автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Повышение эффективности стерилизации консервов паром в автоклавах

00461

2653

На правах рукописи

УДК 664.951.6.036.262

ВЛАСОВ АЛЕКСАНДР ВАЛЕНТИНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СТЕРИЛИЗАЦИИ КОНСЕРВОВ ПАРОМ В АВТОКЛАВАХ

Специальности 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 НОЯ 2010

Мурманск - 2010

004612653

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет" на кафедре "Автоматики и вычислительной техники"

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Ершов Александр Михайлович кандидат технических наук, доцент Маслов Алексей Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Антипов Сергей Тихонович кандидат технических наук Вицентий Александр Владимирович

Ведущая организация:

ОАО "Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по развитию и эксплуатации флота (Гипрорыбфлот)" (Санкт-Петербург)

Защита состоится 15 ноября 2010 г. в 13:00 на заседании диссертационного совета Д307.009.02 в Мурманском государственном техническом университете по адресу: 183010, г. Мурманск, ул. Спортивная, д. 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мурманского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 183010, г. Мурманск, ул. Спортивная, д. 13, ФГОУ ВПО "МГТУ".

Автореферат размещен на сайте www.mstu.edu.ru 14 октября 2010 г. Автореферат разослан 14 октября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д307.009.02,

X__________I

/

канд. техн. наук, профессор /<' И. Н. Коновалова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 считается малый бизнес, мобильный и хорошо приспосабливающийся 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 используют, в основном, автоклавы предыдущих поколений, имеющие большие затраты ресурсов на выпуск продукции.

Для оснащения предприятий малого бизнеса требуются недорогие и экономичные 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. Получение ответов на эти вопросы позволит разработать способы повышения экономичности имеющегося стерилизацион-ного оборудования и создаст предпосылки для разработки энергетически эффективных стерилизационных установок.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и научное обоснование способов повышения эффективности процесса стерилизации консервов. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка методики исследования стерилизационной камеры с целью получения ее математического описания.

2. Разработка и создание измерительного программно-аппаратного комплекса для исследования стерилизационной камеры автоклава.

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 сокращение затрат на процесс стерилизации и уменьшение неоднородности температурного поля в автоклаве при сохранении заданного уровня летальности достигается 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. Создан программно-аппаратный комплекс для исследования стерилизационной камеры "МИСт.ПАК". Разработана методика оптимизации регулятора температуры в автоклаве с помощью "МИСт.ПАК", позволяющая повысить эффективность работы стерилизационной установки. Спроектирована и реализована 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. Получен патент 94418 РФ на полезную модель "Стерилизационная установка" № 2010105537/22.

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 внедрены в виде программно-аппаратного комплекса для исследования автоклава, микропроцессорной системы для оптимального управления процессом стерилизации и "экономайзера" в лаборатории "Современных технологий производства продуктов из гидробионтов" (СТППГ) кафедры "Технологий пищевых производств" (ТПП) ФГОУ ВПО Мурманского государственного технического университета (МГТУ). Результаты диссертационной работы используются студентами специальности 220301.65 "Автоматизация технологических процессов и производств" в ходе дипломного проектирования 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.

Основные положения работы, выносимые на защиту:

1. Способ снижения затрат ресурсов на процесс стерилизации консервов, основанный на выборе оптимальных в смысле затрат на управление коэффициентов регулятора температуры в аппарате, индивидуальных для каждого вида консервной продукции.

2. Способ повышения эффективности стерилизационной установки, основанный на использовании вторичного тепла по замкнутому циклу при помощи "экономайзера".

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на международных научно-технических конференциях "Наука и образование" (Мурманск, 2007 - 2010); XI международной научно-практической конференции "Современные технологии в машиностроении" (Пенза, 2007); III международной научно-технической конференции "Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования" (Вологда, 2007); VI - VIII 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. Н. Рулева "Техника и технологии переработки гидробионтов 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).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получены 5 авторских свидетельств на программные продукты и 1 патент на полезную модель.

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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена анализу технологического процесса стерилизации и обоснованию способов повышения его эффективности. Проведен обзор состояния консервного производства, показавший, что современные исследования посвящены разработке новых способов стерилизации и созданию стерили-зационных установок новых конструкций, в то время как оптимизации процесса стерилизации уделяется недостаточно внимания. В результате анализа факторов, оказывающих влияние на стерилизующий эффект, предложены возможные направления повышения эффективности технологического процесса стерилизации.

Требования по точности поддержания температуры в аппарате распространяются только на этап собственно стерилизации, а этапы продувки и нагрева вносят малый вклад в фактическую летальность. Предложено повысить эффективность процесса стерилизации консервной продукции в паровой среде при помощи уменьшения подачи теплоносителя в аппарат на этапах продувки и нагрева за счет оптимизации контура управления температурой в стерилиза-ционной камере по критерию затрат на управление.

Обоснована необходимость применения модели объекта управления (сте-рилизационной камеры с продуктом) для ускорения и удешевления поиска оптимальных коэффициентов регулятора температуры в стерилизационной камере автоклава. Обоснована необходимость учета в модели влияния тепло-физических характеристик продукта на параметры объекта.

На основании того, что к различным этапам процесса стерилизации предъявляются индивидуальные требования и структура стерилизационной камеры изменяется в момент перехода от этапа продувки к этапу нагрева, сделан вывод о необходимости применения индивидуальных математических описаний стерилизационной камеры и критериев оптимальности для каждого этапа процесса стерилизации.

Обосновано использование неоднородности температурного поля в аппарате в качестве одного из критериев оптимальности и фактической летальности банки с продуктом, размещенной в наименее прогреваемой области автоклава, в качестве одного из обобщенных критериев оптимальности процесса стерилизации.

Описана экспериментальная стерилизационная установка АВК-30, являющаяся объектом исследования, и алгоритм ее работы в ходе процесса стерилизации паром. По результатам проведенного анализа алгоритма работы стери-лизационной установки обоснована возможность повышения эффективности работы стерилизационной установки за счет использования вторичного тепла (энергии продувочного пара, конденсата и подогретой охлаждающей воды) по замкнутому циклу при оборудовании установки теплоизолированным сосудом, получившим название "экономайзер".

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию объекта, состоящего из продукта и стерилизационной камеры. Аналитический вывод моделей термодинамических процессов, происходящих в стерилизационной камере, усложняется наличием множества трудно учитываемых (и на практике неуправляемых) факторов, поэтому получаемое решение весьма громоздко и неудобно в использовании. Обосновано использование метода идентификации для построения модели объекта, при котором аппроксимирующая модель синтезируется на основании априорной информации, данных эксперимента, множества моделей-кандидатов и правил оценки степени соответствия испытываемой модели данным наблюдений.

