автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование процесса аппаратурно-технологической стабилизации влажности при производстве сливочного масла способом непрерывного сбивания

На правах рукописи

Алёшичев Сергей Евгеньевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ВЛАЖНОСТИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СЛИВОЧНОГО МАСЛА СПОСОБОМ НЕПРЕРЫВНОГО СБИВАНИЯ

Специальность 05.18.12 — процессы и аппараты пищевых производств

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2009

003463282

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Балюбаш Виктор Александрович

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Николаев Лев Константинович

- кандидат технических наук Пилипенко Николай Иванович

Ведущая организация:

Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт жиров

Защита состоится « »2009 г. в часов на заседании диссертационного Совета Д 212.234.02 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий», по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9. Тел./факс. 315-30-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий».

Автореферат разослан «_

и,

2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Колодязная В.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В технологических процессах производства сливочного масла основным параметром, определяющим качество готового продукта и степень использования исходного сырья при оптимальном уровне производительности оборудования и энергозатрат, является содержание влаги в готовом продукте. Высокая производительность современных линий по производству масла в сочетании с ростом производства сливочного масла в России, вырабатываемого способом непрерывного сбивания сливок (более 80 тыс.т в год) обуславливают необходимость повышения качества стабилизации влажности масла в технологическом потоке.

Существующие способы стабилизации влажности предусматривают внесение стабилизирующих воздействий в операторном или автоматизированном режимах, как правило, по каналам изменения частоты вращения мешалки сбивателя и подачи нормализующего компонента.

Однако применение таких систем, имеющих технологические и аппаратурные ограничения по диапазону управляющих воздействий, характеризуется повышенным временем запаздывания и амплитудой отклонений параметра влажности готового продукта в процессе стабилизации, что приводит к выпуску готового продукта с ненормированным содержанием влаги. Это особенно проявляется в переходном режиме работы маслоизготовителя, связанном с подключением очередного сливкосозревательного резервуара со сливками, отличающимися физико-химическими параметрами, которые могут обусловить отклонение влажности готового продукта до ±4% от номинального значения. Отмеченные условия возникновения переходного режима в работе маслоизготовителя обусловлены, как правило, нестабильностью технологических параметров исходного сырья из-за снижения в настоящее время количества крупных производителей сырья. В этом режиме работы маслоизготовителя существующие системы могут завершить процесс стабилизации влажности готового продукта за период времени до 3-5 минут при значительной амплитуде ее отклонения и при этом могут потребоваться режимы работы каналов стабилизации вне технологически рекомендованных пределов. За это время маслоизготовитель при производительности 1000 кг/час производит до 80 кг масла с ненормированным содержанием влаги, а поскольку он является аппаратом, в котором завершается процесс формирования влажности, отсутствует возможность исправления брака.

Отмеченное выше обусловило необходимость разработки решений, связанных с оперативной и качественной стабилизацией влажности сливочного масла в процессе его производства, что и определяет актуальность настоящей работы.

Целью настоящей работы является совершенствование процесса аппаратурно-технологической стабилизации влажности в переходных режимах работы маслоизготовителя, обеспечивающей оперативное внесение стабилизирующих воздействий, направленных на сокращение времени стабилизации влажности и снижение величины отклонения влажности. При этом в условиях возникновения повышенных возмущающих воздействий обеспечивается работа каналов внесения стабилизирующих воздействий в технологически

разрешенных пределах.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

- анализ аппаратурно-технологических факторов процесса производства сливочного масла с точки зрения вида, характера потенциальной управляемости и уровня влияния на формирование влажности готового продукта;

- формирование многоканальной системы стабилизации влажности сливочного масла с внесением управляющих воздействий по величине отклонения влажности масла от номинального значения, обеспечивающей повышение качественных показателей процесса стабилизации;

- разработка математической модели процесса формирования влажности готового продукта, ориентированной на предвычисление ожидаемого значения влажности масла и вычисление величины управляющих воздействий с дифференцированным выбором сочетаний каналов управления с учетом технологически разрешенных пределов;

- разработка структуры и алгоритма управления системы стабилизации влажности сливочного масла, обеспечивающих функционирование многоканальной системы управления, включающей стабилизацию влажности по предвычисляемым и текущим её отклонениям в условиях работы каналов стабилизации в аппаратурно и технологически разрешенных пределах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Определены основные аппаратурно-технологические факторы, формирующие влажность сливочного масла с учетом оценки возможности их потенциальной управляемости и уровня влияния на стадиях созревания сливок и маслоизготовления.

Предложен способ стабилизации влажности масла с подключением дополнительного канала управления температурой сливок, поступающих на сбивание, обеспечивающего повышение суммарного уровня стабилизирующего воздействия и снижающего, тем самым, время стабилизации и величину отклонения влажности в переходном режиме.

Предложена процедура предвычисления ожидаемого отклонения влажности масла, обусловленного внешними неуправляемыми возмущающими воздействиями, при подключении очередного сливкосозревательного резервуара.

Разработана математическая модель процесса формирования влажности, обеспечивающая предвычисление ожидаемого отклонения влажности масла с учетом воздействия управляемых и неуправляемых факторов на стадиях созревания сливок и маслоизготовления.

Предложена многоканальная структура и разработан алгоритм управления, обеспечивающие стабилизацию влажности в операторном (автоматизированном) режиме по соответственно текущему или предвычисляемому значению влажности в условиях работы каналов управления в технологически разрешенных пределах.

Практическая ценность (значимость) работы.

1. Для переходного режима предложена процедура предварительного вычисления ожидаемого отклонения влажности, позволяющая сократить время запаздывания и, тем самым, улучшить качественные характеристики процесса стабилизации влажности.

