Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Пищевая промышленность является одной из крупнейших отраслей народного хозяйства, входящих в агропромышленный комплекс страны. Развитие консервной промышленности в России, например, идет за счет строительства новых заводов и модернизации существующих предприятий.

Одним из самых ответственных технологических процессов в консервном производстве, от которого во многом зависит качество и сохранность готовой продукции, является стерилизация [1].

При стерилизации укупоренные банки с продуктом подвергаются действию высокой температуры, в результате чего микроорганизмы, находящиеся в банках, погибают, тем самым обеспечивается сохранность пищевых продуктов. От качества проведения процесса стерилизации, который является наиболее важным, сложным и ответственным этапом технологии консервирования, зависит качество готовой продукции. Для стерилизации консервов чаще всего применяют аппараты периодического действия - автоклавы [2]. Однако, пособий и книг для изучения и освоения процессов стерилизации в последние годы почти не издавалось, особенно по вопросам ведения процесса с помощью приборов автоматического контроля и регулирования.

Высокое качество консервной продукции обеспечивается четкой и слаженной работой всех звеньев процесса переработки. Стерилизация – один из самых ответственных этапов переработки сельскохозяйственных продуктов, для которых применяют аппараты периодического действия - автоклавы [3].

1. Актуальность темы

Известные решения, разработанные в сфере автоматизации автоклавов, отпугивают заказчиков своей ценой, либо сложностью реализации самой системы автоматического управления. Поскольку литературы, описывающей технологический процесс стерилизации в автоклавах периодического действия, очень мало. Ее актуальность подвергается множеству вопросов, так как издана она была в конце 90х годов, а как известно, прогресс давно шагнул вперед.

Необходимость соблюдения режима стерилизации делает тему актуальной и практически полезной.

Введение автоматического регулирования и контроля параметров процесса стерилизации позволит резко снизить объем бракованной продукции, сократить время воздействия повышенной температуры на продукт, снизить расход электроэнергии, а также уменьшить численность обслуживающего персонала и влияние человеческого фактора на параметры процесса.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью работы является исследование и разработка системы автоматического управления автоклавом периодического действия.

Основные задачи исследования:

  1. Анализ процесса стерилизации в автоклаве периодического действия. Проектирование системы автоматического управления тремя автоклавами периодического действия.
  2. Разработка функциональной схемы системы автоматического управления. Разработка принципиальной схемы системы управления.
  3. Разработка модели системы автоматического управления автоклавом.
  4. Разработка алгоритма работы системы автоматического управления из трех автоклавов.

Объект исследования: автоклав периодического действия.

Предмет исследования: контроль и стабилизация параметров процесса стерилизации в автоклаве периодического действия.

В рамках магистерской работы планируется получение актуальных научных результатов по следующим направлениям:

  1. Разработка подхода синтеза автоклава периодического действия, ориентированного на уменьшение аппаратурных затрат, повышение качества готовой продукции.
  2. Модификация известных методов идентификации параметров стерилизации.

Для экспериментальной оценки полученных теоретических результатов и формирования фундамента последующих исследований, в качестве практических результатов планируется разработка системы автоматического управления, построенная по современным тенденциям развития автоматизации.

3. Обзор исследований и разработок

На рубеже XVIII- XIX веков правительство Франции было осведомлено о том, что матросы и солдаты на фронтах испытывают голод. Помимо неурожаев и опустошений, вызванных войной, особенно тяжело сказывалась невозможность запасать пищу впрок. Поэтому, правительство обратилось ко всем гражданам Франции с предложением найти способ сохранения пищи на длительный срок. В Париже появились объявления, обещавшие 12 тыс. франков решившему эту задачу. Премия досталась бывшему пирожнику Николя Апперу, потратившему около десяти лет на эксперименты. Так появилась консервация [4]

3.1 Обзор международных источников

Хотя консервирование пищи было открыто во Франции, наибольшее развитие оно приобрело в США. Американцы изобрели много машин, ускоряющих и упрощающих работу. Рыборазделочные автоматы выполняют, например, все операции, которые раньше делал человек: они отрубают рыбам головы и хвосты, чистят, моют, выдувают сильной струей воздуха внутренности, укладывают рыбу в жестянки, стерилизуют ее и герметически заделывают банки.