С целью снижения затрат на проведение экспериментов предложено произвести оценку симметричности температурного поля в стерилизационной камере автоклава АВК-30, что позволило уменьшить требуемое количество каналов измерения. Обоснована необходимость проведения экспериментов в наименее прогреваемой области стерилизационной камеры для повышения точности аппроксимации характеристик объекта. Для этого предложен способ, основанный на анализе полиномиальных зависимостей параметров упрощенного математического описания стерилизационной камеры от координат. Обосновано использование инерционного звена первого порядка в качестве упрощенной модели объекта:

х> у, 2) = Т^р.х.у.г) = К(х,у,г)

У(р) Т(х,у,2).р + 1'

где \¥(р, х, у, г) - передаточная функция стерилизационной камеры для характерной точки с координатами х, у, я;

ТСтк(р, х, у, г) - изображение временной зависимости температуры в характерной точке стерилизационной камеры (выходной параметр);

У(р) - изображение временной зависимости расхода пара (входной параметр);

р— оператор преобразования Лапласа;

Т(х, у, г), К(х, у, г) - параметры модели стерилизационной камеры для характерной точки, представленные полиномами вида:

В = Ьух + Ь2-у + £>з'2 + Ьи'Х2 + Ь2г'Уг + Ъъъ-г2 + Ь\2-х-у + Ь2ууг + Ь^-х-г, (2)' где Ъ\, Ъ2, Ьз, Ьц, Ъ22, ¿>зз, ¿>12,£>23, Ъи - коэффициенты полинома.

Коэффициенты полиномов (2) рассчитывались в ходе регрессионного анализа по экспериментальным данным, полученным при размещении датчиков

температуры измерительного комплекса в характерных точках стерилизаци-онной камеры по плану Бокса-Бенкина (рис. 1.а).

Определение оценочных значений параметров модели (1) в каждой характерной точке по экспериментальным данным производилось с использованием итерационных методов многопараметрической оптимизации (ускоренный градиентный спуск и покоординатный спуск с золотым сечением), минимизирующих правило соответствия:

(3)

где /2 - границы исследуемого временного интервала;

ТСтк({'), ТМОд(0 - температуры в характерной точке стерилизационной камеры и рассчитанная по модели для момента времени / соответственно.

В качестве критерия адекватности модели объекту используется максимальное значение относительной ошибки аппроксимации:

Тшк =Мах

(4)

а).

Уровни и интервалы варьирования факторов

Уровни Интервалы

1-1 0 -1 варьир.

X, мм +65 0 -65 65

у, мм +65 0 -65 65

2, ММ +90 0 -90 90

б).

Уровни и интервалы варьирования факторов

Факторы Уровни Интервалы

+1 0 -1 варьирование

г, мм г, мм +50 +40 0 0 -50 -40 50 40

Рис. 1. Схемы размещения характерных точек в стерилизационной камере для определения наименее прогреваемой области аппарата и получения упрощенной (а) и уточняющих (б) моделей

Для численного моделирования поведения стерилизационной камеры используется метод Рунге-Кутта 4-го порядка с шагом 1 секунда.

С целью автоматизации исследовательских работ по поиску модели объекта разработан и создан программно-аппаратный комплекс "МИСт.ПАК". Произведено определение динамических характеристик каналов измерения температуры, учитывавшихся в ходе идентификации параметров модели автоклава.

По результатам экспериментов, проведенных на АВК-30 с банками № 3, параметры модели (1) были идентифицированы для этапов нагрева и собст-

венно стерилизации. В ходе регрессионного анализа было установлено, что на них оказывает значимое влияние только фактор г:

235 9

Щр, х, у, £) =--. (5)

У (40,8+ 1,9-г)-/7 + 1 V '

Для упрощенной модели максимальное значение относительной ошибки аппроксимации не превышает 1 %. В ходе анализа выражения (5) было установлено, что наименее прогреваемой областью исследуемого аппарата является верхняя клеть, что согласуется с данными других исследователей. Также определено, что температурное поле клети является симметричным относительно ее вертикальной оси, поэтому эксперименты для построения уточняющей модели стерилизационной камеры с продуктом производились в половине сечения верхней клети (рис. 1.6). Размещение датчиков в меньшей области пространства позволило повысить точность аппроксимации характеристик объекта без увеличения затрат на проведение опытов. В уточняющих экспериментах факторами выступали расстояние до вертикальной оси симметрии аппарата г и аппликата 2.

Предложено математическое описание стерилизационной камеры с продуктом, аппроксимирующее зависимость между выходным воздействием (полем температур в аппарате) и входными воздействиями (коэффициентом заполнения широтно-импульсного модулятора (ШИМ) клапана подачи пара V и давлением в парогенераторе Рт). Обосновано математическое описание стерилизационной камеры как объекта с неизменными параметрами, а продукта - как объекта с параметрами, зависящими от вида консервов. В результате анализа экспериментально полученных статических характеристик стерилизационной камеры, было установлено наличие нелинейностей в ее структуре. Предложены структурные схемы теплообмена в стерилизационной камере АВК-30 для этапов продувки (рис. 2), нагрева и собственно стерилизации (рис. 3).

Блок 1 рис. 2 и управляющий сигнал У(р) описывает долю расхода теплоносителя, теплота которого затрачивается на нагрев стерилизационной камеры. Блок 2 описывает запаздывание при распространении пара к конкретной точке. Блоки 3 и 6 аппроксимируют структурные нелинейности объекта, приводящие к тому, что с увеличением расхода пара на этапе продувки все меньшее его количество участвует в теплообмене со стерилизационной камерой и продуктом, а при температуре в аппарате около 100 °С, практически весь подводимый объем теплоносителя удаляется из аппарата:

<2(р,г,2) = и(р,г,г)-(Ь(г,г) + а1(г,г)-е у(г'г> ), (6)

С„(А г, г) = Тсш(р, г, £) ■ х(г, 2) • (Тсш(р, г, 2)-ф, 2% Тстк{р, г, 2) > ф, 2) 0, Тстк(р,г,2)<12(г,2)'

где (¿(р, г, 2) - теплота в характерной точке с координатами г иг, участвующая в теплообмене со стерилизационной камерой и продуктом;

Р„,„„(р, г, г) - эквивалентные потери гидравлического напора в характерной точке;

Ь(г, г), а\(г, г), у(г, г), х(г, г), 12(г, г)- параметры зависимостей для характерной точки;

Щр, г, г) - расход теплоносителя, являющийся входным воздействием для блока 3 в характерной точке.

Рш/р)~. о то> п/г,,

Рис. 2. Структурная схема теплообмена в стерилизационной камере АВК-30 на этапе продувки

ЪМ

кг

К}М г

л

Продукт

Эюгц'Р 3

Рис. 3. Структурная схема теплообмена в стерилизационной камере АВК-30 на этапах нагрева и собственно стерилизации

Блок 4 рис. 2 (инерционное звено 1-го порядка) описывает линейную часть модели стерилизационной камеры. С точки зрения отбора теплоты, продукт (блок 5) обладает дифференцирующими свойствами: в начале нагрева продукт отбирает от греющей среды большое количество теплоты. С ростом внутренней температуры продукта температурный напор между ним и греющей средой уменьшается, при этом сокращается тепловой поток. Т„(г,г) описывает установившееся значение температуры в стерилизационной камере в отсутствие подачи пара.