2. Многоканальный способ стабилизации позволяет обеспечить условия для работы каналов управления на режимах близких к средним аппаратурно и технологически разрешенным режимам работы маслоизготовителя, как в эксплуатационном, так и в переходном режиме, для которого разработана процедура предварительного вычисления ожидаемого отклонения влажности.

3. Разработанные многоканальная структура и алгоритм управления дают возможность реализовать поставленные задачи с перспективой совершенствования системы стабилизации в плане увеличения количества каналов управления.

4. Материалы исследований и результаты их практической реализации переданы для использования в научной деятельности Государственного научного учреждения «Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики», а также внедрены в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий по направлениям 260600 «Пищевая инженерия» и 220300 «Автоматизированные технологии и производства».

Основные положения, выносимые па защиту.

1. Результаты исследований аппаратурно-технологических факторов, формирующих параметр влажности на стадиях созревания сливок и маслоизготовления.

2. Обоснование многоканального способа стабилизации влажности сливочного масла на основе анализа аппаратурно-технологических особенностей процесса.

3. Обоснование предварительного вычисления уровня потенциально ожидаемого отклонения влажности масла, обусловленного подключением очередного сливкосозревателыюго резервуара.

4. Математическая модель процесса формирования влажности сливочного масла.

5. Структура и алгоритм управления многоканальной системой аппаратурно-технологической стабилизации влажности сливочного масла в непрерывном потоке.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на научно-технических конференциях в Санкт-Петербургском университете низкотемпературных и пищевых технологий (2005-2008 гг.), на XI Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (СПб, 2005 г.), на 1-й Российской конференции по проблемам управления (СПб, 2006 г.), на III Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (СПб, 2007 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 патента РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и списка литературы. Основное содержание работы изложено на 147 страницах машинописного текста, включая 9 таблиц, 21 рисунок, список литературы из 148 наименований, 8 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Аппаратурно-технологический анализ процесса производства масла способом непрерывного сбивания сливок и формирование параметра влажности

Необходимость повышения качественных показателей стабилизации влажности сливочного масла в условиях как операторного, в режиме АРМа, так и автоматизированного управления с использованием аппаратурно-технологических факторов процесса и обеспечения при этом технологически рекомендуемых режимов работы маслоизготовителя обусловили необходимость исследования уровня их влияния на формирование влажности готового продукта.

Анализ обобщенной параметрической схемы, включающей стадии сливкоподготовки и маслоизготовления, выполнялся с учетом оценки уровня влияния факторов на формирование влажности, и соответственно их контролируемости, потенциальной и оперативной управляемости, а также минимальной вероятности их дестабилизирующего влияния на процесс маслоизготовления при внесении управляющих воздействий.

При выборе уровня влияния факторов на формирование влажности для предварительной оценки были приняты рекомендации технологических инструкций. В них приводится независимое влияние отдельных факторов, приводящее к изменению влажности на 1%, без указания характера их изменения в технологически разрешенных пределах и возможной взаимной корреляции.

По результатам выполненного анализа в соответствии с приведенными требованиями на стадии созревания сливок установлены факторы наиболее значимые по уровню влияния на формирование влажности сливочного масла: содержание жира в сливках Жа и температура созревания сливок

Установлено, что на стадии созревания сливок технологические факторы, влияющие на формирование влажности сливочного масла IV, как правило, неуправляемы и их значения могут отличаться при подключении очередного сливкосозревателыгого резервуара. Вместе с тем имеется возможность оценки степени влияния технологических факторов на влажность готового продукта. На стадии маслоизготовления наиболее значимыми по уровню влияния на формирование влажности Ш готового продукта приняты факторы: температура сливок, поступающих на сбивание гсио частота вращения мешалки сбивателя и подача нормализующего компонента Контролируемость и управляемость этих факторов конструктивно обеспечена в структуре маслоизготовителя, а использование их различных сочетаний может быть применимо при обеспечении синхронизации режимов технологического процесса в маслоизготовителс. Обоснована также необходимость принудительной стабилизации допустимого уровня повышения температуры сливок в процессе сбивания, который не должен превышать А1с5 = 2-3 "С.

Для оценки уровня влияния факторов процесса на 1% изменения влажности принят коэффициент формирования влажности (коэффициент передачи) к„, определяемый по формуле

кп = АУЛАХ, (1)

где АIV - величина отклонения содержания влаги в масле (%), АБ - величина изменения соответствующего фактора (единиц измерения фактора).

Результаты анализа апнаратурно-техпологических факторов приведены в таблице 1.

Таблица

Уровни влияния факторов на 1% изменения содержание влаги в масле __в технологически разрешенных пределах_

Факторы формирования параметра влажности Технологически разрешенный диапазон изменения фактора Возможное отклонение влажности масла, % Коэффициент формирования влажности (коэффициент передачи), К

внешние Содержание жира сливок, поступающих на сбивание, % 38-45 5,6 0,8

Температура созревания сливок, "С 4-7 2,6 0,9

Температура сливок, поступающих на сбивание, °С 8-14 15,0 2,5

внутренние Частота вращения мешалки сбивателя, с"1 17,4-30,0 13,6 1,0

Подача нормализующего компонента, % 0 -2 2,0 1,0

Необходимо отметить, что, распространяя влияние неуправляемых факторов, рассматриваемых как возмущающие воздействия, на весь технологически рекомендованный диапазон, отклонение содержания жира в сливках и температуры созревания сливок от среднего значения, может при их определенном сочетании привести к суммарному отклонению влажности масла в пределах ±4%. Это характерно для переходного режима работы маслоизготовителя, обусловленного возмущающими воздействиями, имеющими сложный для задач стабилизации влажности ступенчатый характер и возникающими при подключении очередного сливкосозревательного резервуара, что значительно усложняет задачу стабилизации влажности готового продукта.

