автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Оптимизация управления процессом криогенного замораживания рыбных продуктов

ОПТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КРИОГЕННОГО ЗАМОРАЖИВАНИЯ РЫБНЫХ ПРОДУКТОВ

Специальность 05.13.07 - автоматизация технологических

процессов и производств

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Сердобинцев С.П., доктор технических наук, профессор Семенов Б.Н.

Калининград 1999

На правах рукописи

РУМЯНЦЕВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

УДК 664.951.037-52(043)

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................3

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.............. 8

1.1. Методы и установки криогенного замораживания ..................8

1.2. Промышленный вариант судовой рассольной холодильной установки и ее модернизация......................................................18

1.3. Методы и средства диагностирования технического состояния оборудования............................................................29

1.4. Цели и задачи исследования...........................................37

ГЛАВА 2.МАТЕМАШЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА

КРИОГЕННОГО ЗАМОРАЖИВАНИЯ ...........................................40

2.1. Теплофизические процессы, протекающие при замораживании рыбы..............................................................................40

2.1.1. Анализ процесса замораживания....................................43

2.1.2. Расчет режимов замораживания тунца............................45

2.1.2.1. Охлаждение с постоянной температурой хладагента.........46

2.1.2.2. Охлаждение с постоянным отбором тепловой энергии

от хладагента............................................................................54

2.2. Параметрическая модель ................................................58

2.3. Логико - динамическая модель........................................63

2.4. Выводы......................................................................72

ГЛАВА 3. АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА КРИОГЕННОГО

ЗАМОРАЖИВАНИЯ.................................................................73

3.1. Особенности и критерии задач управления..........................73

3.2. Алгоритм управления .................................................... 75

3.2.1. Форсированный режим замораживания............................ 77

3.2.2. Экономичный режим замораживания..............................78

3.3. Алгоритм диагностирования технического состояния ............88

3.4. Выводы......................................................................94

ГЛАВА 4. МАКЕТИРОВАНИЕ И ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ.................................................97

4.1. Техническая структура системы управления.......................97

4.2. Разработка специализированных технических средств.........102

4.3. Моделирование процесса замораживания..........................108

4.4. Макет системы управления с перечнем подпрограмм..........116

4.5. Выводы....................................................................118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................122

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................124

ПРИЛОЖЕНИЯ...............................................................131

ВВЕДЕНИЕ

Современное развитие промышленности идет по пути создания высокоэффективных технологий. Растущие затраты на сырье, энергию и услуги заставляют повышать качество продукции, уровень автоматизации и надежность технологических процессов (Ш). Экономия энергии в тепловых ТП является одним из путей решения глобальной энергетической проблемы и возможна в трех направлениях [1]:

- термодинамическое совершенство ТП;

- оптимизация расходования энерго ресурсов;

- повышение точности управления ТП.

Все холодильные технологии достаточно энергоемки, поэтому экономия энергоресурсов представляется актуальной задачей, особенно в судовых условиях. Энергопотребление холодильной техники существенно влияет на энергетический баланс судовой электро - энергетической установки. Одной из задач в этом направлении является равномерная ее загрузка и максимальное использование во время отключения других энергоемких производств.

Увеличение добычи рыбопродуктов (особенно во время «пиковых» уловов), а также удаленность рыбных промыслов от потребителя постоянно делают актуальной проблему совершенствования холодильной обработки продукции с целью обеспечения оптимальной скорости и производительности замораживания, а затем ее длительного хранения.

С одной стороны эта проблема решается путем наращивания холодильного оборудования, а с другой - путем оптимизации управления ТП, адаптации его к поступающему случайным образом сырью и его свойствам, применением технологий, базирующихся на современных методах замораживания с использованием микропроцессорных технических средств автоматизации.

Цель работы заключается в обосновании принципов построения автоматизированной системы криогенного замораживания рыбы, обеспечивающей повышение качества продукции и ресурсосберегающей технологии в постоянно меняющихся условиях, вызванных как нестабильностью поступления сырья и его свойств, так и постепенным износом оборудования, внезапными неисправностями и ошибками оператора.

Основные задачи исследования. В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи:

- выбор принципа построения рассольной судовой холодильной установки, позволяющего оптимизировать управление процессом криогенного замораживания рыбной продукции в условиях ресурсосберегающего режима работы;

- разработка математической модели процесса криогенного замораживания рыбных продуктов и выбор критериев управления;

- синтез алгоритмов управления, обеспечивающих адаптацию параметров ТП к свойствам сырья, и диагностирование технического состояния процесса криогенного замораживания;

- разработка технических предложений и структуры по реализации алгоритмов управления и диагностирования параметров HI.