Блоки 1, 2 и 3 рис. 3 имеют тот же смысл, что и в модели для этапа продувки. Блок 4 описывает связь между давлением и температурой по таблицам насыщенного водяного пара для рабочего диапазона:

РЛР, г> *) = 5048 -132,4 ■ Тсак(р, г, г) + 0,82 ■ Тгм{р, г, г). (8)

Идентификация параметров уточненных моделей объекта проводилась по тем же принципам, что и для упрощенной модели. Проверка адекватности осуществлялась в контрольной точке с произвольно выбранными координатами.

Максимальное значение относительной ошибки аппроксимации (АТстк*макс) для обеих моделей менее 15 %.

В качестве продукта были выбраны два вида консервов, различающихся видом теплообмена: паштет шпротный и суп рыбный кубанский, стерилизуемые в банках № 3. Обосновано использование имитаторов, изготовленных из сравнительно недорогого сырья (мойвы) по технологическим инструкциям на производство соответствующих видов консервной продукции, с целью минимизации затрат на проведение экспериментов. Для оценки значений параметров математического описания продукта были проведены эксперименты, результаты которых приведены в табл. 1. На рис. 4 приведены временные зависимости объекта (Тстк) и модели (Тстк мод) на этапах продувки, нагрева и начальном участке этапа собственно стерилизации для паштета шпротного. Периодическая составляющая временной зависимости температуры в стерилизационной камере обусловлена работой ШИМ.

Рис. 4. Результаты идентификации параметров модели стерилизационной камеры с продуктом (имитатором паштета шпротного)

Таблица 1

Результаты идентификации параметров моделей продукта

Продукт Тппо/Н С Впрод) С Ткягр» С Вцагр) С АТстк*мака %

Паштет шпротный 2400 64 0,04 63 14

Суп рыбный кубанский 6050 130 5 125 12

В результате исследований получено адекватное математическое описание стерилизационной камеры с продуктом, которое будет использовано в ходе оптимизации регулятора температуры в автоклаве.

Третья глава посвящена разработке способов рационального использования ресурсов в ходе процесса стерилизации. Для каждого этапа предложены

и обоснованы критерии оптимальности системы управления в виде интегральных оценок:

= • |е(т*)|• Т *2 +ки1 ■ У(х*)• т* +КЛ ■ КпТ(х*))с1х*, (9)

о

Лог„ = 1(^2 • |е(т*)|• * *2 +К„г ■ Г(т*))Л *, (10)

о

^р = )ф*улт*, (11)

о

где Кси Кс2, Киь Киг и Кл - весовые коэффициенты; а(г*) - рассогласование (ошибка управления), °С; т* - нормированное время этапа:

т* = —, (12)

^э т

(зт - продолжительность этапа, с;

г - время, прошедшее с начала этапа, с;

К,,т(т*)~ коэффициент неоднородности температурного поля аппарата:

= (13)

Б (г*) - стандартное отклонение температуры, вычисленное для п точек стерилизационной камеры (п = 9), °С.

Первые слагаемые подынтегральных выражений (9) и (10) обеспечивают достижение заданной температуры в стерилизационной камере к концу этапа. Вторые слагаемые (9) и (10) описывают затраты на управление. Третье слагаемое (9) минимизирует неоднородность температурного поля, так как по результатам экспериментов было установлено, что наибольшее значение она имеет на этапе продувки и быстро убывает к концу этапа. Для этапа собственно стерилизации выбран критерий (11), обеспечивающий поддержание заданного значения температуры в аппарате с минимальными отклонениями. Обобщенными критериями оптимальности процесса выбраны фактическая летальность, суммарные затраты на управление и интегральное значение коэффициента неоднородности температурного поля в аппарате.

Для управления температурой в стерилизационной камере традиционно используются ПИ-регуляторы. Так как современные системы управления процессом стерилизации построены на базе цифровой техники, используется рекуррентная форма записи.

В ходе оптимизации для каждого этапа процесса стерилизации рассчитываются индивидуальные группы коэффициентов регулятора. Соответственно, необходим алгоритм переключения коэффициентов. По результатам моделирования процесса стерилизации было установлено, что традиционно используемое безударное переключение не обеспечивает наилучших с точки зрения экономии

теплоносителя условий работы регулятора вследствие изменения структуры стерилизационной камеры при переключении продувка —> нагрев. Предложена и обоснована методика переключения "с предсказанием", заключающаяся в определении доли Кх накопленного управляющего воздействия, передаваемого в регулятор на следующий этап, использующаяся на первом шаге этапа:

V[k] = Kx-V[k-l] + Kp-z[k], (14)

где V[k] — управляющее воздействие на к-том шаге; £ [к] - ошибка управления на ¿-том шаге, °С; Кр - коэффициент П-составляющей регулятора.

Обосновано использование итерационных методов многопараметрической оптимизации для поиска Кр, К, и Кх. На основании полученных во второй главе моделей стерилизационной камеры и продуктов рассчитаны оптимальные коэффициенты регулятора для имитаторов паштета шпротного и супа рыбного кубанского. Проведена серия экспериментов с неоптимальными и оптимальными коэффициентами регулятора температуры в автоклаве.

На рис. 5 приведены временные зависимости действующего значения температуры в аппарате Тстк; температуры в центре банки Тб, расположенной в наименее прогреваемой области аппарата; заданного значения температуры q\ управляющих сигналов для начала процесса стерилизации имитатора паштета шпротного.

V, % q, Т°С 150

100

50

0 и 10 20 30 г,мин

Рис. 5. Сравнение оптимального и неоптимального процессов стерилизации

Затененными областями показана разница в затратах на управление. В результате оптимизации для паштета шпротного была достигнута экономия теплоносителя 20 %, уменьшение неоднородности температурного поля в аппарате на 15 % без изменения фактической летальности.

В ходе экспериментов с супом рыбным кубанским была достигнута экономия теплоносителя 15 % и уменьшение неоднородности на 25 %. Было установлено, что увеличение начальной температуры продукта (до 75 °С согласно

технологической инструкции), и наличие конвективного теплообмена за счет присутствия жидкой составляющей в банках, увеличило влияние коэффициентов регулятора на фактическую летальность (ее уменьшение составило 6 %). В данном случае, как и для паштета шпротного, возможно получение коэффициентов, обеспечивающих экономию теплоносителя при сохранении заданного уровня летальности путем варьирования весовых коэффициентов интегральных оценок в ходе оптимизации.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что оптимальная настройка регулятора температуры в стерилизационной камере на конкретный вид консервной продукции является эффективным и гибким способом повышения экономичности процесса.

Также в главе предложен способ повышения эффективности процесса стерилизации при помощи использования вторичного тепла (продувочного пара, конденсата и подогретой охлаждающей воды) по замкнутому циклу. На рис. 6 представлена схема стерилизационной установки АВК-30 с "экономайзером". Он используется для сбора конденсата, охлаждающей воды и теплоты продувочного пара в ходе работы установки, после чего его содержимое может быть транспортировано в парогенератор самотеком или посредством насоса.