Однако, как показал анализ, управляемые факторы - температура сливок, поступающих на сбивание, частота вращения мешалки сбивателя и подача нормализующего компонента, потенциально могут быть использованы для стабилизации влажности масла, поскольку уровень их суммарного воздействия, более чем в два раза превышающего уровень воздействия неуправляемых факторов, что позволяет гарантированно компенсировать отклонение влажности готового продукта, вызванное возмущающими воздействиями в эксплуатационном и переходном режимах работы маслоизготовителя.

По материалам аппаратурно-технологического анализа для переходного и эксплуатационного режимов работы маслоизготовителя обоснован выбор управляемых и неуправляемых факторов процесса, установлен уровень их влияния на формирование влажности готового продукта, а также вид и характер потенциально возможных возмущающих воздействий на стадиях созревания сливок и маслоизготовления.

С учетом многофакторности процесса формирования влажности сливочного масла, наличия внешних возмущающих воздействий ступенчатого характера и системного запаздывания аппаратурно-технологической системы сливкосозревательный резервуар - маслоизготовитель был принят комбинированный способ стабилизации влажности. Предложенная структура способа стабилизации включает многоканальную систему с внесением управляющих воздействий по величине текущего значения влажности с предвычислением потенциально ожидаемого отклонения влажности при подключениях очередного сливкосозревательного резервуара. Структура также предусматривает стабилизацию температуры сливок в зоне сбивания на заданном технологическими инструкциями уровне.

Использование многоканальной системы стабилизации, как подтверждает практика применения подобных систем для многофакторных процессов, повышает качество стабилизации, снижая величину отклонения влажности и время стабилизации в переходном процессе стабилизации, а также сокращая время запаздывания. Это обеспечивается повышением общей величины управляющего воздействия за счет суммарного увеличения коэффициента передачи используемых каналов управления и предвычисления потенциально ожидаемых отклонений влажности. Усиление управляющего воздействия особенно важно в условиях периода стабилизации влажности, связанного с моментом подачи сливок из очередного сливкосозревательного резервуара в маслоизготовитель, когда возникает мгновенное скачкообразное возмущение, представляющее наиболее трудный вид возмущений для системы стабилизации. При этом необходимо отметить, что формирование уровня стабилизирующих воздействий по каналам управления определяется только по величине отклонения текущего содержания влаги в сливочном масле.

Принятая система, обеспечивает при этом режим работы каналов управления в технологически рекомендованных пределах, создает условия технологической синхронизации всего процесса маслоизготовления, включая, например, потенциальную возможность сокращения ухода жира с пахтой и обеспечения необходимой диспергированности распределения влаги в масле.

Выбор системы стабилизации влажности, ориентированной на многоканальную структуру, обусловил необходимость разработки математической модели процесса формирования влажности, применение которой должно обеспечить возможность предварительного вычисления, соответственно, ожидаемого и текущего отклонения влажности масла как в переходном режиме, связанном с подключением очередного сливкосозревательного резервуара, так и в эксплуатационном режиме.

2. Разработка математической модели процесса формирования параметра влажности

Предложенный по материалам анализа способ стабилизации влажности сливочного масла, реализующий многофункциональную задачу управления, необходимо выполнить на основе микропроцессорного управляющего комплекса. Это обусловило необходимость разработки математической модели процесса формирования влажности готового продукта, обобщающей принятые аппаратурно-технологические факторы и создающей основу для разработки алгоритма и прикладного программного обеспечения системы стабилизации.

Имеющиеся материалы научных исследований, связанные с математическим представлением зависимости влажности сливочного масла от технологических и аппаратурных факторов процесса, не в полной мере отвечают многоканальному принципу стабилизации влажности, предложенному в работе. Это, в частности, обусловлено принятым сочетанием факторов формирования влажности, диапазоном их влияния и необходимостью предвычисления потенциально ожидаемых отклонений, а также обеспечением работы каналов управления в технологически рекомендованных режимах.

На основании результатов аппаратурно-технологического анализа факторов, формирующих параметр влажности масла, их классификации и аппаратурной обеспеченности для математического моделирования приняты внешние факторы -содержание жира в сливках, температура созревания сливок и температура сливок, поступающих на сбивание, а также внутренние факторы- частота вращения мешалки сбивателя и подача нормализующего компонента.

При математическом описании применены методы регрессионного анализа, зависимость, в первоначальном варианте, условно принята в виде линейной модели W = а0 + а,Жсл + a2tcc + b,tcnc + b2Scg + bjF,« (2)

где W - расчетное значение содержания влаги в сливочном масле, %; во, а1, а2, bj, ¿2, Ьз - коэффициенты регрессии; Жа - содержание жира в сливках, %; tcc - температура физического созревания сливок, °С; tcnc - температура сливок, поступающих на сбивание, °С; ScB - частота вращения мешалки сбивателя, с'1; FHX-подача нормализующего компонента, %. В результате обработки экспериментальных данных, полученных при проведении пассивного эксперимента на маслоизготовителях непрерывного действия, получены уравнения регрессии для расчета содержания влаги в масле. Для масла с содержанием влаги 16%

Wu = -48,872 + 0,52+ 0,8634, + 2,165/сте + 0,8085св + 0,664FHK, (3) для масла с содержанием влаги 20%

W20 = -46,124 + 0,522Ж„ + 0,911 tcc + 1,867tcnc + 0,7485с6 + 0,756FHK, (4) для масла с содержанием влаги 25%

W2S = -43,357 + 0,528Жед + 0,944*сс + 1,784/с„с + 0,6805св + 0,882FBK. (5) Для нахождения коэффициентов регрессии уравнений применен метод наименьших квадратов.

