоднородности температурного поля в автоклаве при сохранении заданного уровня летальности возможно , достичь применением индивидуальных для- каждого вида консервной продукции оптимальных коэффициентов регулятора температуры в стерилизационной камере; теоретически обосновано и экспериментально доказано, что для оптимального расходования теплоносителя необходимо применять индивидуальные коэффициенты. регулятора температуры в автоклаве для этапов продувки, нагрева и собственно стерилизации; предложены аппроксимирующие математические модели стерилизационной камеры с продуктом при стерилизации в паровой среде, используемые в ходе оптимизации управления температурой в автоклаве, учитывающие влияние продукта на динамические характеристики объекта управления и изменение параметров объекта на этапах процесса стерилизации; разработан способ рационального использования вторичного тепла по замкнутому циклу при помощи «экономайзера» и исследована экономическая целесообразность его внедрения. Практическая значимость работы. Разработан и создан программно-аппаратный комплекс для исследования стерилизационной камеры МИСт.ПАК и методика оптимизации регулятора температуры в автоклаве с его помощью, позволяющая повысить эффективность работы стерилизационной установки. Спроектирована и реализована оптимальная микропроцессорная система управления процессом стерилизации. Разработан способ использования вырабатываемого стерилизационной установкой вторичного тепла при помощи «экономайзера». Предложенные алгоритмы, методики и программно-аппаратный комплекс могут быть использованы в консервной промышленности, а также в научно-исследовательских работах, направленных на изучение технологических процессов пищевой промышленности и разработку систем управления промышленным оборудованием. Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается проработкой моделей исследуемых процессов, корректным применением методов аппроксимации, идентификации и теории оптимального управления, использованием апробированных расчетных методик, согласованием данных расчетов и экспериментов, воспроизводимостью опытов. Методы исследования. В работе используются методы теории автоматического управления, планирования эксперимента, численные методы интегрирования, итерационные методы решения задач оптимизации. Внедрение. Результаты диссертационной работы в виде программно- аппаратного комплекса для исследования автоклава, оптимальной микропроцессорной системы управления процессом стерилизации и «экономайзера» внедрены в лаборатории «Современных технологий производства продуктов из гидробионтов» (СТППГ) кафедры «Технологий пищевых производств» (11111) ФГОУВПО Мурманского государственного технического университета (МГТУ). Результаты диссертационной работы используются в ходе дипломного проектирования студентов специальности 220301.65 «Автоматизация технологических процессов и производств» и внедрены в учебный процесс по дисциплине «Интегрированные системы проектирования и управления» для студентов специальности 220301.65 в виде алгоритмов управления стерилизационной установкой на языках SFC, ST и FBD, а также учебно-лабораторного стенда-имитатора стерилизационной установки в лаборатории «Компьютерных систем управления» (КСУ) кафедры «Автоматики и вычислительной техники» (АиВТ) МГТУ. В диссертации защищаются: способ снижения затрат ресурсов на процесс стерилизации консервов паром в автоклавах, основанный на выборе оптимальных в смысле затрат на управление коэффициентов регулятора температуры в стерилизационной камере, индивидуальных для каждого вида консервной продукции; способ использования вторичного тепла по замкнутому циклу при помощи «экономайзера». Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и были одобрены на: международных научно-технических конференциях «Наука и образование» (Мурманск, 2007 - 2010); XI международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2007); Ш международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2007); VI-УШ всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии» (Томск, 2008-2010); международной научно-практической конференции, посвященной памяти профессора H.H. Рулева «Техника и технологии переработки гидробионгов и сельскохозяйственного сырья» (Мурманск, 2008); X Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, 2010), золотая медаль.
Разработка методики поиска наименее прогреваемой области и определения симметричности температурного поля стерилизационной камеры автоклава
Открываются клапаны спуска 18 и подачи пара 21. Начинается этап продувки автоклава, предназначенный для удаления воздуха из стерилизационной камеры.
Воздух, обладающий, как известно, большим тепловым сопротивлением, может создавать воздушные «карманы», препятствующие прогреву определенных участков стерилизационной камеры, поэтому его удаление способствует обеспечению равномерных условий нагрева продукции [62]. Также продувка обеспечивает первичный прогрев тары с продуктом и внутреннего объема стерилизационной камеры.
В ходе продувки клапан 19 периодически открывается для удаления конденсата из стерилизационной камеры и увеличения эффективности использования теплоносителя. Воздух обладает большей в сравнении с паром плотностью, а потому лучше удаляется через нижнюю часть автоклава [1, 2, 90]. Признаком окончания продувки служит достижение показаниями датчика температуры греющей среды 5 диапазона 98..100 С и появление интенсивной струи пара на выходе клапана 18 [7, 90]. Обычная продолжительность этапа - 5 минут [75].