Рис. 6. Схема АВК-30 с "экономайзером": 1 - компрессор; 2 - ресивер; 3 - датчики давления; 4 - манометры; 5 - датчик температуры;

6 - стерилизационная камера; 7 - клети с банками; 8 - электромагнитные клапаны;

9 - ТЭН; 10 - водопаровая камера; 11 - "экономайзер".

По экспериментальным данным для АВК-30 получены оценочные зависимости, характеризующие скорость снижения температуры среды в "экономайзере" Тжо от времени т (15), а также сокращение продолжительности паро-подготовки тж (16) и энергетических затрат ()ж (17) в зависимости от исходной

температуры среды в аппарате Тжх. Кривая зависимости экономии энергии на процесс от исходной температуры воды в парогенераторе представлена на рис. 7. Относительная погрешность выражений (15) - (17) не превышает 7 %. Полученное математическое описание позволило сделать вывод о том, что для повышения эффекта от использования "экономайзера" временные интервалы между процессами стерилизации должны быть минимальны.

?;т(т) = 9 + 115-е"^5оо (15)

тэ, = -4850-1п(1-^~*2'5) (16)

еэ,=-4,85-1п(1-7:'"з~152'5) (17)

Экономия, % (Зэк, кВгп ч

Рис. 7. Зависимость сокращения затрат на процесс от исходной температуры в парогенераторе

В процессе стерилизации с использованием "экономайзера" обеспечена экономия до 30 % затрат электрической энергии и до 15 % затрат воды на процесс.

Четвертая глава посвящена аппаратно-программной реализации микропроцессорной системы, обеспечивающей оптимальное управление стерилиза-ционной установкой. Описан разработанный и созданный автором (в соавторстве с аспирантом кафедры АиВТ МГТУ А. В. Кайченовым под руководством канд. техн. наук, профессора кафедры АиВТ МГТУ А. А. Маслова) программно-аппаратный комплекс "МИСт.ПАК", использующийся при проведении экспериментов. Он построен на базе отечественного оборудования для промышленной автоматизации "ОВЕН". Выбор элементной базы фирмы "ОВЕН" обусловлен положительным опытом работы с продукцией данного производителя и его сравнительно невысокой ценой при достаточной для решения поставленной задачи функциональности. "МИСт.ПАК" предназначен для идентификации параметров моделей стерилизационной камеры и продукта в соответствии с изложенной во второй главе методикой, а также для расчета оптимальных коэффициентов регулятора на их основе в соответствии с критериями (9) - (11). В ходе идентификации используются показания 15 термопар (расположенных

в стерилизационной камере), двух датчиков давления (стерилизационная камера и парогенератор) и управляющий сигнал ШИМ. С целью упрощения программной и аппаратной реализации, комплекс интегрирован в систему управления стерилизационной установкой "МИСт.Оптим". Используемые термопары подключены к двум модулям аналогового ввода "ОВЕН" МВА-8. Регистрация показаний датчиков и состояния исполнительных механизмов осуществляется в персональном компьютере. В главе описано программное обеспечение измерительного комплекса, обеспечивающее автоматическое архивирование требуемых параметров технологического процесса, чтение архивных данных и реализацию описанных выше функций "МИСт.ПАК".

Описана разработанная и созданная автором оптимальная система управления стерилизационной установкой "МИСт.Оптим", построенная на базе модулей "ОВЕН". Для измерения параметров технологического процесса используются датчики температуры (среды в стерилизационной камере, парогенераторе) и давления (в стерилизационной камере и парогенераторе). Управление установкой осуществляется программируемым логическим контроллером ПЛК-154 при помощи электромагнитных клапанов и ТЭН (посредством блока управления симисторами БУСТ). Для оцифровки аналоговых сигналов датчиков используется модуль ввода аналоговый МВА-8 "ОВЕН" и аналоговые входы ПЛК-154 "ОВЕН". Для управления клапанами используется модуль дискретного ввода-вывода МДВВ "ОВЕН" и собственные дискретные выходы ПЛК-154. Описано программное обеспечение оптимальной системы управления, в котором реализован алгоритм дискретного ПИ-регулятора "с предсказанием". Программное обеспечение разрабатывалось в ЗСАБА-системе ЗБ СоВеЭуз версии 2.3 на языках стандарта МЭК 61131-3.

Приведен алгоритм оптимизации управления стерилизационной установкой для заданного вида консервов при помощи "МИСт.ПАК". Приведены расчеты сроков окупаемости предлагаемых способов повышения эффективности для автоклава СР-2К. Для работ с учетом оптимизации системы управления на конкретный вид консервной продукции он составляет 1,5 года, а для "экономайзера" - 2,1 года.

О высокой надежности "МИСт.ПАК" и "МИСт.Оптим" говорит их безотказное функционирование в течение двух в лаборатории СТППГ кафедры ТПП МГТУ, в близких к промышленным условиям.

ВЫВОДЫ

1. Разработан способ уменьшения расхода ресурсов на процесс стерилизации за счет оптимизации регулятора температуры в автоклаве по критериям, содержащим затраты на управление.

2. Обоснована и экспериментально доказана необходимость применения индивидуальных оптимальных коэффициентов регулятора температуры в стерилизационной камере для стерилизации различающихся по своим теплофи-зическим свойствам консервов и для каждого из этапов процесса стерилиза-

ции. Сформулированы критерии оптимальности для этапов продувки, нагрева и собственно стерилизации, обеспечивающие выполнение требований режима стерилизации, экономию теплоносителя и уменьшение неоднородности температурного поля в аппарате.

3. Обоснована необходимость применения аппроксимирующих моделей сте-рилизационной камеры и продукта в ходе оптимизации регулятора. По экспериментальным данным получены адекватные математические описания стери-лизационной камеры АВК-30 и двух видов продукта (паштет и суп) для этапов продувки, нагрева и собственно стерилизации.

4. Разработан способ переключения коэффициентов регулятора температуры в аппарате "с предсказанием" по завершении очередного этапа процесса стерилизации, обеспечивающий наилучшие по расходу теплоносителя начальные условия работы для следующего этапа.

5. Разработан способ использования вторичного тепла по замкнутому циклу при помощи "экономайзера".

6. Проведенная оптимизация контура управления температурой в автоклаве обеспечила экономию до 20 % теплоносителя на процесс и уменьшение неоднородности температурного поля на 15 % при сохранении заданного уровня фактической летальности. Применение "экономайзера" обеспечило экономию до 30 % затрачиваемой на процесс стерилизации электрической энергии и до 15 % воды.

7. Разработаны программно-аппаратный комплекс для исследования автоклава и оптимальная микропроцессорная система управления процессом стерилизации, позволившие существенно повысить эффективность АВК-30.

8. Созданы предпосылки для разработки энергетически эффективных сте-рилизационных установок для малых предприятий и совершенствования существующих стерилизационных аппаратов крупных производств.