Вопрос применимости полученных моделей решен на основании проверки их адекватности. Проверка адекватности, проведенная по критерию Фишера, подтвердила статистическую значимость моделей для значения доверительной

вероятности /? = 95% при изменении параметров в пределах границ эксперимента: 37,5 < Жсд < 45,0 (%); 4,0 < /« < 6,9 (°С); 8,2 < < 13,8 (°С); 17,5 < Бсб < 29,9 (с1); 0 < Рик < 2,0 (%); Г,6 = 3,9 > РКР (42, 37) = 1,6; Р20 = 10,2 > ^ (64, 59) == 1,4;

5 = 2,7 > (26, 21) = 2,0. Рассчитанные значения /•" превышают критические значения для соответствующих степеней свободы, следовательно, модели (3), (4) и (5) адекватны.

Учитывая, что полученная при обработке результатов экспериментальных исследований зависимость относительной частоты попадания значения влажности масла

15,82

в интервал (р) описывается нормальным законом р~ 0,23-е 2 0'41 (рис. 1), где IV-содержание влат в масле (%), обосновано применение методов регрессионного анализа.

Содержание влаги в масле, W, %

Рис. 1. Плотность распределения содержания влаги в масле (для масла с содержанием влаги 16%)

Расчет значений стабилизирующих воздействий tcnc, Sce и Fm дает множество решений, находящихся внутри многофакторной области, описанной границами эксперимента. При выборе решения, обеспечивающего заданную влажность готового продукта применен критерий минимизации отклонения содержания влаги в масле от номинального значения

L= \tV - fVH\ —> min, (6)

где W„ - номинальное значение содержания влаги в масле, %. Процедура достижения минимального значения предусматривает последовательный перебор значений управляющих факторов с использованием прикладного пакета программ стандартного приложения Microsoft Excel «Solver Parameters».

Для использования возможностей полученных математических моделей с применением указанного критерия в рамках многоканальной системы стабилизации необходима разработка структуры процесса стабилизации влажности, алгоритма управления и программного обеспечения.

3. Формирование структуры н алгоритма управлении системы стабилизации влажности сливочного масла

Результаты исследований аппаратурно-технологических факторов процесса производства сливочного масла подтвердили возможность использования многоканального внесения управляющих воздействий, обеспечивающих стабилизацию влажности масла на заданном уровне и приемлемую по производительности синхронизацию оборудования технологической линии. При этом управление процессом стабилизации влажности должно обеспечивать выполнение основной задачи - оперативной и качественной стабилизации влажности готового продукта.

Реализовать функциональные операции, связанные с выполнением основной задачи позволяет разработанная структурная схема (рис. 2). Она обеспечивает контроль, сбор и обработку аппаратурных и технологических параметров процесса, предвычисление потенциально ожидаемых отклонений влажности и формирование управляющих воздействий на основе предвычисленных и текущих отклонений влажности готового продукта на выходе маслоизготовителя. Кроме операций, реализующих многоканальный принцип стабилизации, схема предусматривает стабилизацию температуры сливок в технологической зоне сбивания.

Управляющий комплекс

Рис. 2. Структурная схема процесса стабилизации влажности в технологическом процессе производства сливочного масла способом сбивания

Структурная схема стабилизации, основу которой составляет управляющий комплекс (УК), обеспечивает выполнение операций, связанных со стабилизацией влажности, следующим образом. В эксплуатационном режиме работы маслоизготовителя при отклонении влажности масла от заданного значения УК по сигналу первичного преобразователя влажности (fV) формирует управляющие воздействия одновременно по каналам температуры сливок, поступающих на сбивание Агпо изменения частоты вращения мешалки сбивателя Scq и подачи нормализующего компонента F„K, При этом стабилизирующее воздействие по каналу Fw. практически без запаздывания восстанавливает влажность масла на выходе и по истечении времени запаздывания эквивалентные воздействия по каналам Sc6 и tcnc «вытесняют» управляющее воздействие по каналу FHK до рекомендуемого технологическими инструкциями уровня.

В переходном режиме работы маслоизготовителя по результатам предварительного анализа технологических параметров содержания жира Жсл и температуры созревания сливок tcc в очередном для подключения резервуаре УК предвычисляет ожидаемое отклонение влажности масла и формирует необходимые управляющие воздействия по каналам управления tcm и Sc6 с опережением на время запаздывания. Предвычисляемые очередные управляющие воздействия вносятся с опережением на время запаздывания управляющего воздействия соответствующего канала управления: по температуре сливок, поступающих на сбивание - 150-200 с, и по частоте вращения мешалки сбивателя - 100-150 с. При этом суммарный уровень предвычисляемых управляющих воздействий должен обеспечить компенсацию отклонения влажности масла, вызванного возмущающим воздействием.

Применение предлагаемой системы стабилизации влажности позволит сократить время выпуска масла с ненормированным содержанием (нарушением диспергирования) влаги по сравнению с существующей системой стабилизации на 100-150 с (рис. 3) за счет предвычисления ожидаемых отклонений влажности и внесения управляющих воздействий с опережением на время запаздывания.

Предлагаемая система стабилизации влажности предусматривает выполнение требований технологических инструкций, предъявляемых к параметрам сливок и режимам работы оборудования, а также реализует способ стабилизации уровня допускаемого прироста температуры сливок в процессе сбивания Atcg путем изменения подачи воды в рубашку сбивателя по разности температуры сливок поступающих на сбивание и температуры масляного зерна на выходе сбивателя.