Следующей ступенью консервной техники была молниеносная горячая стерилизация и быстрое замораживание. Молниеносная стерилизация основана на том, что быстрое и сильное нагревание, убивая все бактерии, почти не влияет на вкус и питательность продуктов. Осуществление «молниеносного нагрева» требует большой работы. Надо, в частности, изменять теплопроводность продуктов, чтобы тепло с достаточной быстротой достигало самых глубоких слоев консервов [4].

Другими источниками информации о фундаментальных принципах стерилизации могут служить статьи по микробиологии А. Новака, Н. Вронковской, А. Дроздовича [5-6].

При разработке систем автоматического управления, необходимо учитывать принцип построения самого автоклава, который подробно описан в статьях учених Американской стерилизационной компании Р. Бреинбридж, Р. Краш [7].

В 60-х годах прошлого века ученый-разработчик Э. Поитрас запатентовал свой инновационный метод паровой стерилизации [8].

Заказчиками этого и многих других патентов была Американская Стерилизационная компания.

Почти через 25 лет, эта же компания патентует улучшеный метод паровой стерилизации, разработчиками которого стали Д. Янг и Ф. Халекк [9].

Активное участие в процессе изучения стерилизации принимали и российские разработчики В.П. Ангелюк, Д.А. Скотников, Э.Р. Чинарова описали процесс стерилизации баночных консервов [10].

.

В.П. Ангелюк, Е.А. Шибанова разработали систему производства баночных консервов на основе энергоресурсов сбережения [11].

.

3.2 Обзор национальных источников

В Киевском национальном университете пищевых технологий активно изучались аппараты периодического действия и управление ими на основе методов разработки программаторов кандидатом технических наук И.Н. Клименко. Также им и профессором В.Г. Трегубом была разработана математическая модель периодических процессов с противодавлением [12-14].

Я.И. Федишин (Львовский Национальный университет ветеринарной медицины и биотехнологий имени С.Г. Гжицкого), Т.В. Гембара (ЛНУ Львовский политехник) и Т.Я. Федишин разработали алгоритм оптимального управления теплофизическим процессом стерилизации [15-16]. А позже усовершенствовали его, с учетом минимизации удельных теплових затрат с обеспечением пищевой ценности [17]. Создали дискретную математическую модель теплофизического процесса стерилизации [18].

Создали систему автоматического управления тепловой обработкой мяса по параметрам биологической ценности [20].

Существуют разработки систем автоматического управления автоклавами в пищевой промышленности, разработанные ОДЕССПРОДКОМПЛЕКС. Предприятие предлагает модернизированные промышленные автоклавы с автоматическим управлением. В основе него лежит метод душирования или паровой стерилизации в автоклавах вертикального типа [21].

3.3 Обзор локальных источников

В Донецком национальном техническом университете (кафедра автоматики и телекоммуникаций) широко разрабатывались системы автоматического управления теплообменниками Н.Н. Чернышевым, его коллегами и студентами[22].

4. Структурно-параметрическая идентификация модели процесса стерилизации в автоклавах периодического действия

4.1 Обоснование принятого направления решения задачи

Проблема автоматизации процесса стерилизации готовой продукции, несмотря на многочисленные технические решения в этой области и существующие системы управления, продолжает оставаться актуальной. Трудности ее решения связаны с изменением динамических характеристик объекта.

Технологический процесс стерилизации

Рисунок 1 – Технологический процесс стерилизации
(анимация: 7 кадров, 10 циклов повторения, 124 килобайт)

Качественное регулирование процесса может быть достигнуто при реализации самонастраивающейся системы, что возможно при использовании цифрового регулятора, в который введен блок идентификации эталонной модели.

Предложенная модель по каналу изменения температуры, которая может быть использована в качестве внутренней модели регулятора, и алгоритм ее параметрической идентификации.

4.2 Оценка параметров математической модели процесса стерилизации в автоклаве методом РМНК

В разработанную математическую модель процесса входят параметры, которые можно условно разделить на две группы. В первую группу входят теплофизические параметры воздуха, воды пространстве автоклава которые можно определить пользуясь справочной литературой. Во вторую группу входят параметры характеризующие теплообмен на границах различных сред, теоретический расчет которых является приближенным или затруднительным.