Основные положения диссертационной работы опубликованы В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Власов, А. В. Исследование динамики теплообмена в стерилизационной камере автоклава / А. В. Власов, А. В. Кайченов, А. А. Маслов // Рыб. хоз-во. -2009.-№6.-С. 77-79.

2. Исследование влияния неоднородности температурного поля при продувке стерилизационной камеры автоклава на различие стерилизующих эффектов в банках / А. В. Власов, В. А. Гроховский, А. М. Ершов, А. В. Кайченов, А. А. Маслов // Вестник МГТУ : труды Мурман. гос. техн. ун-та. -Мурманск, 2009. - Т. 12, № 1. - С. 52-57.

3. Совершенствование стерилизационной установки на базе модернизированного медицинского стерилизатора ВК-30 / А. В. Власов, А. Р. Власова, А. В. Кайченов, А. А. Маслов, В. В. Яценко // Вестник МГТУ : труды Мурман. гос. техн. ун-та. - Мурманск, 2009. - Т. 12, № 2. - С. 263-268.

В прочих изданиях:

1. Власов, А. В. Исследование температурного поля в стерилизационной камере автоклава с использованием теории планирования активного экспери-

мента / А. В. Власов, А. В. Кайченов, А. А. Маслов // Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования : матер. 3-й междунар. науч.-техн. конф. : в 2 т. / ВоГТУ. - Вологда, 2007. - Т. 1. - С. 193-196.

2. Власов, А. В. Критерии оптимизации управления температурой в автоклаве при стерилизации паром / А. В. Власов, А. В. Кайченов, А. А. Маслов // Молодежь и современные информационные технологии : сб. тр. VIII Всерос. науч.-практ. конф. студ., аспирантов и молодых ученых / ТПУ. - Томск, 2010. - С. 56-57.

3. Власов, А. В. Особенности разработки автоматической системы управления процессом стерилизации для стерилизационной установки АВК-30 / А. В. Власов, А. В. Кайченов, А. А. Маслов // Наука и образование - 2009 [Электронный ресурс] : междунар. науч.-техн. конф., Мурманск, 1-9 апреля 2009 г. / МГТУ. - Электрон, текст, дан. (181 Мб). - Мурманск : МГТУ, 2009. -1 электрон, опт. диск (CD-ROM). - С. 1154-1157. - Гос. per. НТЦ "Информре-гистр" № 0320900170.

4. Власов, А. В. Особенности управления стерилизационной установкой АВК-30 / А. В. Власов, А. В. Кайченов, А. А. Маслов // Наука и образование -2009 [Электронный ресурс]: междунар. науч.-техн. конф., Мурманск, 1-9 апреля 2009 г. / МГТУ. - Электрон, текст, дан. (181 Мб). - Мурманск : МГТУ, 2009. -1 электрон, опт. диск (CD-ROM). - С. 1150-1153. - Гос. per. НТЦ "Информре-гистр" № 0320900170 от 25.05.09.

5. Власов, А. В. Практическая реализация программно-аппаратного комплекса для экспериментального исследования температурного поля в стерилизационной камере автоклава / А. В. Власов, А. В. Кайченов, А. А. Маслов // Современные технологии в машиностроении : сб. ст. XI Междунар. науч.-практ. конф / Приволжский дом знаний. - Пенза, 2007. - С. 267-269.

6. Власов, А. В. Пути повышения эффективности процесса стерилизации в автоклавах периодического действия / А. В. Власов, А. В. Кайченов, А. А. Маслов // Наука и образование - 2009 [Электронный ресурс] : междунар. науч.-техн. конф., Мурманск, 1-9 апреля 2009 г. / МГТУ. - Электрон, текст, дан. (181 Мб). -Мурманск : МГТУ, 2009. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). - С. 373-376. -Гос. per. НТЦ "Информрегистр" № 0320900170 от 25.05.09.

7. Власов, А. В. Разработка методики определения наименее прогреваемой области стерилизационной камеры автоклава / А. В. Власов, А. Р. Власова, А. А. Маслов // Наука и образование - 2010 [Электронный ресурс]: междунар. науч.-техн. конф., Мурманск, 5-9 апреля 2010 г. / МГТУ. - Электрон, текст, дан. (139 Мб). - Мурманск: МГТУ, 2010. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). -С. 1338-1342. - Гос. per. НТЦ "Информрегистр" № 0321000362.

8. Власов, А. В. Разработка системы контроля и управления процессом стерилизации консервов в автоклавах периодического действия / А. В. Власов, А. В. Кайченов, А. А. Маслов // Молодежь и современные информационные технологии : сб. тр. VII Всерос. науч.-практ. конф. студ., аспирантов и молодых ученых / ТПУ. - Томск, 2009. - С. 42-43.

9. Власов, А. В. Разработка способа использования конденсата и охлаждающей воды в стерилизационных установках по замкнутому циклу / А. В. Власов, А. Р. Власова, А. А. Маслов // Наука и образование - 2010 [Электронный ресурс] : междунар. науч.-техн. конф., Мурманск, 5-9 апреля 2010 г. / МГТУ. -Электрон, текст, дан. (139 Мб). - Мурманск : МГТУ, 2010. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). - С. 984-987. - Гос. per. НТЦ "Информрегистр" № 0321000362.

10. Власов, А. В. Совершенствование методики изучения температурного поля греющей среды аппаратов периодического действия для стерилизации консервов / А. В. Власов, А. В. Кайченов, А. А. Маслов // Наука и образование -2009 [Электронный ресурс]: междунар. науч.-техн. конф., Мурманск, 1-9 апреля 2009 г. / МГТУ. - Электрон, текст, дан. (181 Мб). - Мурманск : МГТУ, 2009. -1 электрон, опт. диск (CD-ROM). - С. 361-363. - Гос. per. НТЦ "Информрегистр" № 0320900170 от 25.05.09.

11. Получение математической модели температурного поля в стерилиза-ционной камере автоклава на основании результатов активного эксперимента / А. В. Власов, Ю. Т. Глазунов, А. М. Ершов, А. В. Кайченов, А. А. Маслов // Техника и технологии переработки гидробионтов и сельскохозяйственного сырья : материалы междунар. науч.-практ. конф., посвящ. памяти проф. Н. Н. Ру-лева, Мурманск, 24-25 апреля 2008 г. / Мурман. гос. техн. ун-т. - Мурманск, 2008.-С. 18-21.

12. Расчет коэффициентов и регрессионный анализ двухфакторной модели : свид-во об офиц. per. прог. для ЭВМ 2006613877 Рос. Федерация / Власов А. В., Солодов В. С. ; правообладатель ФГОУ ВПО Мурманский гос. техн. ун-т. -№2006613091 ; поступ. 12.09.2006 ; зарег. 10.11.2006.

13. Расчет коэффициентов и регрессионный анализ трехфакторной полиномиальной модели : свид-во об офиц. per. прог. для ЭВМ 2006613875 Рос. Федерация / Власов А. В., Солодов В. С. ; правообладатель ФГОУ ВПО Мурманский гос. техн. ун-т. - № 2006613089 ; поступ. 12.09.2006 ; зарег. 10.11.2006.