Предложенная система стабилизации сливочного масла по влажности в технологическом процессе обеспечивает сокращение времени стабилизации влажности готового продукта и снижение амплитуды ее отклонения с соблюдением технологических ограничений многофакторного процесса при применении штатных каналов внесения управляющих воздействий.

Приведенный перечень процедур управления, связанных с обеспечением стабилизации влажности в эксплуатационном и переходном режимах работы маслоизготовителя обусловил необходимость разработки для УК алгоритма управления и соответственно программного обеспечения. Программное обеспечение (ПО) разработано для создания информационно-советующей системы, реализующей операции контроля в процессе производства масла аппаратурных и технологических факторов и управления

w

Содержание влаги в масле IV"

Время запаздывания аппарагурно-технологической системы сливкосозрсна тельный резервуар - масло изготовитель 200 - 250 с

100

200

Возмущающее воздействие (повышение влажности масла) 1

----------- 1

Каналы внесения управляющих воздействий

Температура сливок, поступающих на сбивание СГ" , | Текущее управляющее ' ■А воздействие £ Время запаздывания управля- ; ющего воздействия 150 - 200 с j Очередное управляющее ^ * : * ..<,..- „^ во'злействие ^___^___ __ г г- *

1

Частота вращения мешалки сбивателя sr-

Текущее управляющее -'Л воздействие К . Время запаздывания управляющего воздействия 100 - 150 с 1 «- - - -»ч . 2 Очередное управляющее \ А воздействие

Подача нормали зующего компонента кг- i

■ "■ ................. k........|

Рис. 3. Циклограмма процесса стабилизации влажности масла по предлагаемому способу

процессом стабилизации влажности в соответствии с алгоритмом управления (рис. 4). В основу алгоритма положена разработанная математическая модель процесса формирования параметра влажности. Для поиска оптимальных сочетаний значений управляемых факторов применен метод последовательного перебора. Интерфейс разработанного ПО обеспечивает взаимодействие между оператором и информационно-совегующей системой в диалоговом режиме, а также в режиме АРМа.

Управляющий комплекс обеспечивает выполнение операций, предусмотренных описанным выше способом, а также формирование очередности подключения подачи сливок в МИД из сливкосозревательных резервуаров, со сливками, подготовленными для сбивания и контроль завершения работы текущего и подключение к МИД очередного сливкосозревательных резервуаров.

Разработана таблица информационного обеспечения с указанием способа и периодичности получения необходимой информации, месте и форме ее представления. Использованы следующие информационные каналы: содержание жира в сливках Ж,,;, температура созревания сливок !сс\ температура сливок, поступающих на сбивание ¡сж; частота вращения мешалки сбивателя температура сбивания сливок ?с6; подача нормализующего компонента Рнк и содержание влажности масла IV. Управление процессом стабилизации влажности с использованием АРМ осуществляется следующим образом.

На стадии подготовки сливок к сбиванию в каждом сливкосозревательном резервуаре, подготовленном для сбивания определяют значения параметров

1 [~|— £ Ввод начальных данных

[Ввод текущих значений параметров процесса (ТЗПП) Проверка ТЗПП на соответствие допустимым пределам

4 |—[присвоение параметрам ¿сяс, Бсд и р 11К начальных значений —[Расчет ожидаемого отклонения влажности Ш по (1), (2) или (3)

5 —[Проверка|Ж- IV „ | на соответствие допустимому значению да

----[Расчет значения целевой функций Ь

— [Проверка приближения целевой функции Ь к экстремуму —[Запоминание сочетания значений параметров Б и Р„к

- [ Приращение £ с„с --[ Проверка 1спс >1спстпх

—[ Приращение 5 сб -[ПроверкаБсб >5сбтах —[ Приращение Р „к

[Проверка/7> Рнктах [Проверка /св > tc„c + Л/сб | 17 - команда на увеличение подачи воды в рубащку сбивателя

| 18 [К:=0 - команда на уменьшение подачи воды в рубашку сбивателя

| | 19 ~~П—[Передача в модуль вывода результатов расчета 1спс, Р „к иК ДЯ 20^>—[Проверка готовности очередного сливкосозревательного резервуара

( конец )

Рис. 4. Блок-схема концептуального алгоритма управления процессом стабилизации влажности сливочного масла

сливок Жа и Эти характеристики составляют информационный канал 1 и являются начальными данными для расчета. Информацию о 1СЮ 5гй Рт и Ж получают на стадии маслоизготовления непосредственно в процессе работы МИД. Данные в УК вводит оператор в диалоговом режиме (автоматизированном). По окончании расчета новые значения управляющих факторов поступают оператору, который, в зависимости от производственной ситуации, может внести необходимые изменения в работу системы

стабилизации влажности. Вся информация, полученная в ходе переработки каждой партии сливок, хранится в банке данных УК. Разработанные алгоритм и программное обеспечение позволяют осуществлять стабилизацию параметра влажности при выработке масла с применением различных рецептур.

ВЫВОДЫ

Основные результаты, полученные в диссертации, формулируются следующим образом:

1. Установлены основные, с точки зрения потенциальной управляемости, факторы процесса и определены уровни их влияния на формирование параметра влажности. При этом выявлено, что влияние неуправляемых факторов, связанное с изменением физико-химических параметров сливок при подключении очередного сливкосозревательного резервуара, может привести к отклонению влажности готовой продукции до ±4%.