Далее клапаны 18 и 19 закрываются, и начинается этап нагрева, в течение которого равномерно повышаются давление в сосуде и температура тары, продукта, стенок стерилизационной камеры и корзин [7, 90]. Типовая продолжительность этапа - 15 минут [75].
Этап собственно стерилизации начинается при достижении заданного значения температуры в аппарате. В ходе него контур автоматического управления температурой греющей среды в автоклаве осуществляет управление клапаном подачи пара 21 таким образом, чтобы показания датчика температуры 5 соответствовали заданному значению. Таким образом, поддерживается постоянство температуры пара и компенсируется отбор теплоты содержимым стерилизационной камеры, а также потери тепла в окружающую среду. С периодичностью около 5 минут открывается клапан слива 19, обеспечивая отвод конденсата. Продолжительность этапа зависит от вида консервов и может изменяться в широких пределах.
После того, как время, отведенное на собственно стерилизацию, закончилось, начинается этап охлаждения. Подача пара в аппарат прекращается (закрывается клапан 21), открывается клапан подачи охлаждающей воды 17. Вода поступает в стерилизационную камеру, при этом резко падает давление в аппарате.
На этапе охлаждения возможна порча тары вследствие превышающей критическую величину разницы давлений между внутренним объемом консервной банки и аппаратом [7, 90]. Для решения этой проблемы в аппарате создается воздушное противодавление при помощи воздуха, подачей которого управляет клапан 11. После заполнения автоклава водой открывается клапан слива 19, что приводит к постепенному замещению отработанной охлаждающей воды более холодной из магистрали. Типовая продолжительность этапа - 20 минут [75].
При охлаждении консервов до 45 С этап охлаждения заканчивается, вода из автоклава удаляется через клапан слива 19 (в случае необходимости для ускорения процесса создается дополнительное давление воздухом). После выравнивания давлений между стерилизационной камерой и окружающей средой крышка может быть открыта, а клети с банками - выгружены из аппарата [7, 75].
За реализацию описанного выше алгоритма работы установки отвечает система управления 22, содержащая контуры управления температурой греющей среды и давлением в стерилизационной камере. К системе управления стерилизационной установкой предъявляются следующие требования [7]: температура греющей среды в камере должна максимально точно соответствовать режиму стерилизации (ошибка по температуре на этапе собственно стерилизации не должна превысить 1 С), давление в стерилизационной камере должно обеспечивать отсутствие деформации тары, условия нагревания должны быть максимально одинаковы для всех банок стерилизуемой партии. С точки зрения алгоритма функционирования, контур управления температурой греющей среды стерилизационной установки относится к системам программного управления. Алгоритм функционирования такой системы содержит предписание изменения управляемой величины (температуры в стерилизационной камере) в соответствии с заранее заданной программой на основании требований технологического процесса, а именно режима стерилизации [9, 69]. Этот контур осуществляет свои функции только на этапах продувки, нагрева и собственно стерилизации. Возмущающими воздействиями для этой подсистемы являются теплообмен с окружающей средой, отбор тепла продуктом и корпусом аппарата [38]. В качестве регулирующего органа может выступать как клапан с позиционированием, так и электромагнитный клапан. Клапаны с позиционированием позволяют реализовать непрерывный закон регулирования температуры греющей среды, однако они вносят некоторую динамическую ошибку в управляющий контур, более дороги и менее надежны, чем электромагнитные клапаны. С другой стороны, электромагнитные клапаны являются существенно нелинейными объектами, поэтому с их помощью возможна реализация только позиционного или непрерывного закона управления с использованием широтно-импульсной модуляции (как это делается, например, в современных отечественных стерилизационных установках 3-го поколения МАГ комплекса АСК производства ООО «РАС» [48]). Контур управления давлением в стерилизационной камере относится к системам стабилизации. Давление в стерилизационной камере на этапе охлаждения водой при стерилизации паром поддерживается на заданном уровне согласно режиму. В целом, несмотря на развитие консервного производства и разработку новых стерилизационных установок, алгоритм управления процессом стерилизации за последние годы особенных изменений не претерпел. Консервное производство - специализированная отрасль пищевой промышленности, позволяющая создавать запасы пищевых продуктов для потребления в районах с различными климатическими условиями в течение круглого года [90]. Повышенное внимание к ней со стороны исследователей обуславливается тем, что она затрагивает вопросы самообеспечения страны продуктами питания [53]. В доктрине продовольственной безопасности Российской Федерации указано, что долгосрочные национальные интересы России ориентированы на повышение конкурентоспособности национальной экономики [39]. Несмотря на богатые запасы природных ресурсов, Россия в значительной мере зависит от импорта продовольственных товаров, при этом существенная доля консервной продукции на прилавках принадлежит зарубежным производителям. Хотя добыча гидробионтов и использование продукции рыболовства для консервирования в мире увеличивается, в нашей стране производство консервной продукции постепенно снижается [73,81]. Перерабатывающие предприятия, производящие традиционную продукцию, в частности, консервы, проигрывают на рынке поставщикам свежей и замороженной продукции в результате долговременного сдвига в потребительских вкусах [81]. Необходимость постоянного совершенствования консервного производства диктуется научно-технической политикой России в области здорового питания. Его развитие позволяет справляться с такой проблемой, как ухудшение демографической ситуации в стране, вызванной неудовлетворительным питанием и белково- энергетической недостаточностью [53].