В случае конкретного объекта управления эти параметры должны быть определены в результате решения задачи идентификации по измеряемым значениям управляемого и управляющего сигналов объекта в режимах промышленной эксплуатации. Таким параметром является коэффициент теплопередачи между внутренней стенкой и окружающей средой автоклава – kт.

Решим задачу параметрической идентификации коэффициента теплопередачи. Параметрическая идентификация позволяет сразу находить значения коэффициентов модели объекта по измеряемым значениям управляемого и управляющего сигналов объекта. Это преимущество определило широкое использование методов параметрической идентификации в задачах управления и автоматизации. К таким методам относятся: рекуррентный метод наименьших квадратов (РМНК), метод вспомогательных переменных, метод максимального правдоподобия.

Для процесса охлаждения стерилизации в автоклаве известными величинами являются: Gв расход воды в автоклаве; Tв температура воды; св теплоемкость воды; Tокр температуры воздуха окружающей среды. Необходимо определить значение коэффициента теплопередачи kт.

Воспользуемся РМНК для идентификации значения коэффициента теплопередачи математической модели рассматриваемого процесса, для этого представим уравнение в следующем виде:

, (4.1) где

В уравнении (4.1) заменим производную конечной разностью:

, (4.2)

Подставим выражение (4.2) в уравнение (4.1) и приведя подобные, получим ошибку уравнений:

, (4.3) где

Критерий оценки точности математической модели определяется как квадрат ошибки, что в компонентном представлении дает

, (4.4)
где N – количество измерений используемых для настройки. Минимум (4.4) находится из условия

Запишем уравнение для нахождения Km, для этого найдем частную производную:

Формула для расчета коэффициента теплопередачи равна:

На рис. 1.1 приведен график подстройки коэффициента теплопередачи в процессе идентификации.

Рисунок 4.1 – График изменения оценки коэффициента теплопередачи в процессе получения новых измерений

Рисунок 2 – График изменения оценки коэффициента теплопередачи в процессе получения новых измерений

Рисунок 4.2 – График изменения оценки коэффициента теплоотдачи в процессе получения новых измерений

Рисунок 3 – График изменения оценки коэффициента теплоотдачи в процессе получения новых измерений

График теплопередачи асимптотически стремится к 0,058 кДж/(с*м2*0C), т.е. это значение является оценкой коэффициента теплопроводности стенок автоклава.

Выводы

Полученные результаты при использовании РМНК теоретически обладают важными с точки зрения практического применения свойствами, а именно: несмещенности получаемых оценок параметров, минимальной дисперсией ошибки, сходимости к истинному значению параметров при стремлении ошибки к нулю.

Таким образом, в модели стерилизации в водяной среде по каналу подачи горячей воды – температура греющей среды параметры модели можно определить методом наименьших квадратов по наблюдениям объекта O_bt в зависимости от управляющего воздействия Y_t , что позволяет использовать ее для определения наиболее эффективного воздействия на объект при изменении динамических характеристик стерилизуемой продукции, параметров греющего пара и степени загрузки автоклава.

Данная модель предназначена для реализации в микропроцессорной системе управления процессом стерилизации консервной продукции в вертикальных автоклавах периодического действия.