2. Для снижения амплитуды отклонения влажности масла в переходном процессе ее стабилизации, обоснована необходимость дополнительного внесения управляющего воздействия по каналу температуры сливок, поступающих на сбивание, повышающего, тем самым, суммарный коэффициент передачи управляющих воздействий более чем в два раза в условиях применения многоканальной системы стабилизации атажности готового продукта. Новизна и технический результат предложенного способа подтверждены патентом РФ на изобретение.

3. Для повышения оперативности процесса стабилизации влажности предусмотрено, с упреждением на время запаздывания, внесение управляющего воздействия, эквивалентного величине ожидаемого отклонения влажности, обусловленного подключением очередного сливкосозревательного резервуара, подготовленного для подачи сливок в маслоизготовитель. Патентом РФ на изобретение подтверждена новизна и технический результат предложенного способа стабилизации масла по влажности.

4. Предложена математическая модель процесса формирования влажности, позволяющая рассчитать ожидаемые отклонения влажности готового продукта от номинального значения, которые обусловлены влиянием основных управляемых и неуправляемых аппаратурно-технологических факторов формирования влажности, с целью формирования величины и знака стабилизирующих воздействий.

5. На основе предложенной и разработанной структуры стабилизации влажности сформирован алгоритм управления и прикладная программа, обеспечивающие реализацию многоканальной системы стабилизации влажности готового продукта с внесением управляющих воздействий с учетом текущих и ожидаемых отклонений влажности. При этом обеспечивается дифференцированный выбор сочетаний каналов управления с учетом технологически рекомендованных пределов.

6. Предложенная система стабилизации с использованием структуры многоканальное™ и процедуры предвычисления ожидаемых отклонений влажности обеспечивает возможность стабилизации в операторном или автоматизированном режиме и позволит увеличить до 2,0% выход готового продукта с нормированным содержанием влаги и снизить потери молочного жира до 15% за счет обеспечения работы каналов управления в технологически рекомендуемых режимах.

и р

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Алёшичев С.Е. Аппаратурно - технологический анализ процесса производства сливочного масла применительно к задачам стабилизации влажности. [Текст] / С.Е. Алёшичев. // Деп. в ВИНИТИ. «Проблемы техники и технологии пищевых производств. СПбГУНиПТ», 07.04.2005, № 465-В2005. - С. 9-16.

2. Алёшичев С.Е. Структура модели процесса производства сливочного масла в маслоизготовителе непрерывного действия [Текст] / В.А. Балюбаш, С.Е. Алёшичев. // Межвузовский сборник научных трудов. Часть II. Развитие теории и практики создания оборудования для переработки пищевой продукции. - СПб., 2005.-С. 49-53.

3. Алёшичев С.Е. Каналы управления в системе стабилизации влажности при производстве творога и сливочного масла [Текст] / В.А. Балюбаш, В.А. Добряков, С.Е. Алёшичев. // Сборник научных трудов. Тенденции развития торгово-технологического оборудования и повышения экономической эффективности предприятий торговли и общественного питания / Санкт-Петербургский торгово-экономический институт. - СПб., 2005. - С. 64-67.

4. Алёшичев С.Е Влажностные характеристики сливочного масла [Текст] / С.Е. Алёшичев, В.А. Балюбаш, В.А. Добряков. // Тез. докл. XI Российской конф. по теплофизическим свойствам веществ. - СПб., 2005. - С. 131.

5. Алёшичев С.Е. Анализ аппаратурно-технологического комплекса производства сливочного масла как объекта управления. [Текст] / В.А. Балюбаш, С.Е. Алёшичев. // Известия СПбГУНиПТ. Межвузовский сборник научных трудов. -СПб., 2005. - С. 75-78.

6. Алёшичев С.Е. Фактор температуры сбивания сливок в структуре стабилизации влажности сливочного масла. [Текст] / С.Е. Алёшичев, В.А. Балюбаш, И.Б. Лаврищев. // Известия СПбГУНиПТ. Межвузовский сборник научных трудов. -СПб., 2006.-С. 118-119.

7. Алёшичев С.Е. Формирование многоканальной системы стабилизации влажности сливочного масла. [Текст] / В.А. Балюбаш, С.Е. Алёшичев. // Сыроделие и маслоделие. - 2007. - № 2. - С. 45^16.

8. Алёшичев С.Е. Стабилизация выходных параметров в многофакторных объектах управления. [Текст] / С.Е. Алёшичев. // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Сб. докл. мол. ученых на ежегодн. научн. конф. СПбГЛТА: Вып. 12. - СПб., 2007. - С. 132-137.

9. Алёшичев С.Е. Аппаратурно - технологическая стабилизация влажности при производстве сливочного масла способом непрерывного сбивания. [Текст] / В.А. Балюбаш, С.Е. Алёшичев. // Материалы III Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке». - СПб, 2007. - С. 581-584.

10. Алёшичев С.Е. Способ стабилизации процесса нормализации сливочного масла по влажности. [Текст] / Алёшичев С.Е., Балюбаш В.А. // Патент на изобретение № 2298918, заявка №2005100932/13; опубл. 20.05.07, Бюл. № 14. -5 е.: ил.

11. Алёшичев С.Е. Способ стабилизации сливочного масла по влажности. [Текст] / Алёшичев С.Е., Балюбаш В.А., Степшичев Ю.Г. //Патент на изобретение № 2302108, заявка №2005118201/13; опубл. 10.07.07, Бюл. № 19. - 7 е.: ил.

Подписано к печати 13.01.09. Формат 60x80 1/16. Бумага писчая.

Печать офсетная. Печ. л. 1.0. Тираж 80 экз. Заказ №2.

СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9 ИИК СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

Введение.