14. Стерилизационная установка : пат. на полезную модель 94418 Рос. Федерация : МПК7 А 23 L 3/00 (2006.01), А 23 L 3/10 (2006.01) / Власов А. В., Кайченов А. В., Маслов А. А. ; патентообладатель ФГОУ ВПО Мурманский гос. техн. ун-т. -№ 2010105537/22 ; заявл. 16.02.2010 ; опубл. 27.05.2010.

15. MISt.Ident (МИСт.Идентификация) : свид-во об офиц. per. прог. для ЭВМ 2010613250 Рос. Федерация / Власов А. В.; правообладатель ФГОУ ВПО Мурманский гос. техн. ун-т. - № 2010611564 ; поступ. 26.03.2010 ; зарег. 17.05.2010.

16. MISt.Optim. (МИСт.Оптимизация): свид-во об офиц. per. прог. Для ЭВМ 2010613548 Рос. Федерация / Власов А. В. ; правообладатель ФГОУ ВПО Мурманский гос. техн. ун-т. - № 2010611772; поступ. 01.04.2010; зарег. 28.05.2010.

17. MISt.Reader_OWEN. (МИСт.Преобразование отчетов ОВЕН): свид-во об офиц. per. прог. для ЭВМ 2008614098 Рос. Федерация / Власов А. В., Кайченов А. В., Маслов А. А. ; правообладатель ФГОУ ВПО Мурманский гос. техн. ун-т. -№ 2008612909 ; поступ. 27.06.2008 ; зарег. 27.08.2008.

Издательство МГТУ. 183010 Мурманск, Спортивная, 13. Сдано в набор 12.10.2010. Подписано в печать 11.10.2010. Формат 60х841/16. Бум. типографская. Усл. печ. л. 1,05. Уч.-изд. л. 1,01. Заказ 245. Тираж 120 экз.

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СТЕРИЛИЗАЦИИ И ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЕГО ЭФФЕКТИВНОСТИ

1.1 Основные сведения о технологическом процессе стерилизации

1.1.1 Описание стерилизационной установки АВК-30. Технологический процесс стерилизации консервов

1.1.2 Особенности управления стерилизационной установкой

1.2 Состояние рыбоконсервного производства в настоящее время

1.3 Современные направления совершенствования процесса стерилизации

1.4 Анализ факторов, оказывающих влияние на стерилизующий эффект, и обоснование способов повышения эффективности процесса стерилизации

1.5 Технология научного исследования по теме диссертации 23 Выводы по первой главе

2 ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОКЛАВА КАК СИСТЕМЫ, СОСТОЯЩЕЙ ИЗ СТЕРИЛИЗУЕМОГО ПРОДУКТА И СТЕРИЛИЗАЦИОННОЙ КАМЕРЫ, ЯВЛЯЮЩЕЙСЯ ОБЪЕКТОМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

2.1 Математическое описание стерилизационной камеры как объекта автоматического управления

2.1.1 Разработка методики поиска наименее прогреваемой области и определения симметричности температурного поля стерилизационной камеры автоклава

2.1.2 Выбор аппаратного и программного обеспечения для проведения экспериментов

2.1.3 Проведение экспериментов по определению симметричности температурного поля стерилизационной камеры

2.1.4 Выбор входных переменных и обоснование структуры модели теплообмена в стерилизационной камере

2.1.5 Разработка методики идентификации параметров стерилизационной камеры как объекта, обладающего осевой симметрией

2.1.6 Обработка экспериментальных данных и определение параметров модели стерилизационной камеры

2.2 Разработка методики косвенной оценки динамических характеристик продукта

2.2.1 Проведение экспериментов по определению параметров модели имитатора паштета шпротного, стерилизуемого в банке №

2.2.2 Проведение экспериментов по определению параметров модели имитатора супа рыбного кубанского, стерилизуемой в банке №

Выводы по второй главе

3 РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕСУРСОВ В ПРОЦЕССЕ РАБОТЫ СТЕРИЛИЗАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ

3.1 Оптимизация контура регулирования температуры в стерилизационной камере

3.1.1 Выбор критериев оптимальности

3.1.2 Определение типа регулятора контура управления температурой в стерилнзацнонной камере и алгоритма смены его коэффициентов

3.1.3 Расчет оптимальных коэффициентов регулятора для стерилизации имитаторов паштета шпротного и супа рыбного кубанского в АВК

3.1.4 Проведение экспериментов по стерилизации паштета шпротного и супа рыбного кубанского с оптимальными и неоптимальными коэффициентами

3.2 Разработка способа использования вторичного тепла и воды по замкнутому циклу

3.2.1 Определение характеристик экономайзера

3.2.2 Управление экономайзером

3.2.3 Оценка сокращения продолжительности этапа пароподготовки и скорости потери энергии содержимым экономайзера

3.2.4 Экспериментальное исследование экономайзера в рабочем цикле АВК-30 82 Выводы по третьей главе

4 РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

СТЕРИЛИЗАЦИОННОЙ УСТАНОВКОЙ АВК

4.1 Разработка программно-аппаратного комплекса для исследования стерилизационной камеры МИСт.ПАК

4.2 Разработка оптимальной системы управления стерилизационной установкой МИСт.Оптим

4.3 Разработка методики оптимизации управления стерилизационной установкой для заданного вида консервов при помощи МИСт.ПАК

4.4 Оценка экономического эффекта от внедрения 97 Выводы по четвертой главе

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:

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.

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.

основные результаты и выводы по работе)

На основании анализа факторов, оказывающих влияние на фактическую летальность, обоснована возможность уменьшения расхода ресурсов на процесс стерилизации за счет оптимизации регулятора температуры в автоклаве по критериям, содержащим затраты на управление.

Обоснована и экспериментально доказана необходимость применения индивидуальных оптимальных коэффициентов регулятора температуры в стерилизационной камере для стерилизации различающихся по своим теплофизическим свойствам консервов и для каждого из этапов процесса стерилизации.

Обоснована необходимость применения аппроксимирующих математических моделей стерилизационной камеры и продукта в ходе оптимизации регулятора температуры в аппарате. По экспериментальным данным получены адекватные математические описания стерилизационной камеры на этапах продувки, нагрева и собственно стерилизации для наименее прогреваемой области аппарата, а также двух видов продукта (имитаторов супа рыбного кубанского и паштета шпротного).

Сформулированы критерии оптимальности для этапов продувки, нагрева и собственно стерилизации в виде интегральных оценок, обеспечивающих выполнение требований режима стерилизации, экономию теплоносителя и уменьшение неоднородности температурного поля в аппарате.

В результате проведенной оптимизации обеспечена экономия до 20% теплоносителя на процесс и уменьшение неоднородности температурного поля на 15% при сохранении заданного уровня фактической летальности.