Список источников

  1. Власов А.В. Повышение эффективности стерилизации консервов паром в автоклавах. Автореф. дис. канд. техн. наук. Мурманск, МГТУ, 20 с., 2010.
  2. Верболоз Е.И. Cовершенствование тепломассообменных процессов в аппаратах для стерилизации консервов // Вестник Международной академии холода. 2005. № 1. С. 42-43.
  3. Щагин А.В. и др. Основы автоматизации техпроцессов. – М.: Высшее образование, 2009. – 163 с.
  4. Неизвестный И.П. История создания консервов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://histnote.ru/istoriya-sozdaniya-konservov/.
  5. Nowak A., Wronkowska H. Zentralblatt fur Mikrobiologie Volume 142, Issue 7, 1987, Pages 521-525 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0232439387.
  6. Drozdowicz A. Zentralblatt fur Mikrobiologie Volume 142, Issue 7, 1987, Pages 487-493 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0232439387800574#!.
  7. Bainbridge R., Krahe R. Sterilizing apparatus and integrated sterilizer control [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.google.com/patents/US4261950.
  8. Poitras E. Steam sterilization method US 2868616 A [Электронный ресурс]. – Режим доступа:https://www.google.com/patents/US2868616.
  9. Young J., Halleck F. Load conditioning control method for steam sterilization US 4164538 A [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.google.com/patents/US4164538.
  10. Ангелюк В.П. Способ стерилизации баночных консервов / Ангелюк В.П., Д.А. Скотников, Э.Р. Чинарова // Сборник статей VI Всероссийской научно-практической конференции. В 2 ч. Ч. 2. – Саратов: СГАУ, 2012. – C. 147-149.
  11. Ангелюк В.П. Производство баночных консервов на основе энергоресурс сбережения / В.П. Ангелюк, Е.А. Шибанова // Сборник статей VI Всероссийской научно-практической конференции. В 2 ч. Ч. 2. – Саратов: СГАУ, 2012. – C. 149-151.
  12. Клименко О. М. Автоматизоване управління стерилізаторами періодичної дії з використанням методів розробки програматорів : автореф. дис. канд. техн. наук : 05.13.07 / Клименко Олег Миколайович ; НУХТ. – К., 2015. – 24 с.
  13. Клименко О. М. Дослідження програматорів для систем управління апаратами періодичної дії / О. М. Клименко, В. Г. Трегуб // Наукові праці НУХТ. - 2012. - № 42. - С. 11-15.
  14. Клименко О. М. Математичне моделювання періодичних процесів в автоклавах з протитиском / О. М. Клименко, В. Г. Трегуб // Наукові праці НУХТ. – 2014. – Т. 20, № 6. – С. 14-20.
  15. Федишин Я.Н. Алгоритми оптимального управління теплофізичним процесом стерилізації / Я.Н. Федишин, Т.В.Гембара, Т.Я. Федишин // Науковий вісник ЛНУВМБТ імені С.Г. Гжицького. - 2015. - Т. 15, №1 (55). - С. 191-197.
  16. Федишин Я.Н. Оптимальне управління теплофізичним процесом стерилізації за мінімізацією прямих питомих теплових витрат із забезпеченням харчової цінності / Я.Н. Федишин, Т.В.Гембара, Т.Я. Федишин // Науковий вісник ЛНУВМБТ імені С.Г. Гжицького. - 2015. - Т. 16, №2 (59). - С. 212-217.
  17. Федишин Я.Н. Чисельні методи в оптимальному управлінні теплофизичним процесом стерилізації / Я.Н. Федишин, Т.В.Гембара, Т.Я. Федишин // Науковий вісник ЛНУВМБТ імені С.Г. Гжицького. - 2015. - Т. 17, №1 (61). - С. 127-134.
  18. Федишин Я.Н. Дискретне математичне моделювання теплофизичного процесу стерилізації із застосуванням модифікованих біофізичних характеристик термостійкості та летальності / Я.Н. Федишин, Т.В.Гембара, Т.Я. Федишин // Науковий вісник ЛНУВМБТ імені С.Г. Гжицького. - 2012. - Т. 14, №2 (3). - С. 276-281.
  19. Федишин Т.Я. Використання закону Арреніуса для теплофізичного розрахунку процесу стерилізації / Т.Я. Федишин, О.Г. Бурдо, Т.В.Гембара, Т.М. Демків // Наукові праці Одеської держ. академ. харч. технол. - 2001. – Вип. 22. - С. 152-159.
  20. Гембара Т.В. Управління тепловою обробкою м’яса за параметрами біологічної цінності / Т.В.Гембара , Я.И. Федишин, Т.Я. Федишин // Науковий вісник ЛНУВМБТ імені С.Г. Гжицького. – Львів. - 2003. - Т.5, №1. - С. 149-152.
  21. Соколов К. Автоклав (стерилизатор) с автоматическим управлением[Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.tushe.od.ua/autoclave.
  22. Чернышев Н. Н. Система автоматического управления противоточным теплообменным аппаратом / Н. Н. Чернышев, В. А. Зайцев // ХV Международная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех-2014» [Текст]: материалы конференции (26-28 марта 2014 г.). В 5 ч. Ч. 1. – Ухта: УГТУ, 2014. – C. 36-39.