1 Анализ существующих способов стабилизации влажности в маслоизготовителях непрерывного действия.

• >1 )

1.1 Аппаратурно-технологическое оформление производства масла способом непрерывного сбивания сливок.

1.2 Аппаратурно-технологические факторы, влияющие на содержание влаги в готовом продукте.

1.3 Обзор методов и систем экспрессного контроля и стабилизации параметра влажности.

2 Аппаратурно-параметрический анализ процесса производства сливочного масла.

2.1 Разработка параметрической схемы технологического процесса и анализ факторов, влияющих на влажность готового продукта.

2.2 Выбор каналов внесения управляющих воздействий.

2.3 Выбор способа стабилизации.

3 Разработка математической модели процесса формирования влажности сливочного масла.

4 Формирование структуры системы управления стабилизацией влажности сливочного масла.

5 Экономическая эффективность внедрения системы стабилизации влажности сливочного масла.

В технологических процессах производства сливочного масла основным параметром, определяющим качество готового продукта и степень использования исходного сырья при оптимальном уровне производительности оборудования и энергозатрат, является содержание влаги в готовом продукте. Высокая производительность современных линий по производству масла в сочетании с ростом производства сливочного масла в России, вырабатываемого способом непрерывного сбивания сливок (более 80 тыс. т в год) обуславливают необходимость повышения качества стабилизации влажности масла в технологическом потоке.

Для производства сливочного масла в стране используется более половины товарного молока. Из общего объема производства сливочного масла, составившего в 2007 году 246 тыс. т, методом непрерывного сбивания произведено более 30% масла. Наиболее востребовано масло с содержанием жира не менее 82,5% и 78 %.

Качественные показатели сливочного масла и, в частности, обеспечение содержания влаги на нормируемом уровне, определяется стабильностью физико-химических параметров сырья, поддержание которых в настоящее время затруднено из-за снижения числа крупных молочнотоварных производителей молока. Отличие физико-химических параметров сливок в подключаемом на сбивание очередном сливкосозревательном резервуаре по сравнению с параметрами сливок текущего резервуара может обусловить отклонение влажности готового продукта до 4%, что приводит к возникновению переходного режима работы маслоизготовителя.

Отмеченное усложняет процесс стабилизации влажности готового продукта в условиях переходных режимов работы маслоизготовителя, вызванных подключением очередных сливкосозревательных резервуаров. Это обусловило необходимость рассмотрения вопросов, связанных с оценкой уровня влияния факторов на формирование влажности и выбором каналов управления для совершенствования процесса стабилизации влажности масла.

Существующие способы стабилизации влажности сводятся, как правило, к операторному управлению, используя штатные каналы маслоизготовителя - подачу нормализующего компонента и изменение частоты вращения мешалки сбивателя, а в ряде случаев и изменение частоты вращения шнеков маслообработника. Текущую информацию о влажности готового продукта оператор получает по результатам лабораторного анализа или, реже, по показаниям влагометрических систем. Длительность лабораторного анализа составляет до 20 минут, а применение влагометрических систем, как правило, зарубежного производства, имеют ограниченный диапазон измерения влажности.

Однако отмеченные способы стабилизации влажности не обеспечивают, особенно в условиях переменного состава сырья по физико-химическим параметрам, требуемой оперативности управления и, соответственно, заданного уровня влажности в допустимых отклонениях, а также они лишены возможности выбора оптимальных сочетаний каналов управления, позволяющих обеспечить другие качественные показатели готового продукта, например диспергирование влаги.

Практика эксплуатации маслоизготовителей непрерывного действия (МНД) показывает, что в целях перестраховки при операторном управлении занижение содержания влаги в масле по сравнению с нормированным значением может достигать 1,5%. Это приводит к экономическим потерям, связанным со снижением степени использования сырья, повышением энергозатрат и снижением производительности оборудования. При этом следует учитывать, что процесс сбивания является завершающей фазой формирования параметра влажности и возможность его исправления требует дополнительных затрат, как правило, ручного труда.

В настоящее время решения по стабилизации влажности основаны на субъективных действиях оператора путем изменения частоты вращения мешалки сбивателя, а также внесения нормализующего компонента только в режиме повышения влажности и в пределах, ограниченных технологическими инструкциями. Отмеченный способ обеспечивает допустимое качество и оперативность стабилизации влажности готового продукта только в условиях эксплуатационного режима работы маслоизготовителя.

В условиях переходного режима, связанного, с подключением очередного сливкосозревательного резервуара, оператор вынужден из-за значительных отклонений влажности готового продукта при внесении стабилизирующих воздействий выходить за технологически разрешенные пределы подачи нормализующего компонента и частоты вращения мешалки сбивания. Технологически разрешенные пределы изменения частоты вращения мешалки сбивателя ограничены из-за возможного нарушения синхронизации процесса маслоизготовления, обуславливающего, в частности, повышенный уход жира с пахтой. 1

В условиях переходного режима при операторном управлении не обеспечивается оперативность и качество стабилизации влажности готового продукта, зависящие от действий оператора, так как отсутствует возможность предвычисления ожидаемых отклонений влажности готового продукта и ограничено количество каналов управления. При этом следует отметить, что снижение оперативности процесса стабилизации влажности обусловлено не только временем поступления данных, затраченных на лабораторный анализ, но и временем запаздывания аппаратурно-технологической системы сливкосозревательный резервуар — маслоизготовитель.

Учитывая, что существующими способами стабилизации влажности готового продукта не обеспечивается качество и оперативность управления в условиях переходных режимов работы маслоизготовителя, связанных с колебаниями физико-химических параметров сырья, требуется совершенствование процесса аппаратурно-технологической стабилизации влажности сливочного масла в системе сливкосозревательный резервуар -маслоизготовитель непрерывного действия, что обусловливает актуальность работы.