Расчет оптимальных коэффициентов регулятора для стерилизации имитаторов паштета шпротного и супа рыбного кубанского в АВК-30
Уменьшения потерь тепла с конденсатом и продувочным паром можно добиться за счет использования вторичной энергии по замкнутому циклу так, как это делается на крупных консервных заводах, где отработанный пар подается в теплообменники и используется производительно [38]. В некоторых случаях стерилизационная установка содержит контур рециркуляции, позволяющий использовать долю участвующей в процессе воды по замкнутому циклу [35]. Тем не менее, существует множество случаев, когда подобный вариант не реализован, и около 25% затрачиваемой в процессе тепловой энергии утилизируется в канализацию. Это также наносит вред окружающей среде. Поэтому предлагается повысить эффективность процесса стерилизации за счет использования участвующей в процессе продувочного пара, конденсата и подогретой охлаждающей воды по замкнутому циклу. Необходимо разработать способ возвращения вторичного тепла обратно в процесс. Это позволит уменьшить потребность стерилизационной установки в электрической энергии и воде.
Таким образом, сформировались предпосылки для совершенствования процесса стерилизации с целью повышения конкурентоспособности продукции за счет обеспечения оптимальности протекания процесса согласно выбранному критерию (экономичность, однородность температурного поля). Для каждого из этапов процесса стерилизации (продувка, нагрев и собственно стерилизация) предлагается использовать индивидуальные коэффициенты регулятора, что обусловлено различием предъявляемых в ходе этапов требований. Так, на этапах продувки и нагрева оптимальные по затратам на управление коэффициенты регулятора в начале этапа будут обеспечивать менее интенсивный рост температуры в аппарате, а ближе к концу этапа - более интенсивный. Тем самым удастся добиться сокращения затрат на управление по сравнению с регулятором с фиксированными коэффициентами. Если в критерий оптимальности будет входить элемент, характеризующий неоднородность температурного поля в аппарате, то станет возможной реализация такого управляющего воздействия, при котором будет минимизироваться неоднородность поля температур в аппарате в ходе процесса стерилизации.
Без адекватной математической модели объекта задача оптимизации системы управления подобным технологическим процессом является весьма трудоемкой, поэтому для синтеза оптимального регулятора необходима математическая модель объекта - стерилизационной камеры с размещенными в ней банками с продуктом. Имея адекватное математическое описание объекта, можно с минимальными затратами рассчитывать оптимальные значения коэффициентов регулятора и получать промышленно стерильные консервы более высокого качества по сравнению с выработанными традиционным методом [64].