Методы исследований. В работе используются методы теории автоматического управления, системного анализа, вероятности, математического моделирования, экспериментально - статистические и экспериментально - аналитические подходы к исследованию технологических процессов. Моделирование проводилось на персональном компьютере (ПК) Pentium - 166 с использованием пакетов прикладных программ СИАМ, Классик и др.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие научные результаты:

- изложены научно - обоснованные предложения по созданию систем оптимального управления процессом замораживания рыбных продуктов, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие ресурсосберегающих и экологически чистых технологий;

- разработаны математические модели основных стадий и операций Ш, выбраны критерии управления для экономичного и форсированного режимов криогенного замораживания рыбопродуктов;

- на основе разработанных принципов построения комбинированной рассольной холодильной установки (КРХУ) предложен способ замораживания и выгрузки продукции (патент № 2133001) и алгоритмы экономичного замораживания в условиях нестабильного вылова сырья и форсированного замораживания «пиковых» уловов;

- обоснована система технического диагностирования и синтезирован восстанавливающий алгоритм, обеспечивающий режим замораживания со скоростью не ниже минимально допустимой.

Практическая ценность. Показана перспективность использования предложенного способа замораживания и выгрузки продукции для рыбопромысловых судов проектов 13-406 и 1348.

Разработана технологическая схема КРХУ, позволяющая реализовы-вать экономичный, форсированный и восстанавливающий (при неисправностях) режим управления.

Разработаны макеты технических средств контроля процесса криогенного замораживания без проведения замеров температуры в теле рыбы.

На основе технических предложений (а.с. 1336037, а.с. 1381517) разработаны и изготовлены действующие макеты и опытные образцы средств диагностирования (комплексы КИК-1, КИК-2, КИК- 2А и стенды) судовых управляющих систем, которые внедрены на Калининградском ОПО «Судо-реммашавтоматика» и его участках.

Реализация результатов работы. Результаты исследования представлены в виде моделей, алгоритмов, программ, методических рекомендаций, устройств, действующих макетов и опытных образцов систем управления и диагностирования судовых холодильных объектов при выполнении в КГТУ с 1979 по 1998гг. научно - исследовательских и госбюджетных работ по темам «Исследование и разработка отечественных аналогов элементов серии «Транслог» и стенда для их контроля и диагностирования» ( № гр. Б759745), «Исследование работоспособности дискретных элементов и систем судовой автоматики» (№ гр. Б828351, № гр. 028400032122), «Разработка методов и средств контроля и диагностирования судовых средств автоматизации» (№ гр. 02840032122, № гр. 02850045807, № гр. 02860094489), «Разработка автоматизированного контрольно - информационного комплекса диагностирования ССА на базе универсального программируемого контроллера К1 - 20» (№ гр. 02870031273), «Разработка и обоснование структуры специализированных технических средств обучения по эксплуатации судовых средств автоматизации» (№ гр. 02880023360), «Технико - экономический анализ объектов автоматизации рыбообрабатывающих производств» (№ гр. 01890055999, 01860015102), «Анализ целесообразного уровня автоматизации технологических процессов обработки рыбы на береговых предприятиях Западного бассейна» (№ гр. 01878863851), «Исследование и разработка систем автоматизации технологических процессов и установок рыбной промышленности» (№ гр. 81056070) и др.

Полученные результаты используются студентами КГТУ в учебном процессе.

Результаты работы подтверждены актами внедрения.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы на различных этапах ее выполнения докладывались и обсуждались на меж-

дународных, всесоюзных, областных и межвузовских конференциях, семинарах и совещаниях, в частности:

-11,12, 15,17 научно - технических конференциях калининградских вузов Минрыбхоза СССР (Калининград, 1983,1984,1987,1989г.);

- 3 межвузовской конференции молодых ученых и специалистов (Калининград, 1984г.);

- 2 Всесоюзной научно - технической конференции (Челябинск, 1988г.);

- 2 областной научно - практической конференции (Калининград, 1996г.);

- 1 Всероссийской научно - практической конференции «Автоматизация технологических производств и управление процессом на предприятиях пищевой промышленности» (Москва, 1996г.);

- международной научно - практической конференции «Балттехмаш-98» «Прогрессивные технологии, машины и механизмы в машиностроении» (Калининград, 1998г.);

- научно - технической конференции, посвященной 40- летию пребывания университета на Калининградской земле и 85- летию рыбохозяйст-венного образования в России (Калининград, 1998г.);

- международной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Новгород, 1999г.).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

Работа изложена на 123 страницах машинописного текста и содержит 30 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 71 наименования, приложения на 25 страницах, всего 155 страниц.

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1, Методы и установки криогенного замораживания.

Из всех способов длительного сохранения сырья (посол, сушка, копчение, охлаждение) замораживание имеет преимущественное значение, при котором максимально сохраняются натуральные качества продукта и устраняется сезонность в работе рыбоперерабатывающих предприятий с возможностью стабильного производства продукции широкого ассортимента.

Качество продуктов при консервации холодом в большей степени зависит от скорости замораживания. Заниженная скорость относительно оптимальной приводит к увеличению отрицательных эффектов, влияющих на физико - химические, биологические, санитарно - гигиенические и орга-нолептические показатели и в целом на качество продукции [2-8].