Для решения задач совершенствования системы стабилизации влажности, требуется разработка способов обеспечения оперативности управления на основе возможности предвычисления ожидаемых отклонений влажности готового продукта при подключении очередного сливкосозревательного резервуара и повышения качества стабилизации путем увеличения числа каналов управления.

Для решения задач совершенствования системы стабилизации влажности, связанных с оперативностью и качеством стабилизации, необходимо, на основе исследования аппаратурно-технологических факторов, формирующих влажность готового продукта обеспечить возможность предвычисления ожидаемых отклонений влажности и увеличить количество каналов внесения управляющих воздействий, что обусловит снижение времени запаздывания, увеличение уровня управляющего- воздействия и обеспечит возможность работы каналов управления в пределах и режимах, рекомендованных технологическими инструкциями.

Таким образом, целью настоящей работы является совершенствование процесса аппаратурно-технологической стабилизации влажности при повышенной величине возмущающих воздействий, обеспечивающего оперативное внесение управляющих воздействий, направленных на сокращение времени стабилизации влажности и снижение амплитуды ее отклонения при режимах работы каналов внесения управляющих воздействий в технологически разрешенных пределах.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

- анализ аппаратурно-технологических факторов процесса производства сливочного масла и их классификация с точки зрения вида и характера потенциальной управляемости и уровня влияния на формирование параметра влажности;

- формирование многоканальной системы стабилизации влажности сливочного масла с внесением управляющих воздействий по величине отклонения влажности масла от номинального значения, обеспечивающей, тем самым, возможность повышения качественных показателей процесса стабилизации при имеющих место в процессе маслоизготовления внешних и внутренних возмущающих воздействиях;

- разработка математической модели процесса формирования влажности готового продукта, ориентированной на предвычисление ожидаемого значения влажности масла и вычисление величины управляющих воздействий с дифференцированным выбором сочетаний каналов управления с учетом технологически разрешенных пределов;

- разработка структуры и алгоритма управления процессом стабилизации влажности сливочного масла обеспечивающих формирование многоканальной системы управления, включающей возможность стабилизации влажности по ожидаемым и текущим её отклонениям в условиях работы каналов управления в аппаратурно и технологически разрешенных пределах.

При решении поставленных задач были проведены теоретические и экспериментальные исследования. Задача получения модели формирования параметра влажности готового продукта решалась на основе представления процесса производства масла способом непрерывного сбивания сливок как совокупности действия аппаратурно-технологических факторов на стадиях созревания сливок и маслоизготовления. При исследовании влажностных характеристик сливочного масла применялся метод пассивного эксперимента. При обработке результатов экспериментальных исследований применялись традиционные статистические методы регрессионного анализа.

Научная новизна работы заключается в следующем.

Определены основные аппаратурно-технологические факторы, формирующие влажность сливочного масла с учетом оценки возможности их потенциальной управляемости и уровня влияния на стадиях созревания сливок и маслоизготовления.

Предложен способ стабилизации влажности масла с подключением дополнительного канала управления температурой сливок, поступающих на сбивание, обеспечивающего повышение суммарного уровня стабилизирующего воздействия и снижающего, тем самым, время стабилизации и величину отклонения влажности в переходном режиме.

Предложена процедура предвычисления ожидаемого отклонения влажности масла, обусловленного внешними неуправляемыми возмущающими воздействиями, при подключении очередного сливкосозревательного резервуара.

Разработана математическая модель процесса формирования влажности, обеспечивающая предвычисление ожидаемого отклонения влажности масла с учетом воздействия управляемых и неуправляемых факторов на стадиях созревания сливок и маслоизготовления.

Предложена многоканальная структура и разработан алгоритм управления, обеспечивающие стабилизацию влажности в операторном (автоматизированном) режиме по соответственно текущему или предвычисляемому значению влажности в условиях работы каналов управления в технологически разрешенных пределах.

Практическая значимость работы заключается в разработке аппаратурно-технических решений, обеспечивающих стабилизацию влажности готового продукта в непрерывном потоке при обеспечении установленной производительности оборудования.

Для переходного режима предложена процедура предварительного вычисления ожидаемого отклонения влажности, позволяющая сократить время запаздывания и, тем самым, улучшить качественные характеристики процесса стабилизации влажности.

Многоканальный способ стабилизации позволяет обеспечить условия для работы каналов управления на режимах близких к средним аппаратурно и технологически разрешенным режимам работы маслоизготовителя, как в эксплуатационном, так и в переходном режиме, для которого разработана процедура предварительного вычисления ожидаемого отклонения влажности.

Разработанные многоканальная структура и алгоритм управления дают возможность реализовать поставленные задачи с перспективой совершенствования системы стабилизации в плане увеличения количества каналов управления.

Материалы исследований и результаты их практической реализации переданы для использования в научной деятельности Государственного научного учреждения «Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики», а также внедрены в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий по направлениям 260600 «Пищевая инженерия» и 220300 «Автоматизированные технологии и производства».

По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено два патента РФ на изобретёния.

Основные результаты докладывались на научно-технических конференциях в Санкт-Петербургском университете низкотемпературных и пищевых технологий (2005-2008 гг.), на XI Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (СПб, 2005 г.), на 1-й Российской конференции по проблемам управления (СПб, 2006 г.), на III Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (СПб, 2007 г.).

Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы. Основное содержание работы изложено на 143 страницах машинописного текста, включая 15 таблиц, 23 рисунка, список литературы из 133 наименований, 7 приложений.