Разработан способ использования отводимых из стерилизационной камеры паровоздушной смеси, конденсата и подогретой охлаждающей воды по замкнутому циклу при помощи экономайзера, при реализации которого обеспечена экономия до 30% затрачиваемой на процесс стерилизации электрической энергии и до 15% воды.

Разработаны программно-аппаратный комплекс для исследования автоклава МИСт.ПАК и оптимальная микропроцессорная система управления процессом стерилизации МИСт.Оптим, позволившие существенно повысить эффективность стерилизационной установки АВК-30.

Результаты диссертационной работы использованы при автоматизации существующего стерилизационного оборудования МГТУ и внедрены в учебный процесс для студентов специальности 220301.65 «Автоматизация технологических процессов и производств» по дисциплине «Интегрированные системы проектирования и управления».

Основным результатом работы является создание предпосылки для разработки энергетически эффективных стерилизациоиных установок для малых предприятий и совершенствования существующих стерилизациоиных аппаратов крупных производств.

Основные положения диссертации, методы и результаты исследований опубликованы в работах [16, 18, 20, 23-25, 27-31, 45, 65, 79], на стерилизационную установку с экономайзером получен патент, разработано 5 программных продуктов.

Новизна полученных результатов подтверждается анализом научно-технической и патентной литературы, полученными патентом и свидетельствами на регистрацию программного обеспечения, а также апробацией работы на международных конференциях и научно-технических конференциях МГТУ.

Заключение

1. Аппарат для ротационной стерилизации консервов : патент 2342052 Рос. Федерация : МПК7 А 23 L 3/04 (2006.01) / Ахмедов М. Э., Исмаилов Т. А. ; патентообладатель ГОС ВПО Дагестан, гос. техн. ун-т. № 2007120948/13 ; заявл. 04.06.2007; опубл. 27.12.2008.

2. Бабарин, В. П. Стерилизация консервов : справочник / В. П. Бабарин. СПб. : ГИОРД, 2006.-312 с.

3. Бахвалов, Н. С. Численные методы : учеб. пособие для физ.-мат. спец. вузов / Н. С. Бахвалов, Н. П. Жидков, Г. М. Кобельков ; под общ. ред. Н. И. Тихонова. 2-е изд. -М.: Физматлит, 2002. - 632 с.

4. Бесекерский, В. А. Теория систем автоматического управления / В. А. Бесекерский, Е. П. Попов. 4-е изд. - СПб.: Профессия, 2003. - 752 с.

5. Бутковский, А. Г. Методы управления системами с распределенными параметрами / А. Г. Бутковский. М.: Наука, 1975. - 568 с.

6. Бутковский, А. Г. Теория оптимального управления системами / А. Г. Бутковский. -М. .-Наука, 1965.-474с.

7. Варламов, И. Г. Проблемы создания и эксплуатации эффективных систем управления / И. Г. Варламов, И. Е. Залуцкий, JI. П. Серёжин // Промышленные АСУ и контроллеры. 2004. - №7. - С. 1-7.

8. Винарский, М. С. Планирование эксперимента в технологических исследованиях / М. С. Винарский, М. В. Лурье. К.: Техшка, 1975. - 168 с.

9. Власов, А. В. Исследование динамики теплообмена в стерилизационной камере автоклава / А. В. Власов, А. В. Кайченов, А. А. Маслов // Рыб. хоз-во. 2009. - №6.- С. 77-79.

10. Власов, А. В. Оптимизация процесса стерилизации паром в автоклавах периодического действия / А. В. Власов, А. В. Кайченов ; Мурм. гос. техн. ун-т. -Мурманск, 2008. 6с., ил. - Библиогр.: 3 назв. - Деп. в ВИНИТИ 10.11.2008, № 867-В2008.

11. Власов, А. В. Особенности разработки автоматической системы управления процессом стерилизации для стерилизационной установки АВК-30 / А. В. Власов,

12. Власов, А. В. Особенности управления стерилизационной установкой АВК-30 / А.

13. Вознесенский, В. А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях / В. А. Вознесенский. — М. : Статистика, 1974. -192 с.

14. Глазунов, Ю. Т. Моделирование процессов пищевых производств / Ю. Т. Глазунов, А. М. Ершов, М. А. Ершов. М.: Колос, 2008. - 360 с.

15. Горизонтальный двухкорзиночный автоклав Электронный ресурс. // Концерн Моринформсистема-Агат. Режим доступа: http:// www.concern-agat.ru / products / civil-products / 83-concern-agat / 77-avtoklav. - Загл. с экрана.

16. ГОСТ Р 51841-2001 (МЭК 61131-2-92). Программируемые контроллеры. Общие технические требования и методы испытаний. Введ. 2001-12-24. - М. : Изд-во стандартов, 2002. - 77 с.

17. Давидович, В. Е. В зеркале философии. Мировое хозяйство и его контуры / В. Е. Давидович. Ростов-на-Дону : Феникс, 1997.-448 с.

18. Дикие, М. Я. Технологическое оборудование консервных заводов / М. Я. Дикие, А. Н. Мальский. 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Пищ. пром-сть, 1969. - 777 с.

19. Дьяконов, В. П. Применение персональных ЭВМ и программирование на языке Бейсик / В. П. Дьяконов. М.: Радио и связь, 1989. - 288 с.

20. Зайцев, М. В. Совершенствование процесса тепловой обработки консервированной продукции / М. В. Зайцев // Техника и технология пищ. производств : тез. докл. VI междунар. науч. конф. студ. и аспирантов : в 2 т. / МГУП. Могилев, 2008. - Т. 1. -С. 63-64.

21. Зедгинидзе, И. Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем / И. Г. Зедгинидзе. — М.: Наука, 1976. 390 с.

22. Ивоботенко, Б. А. Планирование эксперимента в электромеханике / Б. А. Ивоботенко, Н. Ф. Ильинский, И. П. Копылов. -М.: Энергия, 1975. 184 с.

23. Инструкция по разработке режимов стерилизации консервов из рыбы и морепродуктов : утв. Ком. Рос. Федерации по рыболовству : введ. 1997-01-01. -СПб.: Гипрорыбфлот, 1996. 42 с.

24. Качество будущего : современные технологии стерилизации // Продукты длительного хранения : консервированные, упакованные в вакууме, быстрозамороженные, сушеные. 2008. - №2. - С. 8.

25. Комплекс АСК Электронный ресурс. // ООО «Рыбопромысловые автоматизированные системы». — Режим доступа: http://www.fasltd.ru / New2.htm. -Загл. с экрана.

26. Кринецкий, И. И. Основы научных исследований : учеб. пособие для вузов / И. И. Кринецкий. Киев : Вища школа, 1981. - 208 с.

27. Крылова, Т. Н. Современные автоклавы французской фирмы «Стерифлоу» / Т. Н. Крылова, Н. Н. Микулик // Рыбпром : технологии и оборудование для переработки водных биоресурсов. — 2007. — №4. С. 36-37.

28. Льюнг, Л. Идентификация систем. Теория для пользователя / Л. Лыонг : пер. с англ. А. С. Манделя, А. В. Назина : под ред. Я. 3. Цыпкина. М. : Наука, 1991. - 432 с.