Технология научных исследований - это совокупность знаний о содержании процессов (выбора темы, информационного и научного поиска, внедрения) и о методике их выполнения [49]. Графическое изображение этой технологии называется технологической картой научных исследований. Технологическая карта научных исследований иллюстрирует методически целесообразную последовательность выполнения научного исследования с учетом содержания основных процессов, методики их выполнения и формулировки научного положения. После выбора темы и постановки проблемы необходимо провести . информационный поиск, освещающий состояние вопроса и физическую сущность исследуемого объекта. Из детального анализа накопленной информации и запроса практики формируется главная задача исследования. Выпуск консервированной рыбной продукции - одно из традиционных и важных направлений работы рыбообрабатывающей промышленности. Для этой отрасли, кроме высокой эффективности, чрезвычайно важны показатели безопасности выпускаемой продукции. Неисследованность влияния коэффициентов регулятора температуры в автоклаве на фактическую летальность не позволяет достичь максимальной экономичности процесса при гарантии безопасности выпускаемой продукции для потребителя. Имеющиеся системы управления с фиксированными коэффициентами регуляторов не охватывают всех аспектов процесса стерилизации. В частности, при изменении вида стерилизуемой продукции изменяются также и параметры объекта управления (стерилизационной камеры с продуктом), а в случае с неизменными коэффициентами регуляторов это приводит к неоптимальному расходованию теплоносителя. Неоптимальность работы системы управления процессом стерилизации приводит к повышению расхода энергии, увеличивает себестоимость продукции, экологическую нагрузку на окружающую среду. Оптимизация управления температурой стерилизационной камеры на этапах продувки, нагрева и собственно стерилизации должна вестись с учетом возможности минимизации неоднородности температурного поля в аппарате. Это позволит обеспечить однородность условий нагрева расположенных в различных областях стерилизационной камеры консервов. Подбор оптимальных коэффициентов регулятора для стерилизации конкретного вида продукции требует наличия математического описания стерилизационной камеры с продуктом и критериев оптимальности. Способ сокращения затрат ресурсов на проведение процесса стерилизации, основанный на использовании оптимальных по расходу теплоносителя настроек регулятора температуры в стерилизационной камере на этапах продувки и нагрева; математическое описание стерилизационной камеры с продуктом, используемое для оптимизации управления температурой в аппарате; критерии оптимальности для нахождении оптимальных значений коэффициентов регулятора контура управления температурой греющей среды составляют элемент научной новизны предлагаемой работы. На различных этапах работы стерилизационной установки имеют место значительные потери энергии на вторичное тепло. К ним можно отнести отводимую на этапе продувки паровоздушную смесь; выходящую из аппарата на этапе охлаждения горячую воду; удаляемый из аппарата на различных этапах процесса стерилизации конденсат. Разработка и внедрение экономайзера, позволяющего использовать вторичное тепло по замкнутому циклу, также составляет элемент научной новизны работы. Учитывая вышеизложенное, в настоящей работе, технологическая карта которой представлена на рисунке 1.7, ставится главная задача — повысить эффективность стерилизации консервной продукции за счет использования системы автоматического управления процессом, оптимизированной на основе полученной математической модели стерилизационной камеры, а также за счет эффективного использования вторичного тепла, что позволит обеспечить снижение затрат на производство при сохранении высокого качества выпускаемой продукции. Актуальность рассматриваемой проблемы обосновывается тем, что до настоящего времени отсутствовали эффективные, недорогие и надежные способы повышения эффективности работы стерилизационных установок, обеспечивающие оптимальные режимы работы автоклавов в условиях изменяющихся параметров объекта. Для решения главной задачи необходимо решить следующие вспомогательные задачи: разработать методику исследования стерилизационной камеры с целью получения ее математического описания и значений его параметров; выбрать необходимые способы измерения и датчики параметров процесса, разработать и реализовать измерительный программно-аппаратный комплекс; разработать критерии оптимальности, позволяющие обеспечить выполнение всех предъявляемых к технологическому процессу требований и экономию энергетических ресурсов; реализовать оптимальную систему управления процессом стерилизации; разработать и реализовать способ использования вторичной энергии процесса по замкнутому циклу при помощи экономайзера.
Разработка программно-аппаратного комплекса для исследования стерилизационной камеры
Полный факторный эксперимент (ПФЭ) наиболее эффективен при построении линейных моделей. Он симметричен относительно центра эксперимента, ортогонален для полиномов первого порядка. Для него требуются малые объемы вычислений, так как все коэффициенты регрессии определяются независимо друг от друга [82], что позволяет отбрасывать незначащие коэффициенты регрессии, не пересчитывая остальные. ПФЭ ротатабелен (точность предсказания значения параметра оптимизации одинакова на равных расстояниях от центра плана) [42, 82]. Это приводит к минимальному значению дисперсии коэффициентов регрессии. Несмотря на указанные достоинства, для поиска полиномов высоких порядков этот план избыточен, а также теряет ротатабельность и ортогональность [91]. Его использование приведет к максимальному количеству характерных точек в стерилизационной камере по сравнению с другими планами второго порядка, а значит, к существенному усложнению конструкции сальникового ввода датчиков в аппарат (всего требуется 27 каналов). Это может существенно удорожить эксперимент.
Центральные композиционные планы, ортогональный и ротатабельный (ОЦКП и РЦКП соответственно) обладают соответствующими свойствами (ортогональностью или ротатабельностью), достигаемыми за счет наличия в плане дробного звездного плеча. В рассматриваемом случае для трехфакторного эксперимента его величина для ОЦКП равна 1,215; для РЦКП с ядром ПФЭ равна 1,6818; для РКЦП с содержащим дробную реплику ядром также имеет дробный вид и зависит от числа линейных эффектов, приравненных к эффектам взаимодействия [82]. Это затрудняет применение данных планов применительно к получению зависимостей параметров от координат вследствие возможности возрастания ошибки фиксирования факторов, вызванной большим количеством десятичных знаков после запятой для звездных точек плана эксперимента. Иными словами, размещение датчиков в камере с требуемой точностью представляет собой проблему.