Из известных методик определения скорости замораживания наиболее строгим физическим понятием является линейная скорость перемещения фронта кристаллизации [6,7]. Принята условная классификация линейных скоростей замораживания [7]:

- быстрая - 5- 20 см/ ч;

- средняя -1-5 см/ ч;

- медленная- 0,1- 1 см/ ч.

Для быстрого замораживания продукции в промышленном масштабе используют криогенные и низкотемпературнокипящие жидкости: жидкий азот и воздух, жидкий и твердый диоксид углерода и хладоны [9].

Растущее применение криогенного (азотного) замораживания продуктов объясняется рядом его преимуществ по сравнению с традиционными способами:

- резкое сокращение времени замораживания;

- сохранение высокобиологических качеств продукта и увеличение

его стойкости при хранении;

- значительное снижение усушки продукта;

- возможность полной автоматизации процессов и снижение затрат на обслуживание оборудования;

- экологичность азотного замораживания;

- большой диапазон рабочих температур;

- высокая производительность оборудования.

Криогенный способ замораживания рыбопродуктов нашел наиболее широкое применение в США, Великобритании, Канаде, Франции и Японии.

В настоящее время техника получения, хранения, транспортирования и использования жидкого азота в России освоена лучше, чем других хладагентов. Широкое применение азотных технологий ограничено из-за сравнительно высокой стоимости производства жидкого азота. Затраты энергии на единицу криоагента в значительной степени различаются в зависимости от типа, производительности установки и чистоты получаемого азота и в среднем составляют 1,4-2,1 кВт*ч/кг, уменьшаясь с увеличением производительности оборудования [1-14]. Отечественные воздухо-разделительные установки для получения жидкого азота имеют высокие технико-экономические показатели, однако, с увеличением масштабов производства первостепенное значение имеет проблема сокращения потерь энергии [10].

Для ряда регионов России, где открыты многочисленные месторождения природных высокоазотных (с содержанием азота более 90%) газов, перспективным является альтернативный путь получения жидкого азота. Совместные исследования, проведенные в 1990 - 1995 годах ВНИХИ, ВНИИКОПом, ВИШНИ, ВНИИгазом, НПО «Криогенмаш», АО «Криокор», с участием ГШ «Удмуртгеология», показали, что в условиях растущего энергетического дефицита наиболее рационально производство

жидкого азота с использованием энергии пластового давления, которое в газовых залежах удмуртских место рождений достигает 7-10 МПа. Такой способ получения жидкого азота в 7 - 10 раз дешевле традиционного способа с применением воздухо - разделительных установок [15].

Расчеты, выполненные в приложении 1, показывают, что экономически более оправдано получение жидкого азота на морских судах, чем покупка его на берегу.

В современных установках для выделения азота из воздуха применяются мембранные технологии и ожижение газа производится в крио-генераторе, работающем по циклу Стерлинга [10].

Иа рисунке 1.1 показана схема малогабаритной перспективной мобильной криогенной установки - 0.1 для получения жидкого азота с производительностью 80,8 кг/ч (100 л/ч).

Установка состоит из двух подсистем:

- получения газообразного азота, включающая воздушный компрессор, фильтр газоочистки воздуха, мембранный газоотделитель и ресивер с редуктором и регулирующим вентилем;

- ожижения азота, содержащая криогенную газовую машину, цистерну хранения жидкого азота и электропривод.

Затраты на получение жидкого азота для этой установки составляют примерно 1,5 кВт*ч/кг. Получаемый жидкий азот (чистота, не менее, 99,5%) не содержит масла, ацетилена, влаги и механических примесей.

Установка выгодно отличается от традиционного оборудования, работающего по циклам высокого давления и разделения воздуха в ректификационных колоннах, и имеет следующие характеристики:

- полная автоматизация пуска, рабочего режима и остановки процесса;

- быстрый выход на рабочий режим получения жидкого азота (через

15 мин.);

2 3 4

Рис. 1.1. Малогабаритная перспективная мобильная криогенная установка Ыь -0.1.

I- трубопровод подачи воздуха; 2- воздушный компрессор; 3- фильтр газоочистки воздуха; 4- мембранный газоотделитель; 5- слив воды; б- выход обогащенного кислородом воздуха; 7- трубопровод газообразного азота; 8- ресивер; 9- редуктор; 10- регулирующий вентиль;

II- криогенная газовая машина; 12- цистерна хранения жидкого азота; 13- электропривод.

- относительная легкость и компактность установки по сравнению

с другим аналогичным оборудованием из-за отсутствия компрессора высокого давления, ректификационных колонн и т.д.;

- не требуется больших помещений для размещения установки (почти в 10 раз меньше, чем у обычных);

- не требуется фундамент под оборудование.

Проведенный анализ показал, что эта установка в полной мере подходит для использования в судовых условиях как с точки зрения производительности, стоимости получения криоагента, так и массо - габаритных характеристик.

Известны 4 метода использования жидкого азота для замораживания продуктов: погружения, орошения, продувания газа и комбинированного замораживания [9,16], которые классифицированы на рис. 1.2.

Погружной (иммерсионный) метод характеризуется наиболее высокой (от 100 до 600 К/мин в зависимости от типа продукта, е