29. Машины и аппараты пищевых производств : учеб. для вузов. В 2 кн. Кн. 2 / С. Т. Антипов и др. ; под ред. В. А. Панфилова. М.: Высш. шк., 2001. - 680 с.

30. Методика изучения температурного поля греющей среды аппаратов периодического действия для стерилизации консервов : утв. 1983-01-17. М. : Мин. рыб. хоз. СССР, 1983.- 14 с.

31. Михайлова, О. В. Системы управления объектами с изменяемой структурой : (на примере углеобогатительных и металлургических производств) : автореф. дис. . канд. техн. наук : 05.13.06 / Михайлова Ольга Владимировна. Новокузнецк, 2003. -20 с.

32. Мокрушин, С. А. Автоматизация вертикальных автоклавов Электронный ресурс. / С. А. Мокрушин // Альфа-Пром Киров. Режим доступа: http://www.alfa-prom.ru / art4autvertavtoklavov.html. - Загл. с экрана.

33. Мощелкова, В. Ю. Новое поколение российской стерилизационной техники / В. Ю. Мощелкова, В. Е. Рязанцев // Техника и технология. 2007. - №3. - С. 40-41.

34. Мукатова, М. Д. Технология стерилизованных консервов : учеб. пособие для спец. 2709 «Технология рыбных продуктов». В 2 ч. Ч. 1 / М. Д. Мукатова. Мурманск : МГАРФ, 1992.-216 с.

35. Мукатова, М. Д. Технология стерилизованных консервов : учеб. пособие для спец. 2709 «Технология рыбных продуктов». В 2 ч. Ч. 2 / М. Д. Мукатова. Мурманск : МГАРФ, 1992.- 163 с.

36. Нащокин, В. В. Техническая термодинамика и теплопередача / В. В. Нащокин : под ред. B.C. Силецкого. — 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1975. - 496 с.

37. ОВЕН. Оборудование для автоматизации: каталог Электронный ресурс. // Контрольно-измерительные приборы производства ОВЕН. Режим доступа: http://www.owen.ru / text / 36768225. - Загл. с экрана.

38. Паровой стерилизатор ВК-30 : паспорт / Тюмен. завод мед. оборудования и инструментов. Тюмень : б. и., 1983. - 40 с.

39. Петров, И. В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и инструменты / И. В. Петров : под ред. проф. В. П. Дьяконова. М.: COJIOH-Пресс, 2003. - 256 с.

40. Постановление об установлении тарифов на электрическую энергию : №45/6 от 23.12.2009. // Управление по тарифному регулированию Мурманской области. -Режим доступа: http://utrmo.ru / Postelectro2009.html. Загл. с экрана.

41. Прохоренков, А. М. Судовая автоматика / А. М. Прохоренков, В. С. Солодов, Ю. Г. Татьянченко. М.: Колос, 1992. - 448 с.

42. Разаренов, Ф. Применение ОВЕН ТРМ151 при автоматизации пищевых автоклавов / Ф. Разаренов // Автоматизация и производство. 2005. — № 2 (26). - С. 10-12.

43. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Введ. 2002-01-01. - М. : Минздрав России, 2002. - 62 с.

44. Сборник технологических инструкций по производству рыбных консервов и пресервов / под ред. В. С. Слепневой. М.: Пищ. пром-сть, 1977. - 426 с.

45. Система автоматизации процесса стерилизации консервов СА ПСК : техническое описание и инструкция по эксплуатации. СПб.: Гипрорыбфлот, 1997. - 36 с.

46. Система автоматизированного управления процессом стерилизации консервов САУСТ-К : паспорт / ООО РАС. Калининград : б. и., 2001. - 34 с.

47. Солодов, В. С. Идентификация судовых комплексов с использованием методов планирования активного эксперимента / В. С. Солодов. Мурманск : МГТУ, 2007. -204 с.

48. Состояние мирового рыболовства и аквакультуры / Департамент рыболовства и аквакультуры ФАО. Рим : Продовольст. и с.-х. ООН, 2009. - 198 с.

49. Спиридонов, А. А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов / А. А. Спиридонов. М.: Машиностроение, 1981. - 184 с.

50. Способ стерилизации пищевых продуктов : заявка 2005125168 Рос. Федерация : МПК7 А 23 L 3/00 (2006.01) / Благодаров Ю. П. ; заявитель Благодаров Ю. П. -№2005125168/13 ; заявл. 08.08.2005 ; опубл. 20.02.2007.

51. Технология рыбы и рыбных продуктов / Б. Б. Баранов, И. Э. Бражная, В. А. Гроховский и др.; под ред. А. М. Ершова. СПб.: ГИОРД, 2006. - 940 с.

52. Флауменбаум, Б. Л. Основы консервирования пищевых продуктов / Б. Л. Флауменбаум. М.: Лег. и пищ. пром-сть., 1982. - 272 с.

53. Эйкхофф, П. Основы идентификации систем управления / П. Эйкхофф : пер. с англ. В. А. Лотоцкого, А. С. Манделя ; под ред. А. С. Райбмана. М. : Мир, 1975. - 680 с.

54. Astroem, К. J. Adaptive control. Second edition / К. J. Astroem, В. Wittenmark. N. Y.: Dover Publications Inc, 2008. - 574 c.

55. ElAmin, A. Shake sterilisation technology licenced in US Электронный ресурс. / A. ElAmin // FOODproductiondaily.com. 03.05.2007. - Режим доступа: http://www.foodproductiondaily.com / Processing / Shake-sterilization-technology-licenced-in-US.

56. Graupe, D. Identification of systems / D. Graupe. N. Y. : Robert E. Krieger publishing company, 1976. — 304 c.

57. Improvements in or relating to autoclaves : пат. 1294447 : МПК7 В 01 J 3/00, A 23 L 3/00/Gutowsky C. L., SmithR. A. -№53132/69 ; зявл. 30.10.1969 ; опубл. 25.10.1972.

58. MISt. Ident (МИСт.Идентификация) : свид-во об офиц. per. прогр. для ЭВМ 2010613250 Рос. Федерация / Власов А. В. ; правообладатель ФГОУ ВПО Мурман. гос. техн. ун-т. -№2010611564 ; поступ. 26.03.2010 ; зарег. 17.05.2010.

59. MISt.Optim. (МИСт.Оптимизация) : свид-во об офиц. per. прогр. для ЭВМ -2010613548 Рос. Федерация / Власов А. В. ; правообладатель ФГОУ ВПО Мурман. гос. техн. ун-т. -№2010611772 ; поступ. 01.04.2010 ; зарег. 28.05.2010.

60. Shaka process : Fastest batch sterilisation process Электронный ресурс. // Zinetec. -Режим доступа: http://www.shakaprocess.com / ?pageid=163.

61. Static STERIFLOW Электронный ресурс. // Steriflow. Режим доступа: http://www.steriflow.com / en / 29-static-steriflow.