То же относится и к некомпозиционным ротатабельным планам. При сравнительно малом количестве сочетаний уровней факторов в плане наблюдается большое количество дробных значений [82]. Следовательно, использование некомпозиционных ротатабельных планов в данном случае также затруднительно.
Для исследования симметричности температурного поля стерилизационной камеры был выбран план Бокса-Бенкина, получающийся композиционированием ПФЭ 23 (8 точек в вершинах куба) с шестью точками в центрах граней и с трехкратным повторением опытов в центре (матрица планирования и эскиз расположения датчиков в стерилизационной камере аппарата приведены на рисунке 2.3).
Такой план близок к ротатабельному, факторы варьируются на трех уровнях (-1, О и +1) [32, 80]. К недостаткам этого плана относят его некомпозиционность, он не может быть получен достройкой на втором этапе исследований плана первого порядка (для исследования линейной модели). В данном случае это не играет существенной роли, так как количество используемых в эксперименте каналов измерения заранее определено и неизменно. Особенностью плана Бокса-Бенкина является неравномерное дублирование числа опытов (опыты в центре плана повторяются три раза). За счет этого удается по 15 точкам оценить коэффициенты полиномов второго порядка по трем факторам и провести регрессионный анализ без необходимости дублировать эксперимент.
Рандомизация опытов проводится для обеспечения обоснованного использования аппарата математической статистики и для исключения систематической ошибки [80]. В данном случае таким фактором являются собственные характеристики используемых в эксперименте каналов измерения температуры. В общем случае, скорости нагрева и охлаждения датчиков различаются, что в конченом счете может оказать влияние на оценки постоянных времени объекта в характерных точках. Так как все датчики температуры в ходе эксперимента используются одновременно, для рандомизации опытов могло бы потребоваться проведение повторных экспериментов с измененным расположением датчиков.
Эксперименты согласно плану проводились в следующем порядке. Объект выводился в статический режим, после чего входной параметр (коэффициент заполнения ШИМ) устанавливался на некоторый уровень. Далее с некоторым интервалом времени (1 секунда) фиксировались значения входных и выходных параметров объекта до момента наступления установившегося режима.
Для идентификации объекта необходимо иметь временные зависимости коэффициента заполнения ШИМ клапана подачи пара и температур в характерных точках стерилизационной камеры. Для минимизации влияния содержимого консервов на определение параметров стерилизационной камеры, корпуса и обмена с парогенератором необходимо проводить эксперимент с заполненными воздухом банками (малая масса воздуха — малое количество отбираемого тепла).
Существует множество методов определения параметров передаточных функций по переходному процессу по данным вход-выход. Одним из подходов, например, является идентификация объекта при помощи наблюдателя. Однако использование наблюдателя оправдано, в основном, там, где идентификация объекта производится в режиме on-line. Скорость и устойчивость поиска коэффициентов наблюдателем существенно зависят от сравнительно большого количества настроек. Поэтому процесс идентификации объекта с использованием наблюдателя требует от оператора существенных интеллектуальных затрат. Это ограничивает применение данного метода в производственных условиях [12]. Более простым как в реализации, так и с пользовательской точки зрения решением является идентификация объекта при помощи итерационных методов, т.е. многопараметрических методов оптимизации по параметрам передаточной функции для характерной точки с координатами xj, х2...хп на основании интегрального критерия J, включающего в себя квадратичное отклонение модели от объекта за период исследования: где ti, t2 - начало и окончание переходного процесса соответственно; Tzpc(t,xi,x2..x ) — значение температуры греющей среды в характерной точке с координатами xi,x2..x„ в момент времени t; TMod(t,xi,X2»Xn) - значение выхода модели объекта в точке с координатами xi,x2..x„ в момент времени t. Принципиально задача поиска параметров модели, обеспечивающих ее адекватность, не отличается от задачи поиска оптимальных значений коэффициентов регулятора, при которых переходный процесс объекта незначимо отличается от желаемого. В таком случае, алгоритм определения коэффициентов заключается в поиске (покоординатным спуском, градиентным спуском, ускоренным градиентным спуском и т.д.) таких оптимальных значений параметров передаточной функции объекта в характерной точке, чтобы / имел наименьшую величину [26, 66].
