Разработка системы управления процессом копчения

Разработка системы управления процессом копчения

Копчение — процесс обработки пищевых продуктов дымовоздушной смесью с целью достижения бактериального и антиокислительного эффектов. При этом их поверхности окрашиваются в золотисто-коричневые цвета, а сами продукты приобретают специфический приятный вкус и аромат копчения.

С давних времен люди используют копчение, как способ консервации продукта в аккорде с приданием ему особенно ароматного запаха и замечательного вкуса. Как впервые были получены копченое мясо или рыба никому не известно, но вместе с тем, это не было случайностью по той простой причине, что процесс этот продолжительный и требует наличия определенных знаний.

Сказать что копчение происходит только обработкой мяса дымом, не в коем случае нельзя, потому что существуют несколько способов копчения, а именно: дымовое, бездымное и смешанное.

Дымовое или обычное копчение осуществляется дымом, образующимся при неполном сгорании древесины.

Основным методом копчения мясной продукции, а так же рыбы в настоящее время является дымовое копчение. При этом методе обработки эффект копчения достигается за счет попадания на поверхность мяса или рыбы под действием многочисленных факторов, например центробежных сил, седиментации, броуновского движения, конденсации паров, абсорбции в поверхностном слое влаги и пр., коптильных компонентов дыма и дальнейшего их проникновения в толщу, сопровождающегося специфическими реакциями взаимодействия с химическими составляющими продукта. Отличительными чертами обычного копчения являются длительность термической обработки и достигаемые при этом ярко выраженные свойства копченого продукта — интенсивная окраска поверхности, приятные дымовые вкус и аромат копчености.

В зависимости от температуры, копчение различают на холодное, горячее и полугорячее. Если рассматривать это на более доступном примере копчения рыбы в домашних условиях, то это будет выглядеть примерно так:

Горячее копчение. Этот способ имеет много преимуществ. Он быстрый, надежный, простой; рыба сразу готова к употреблению. И сооружений сложных не надо. Есть металлическая бочка — прекрасно, нет — можно обойтись старым ведром, только их надо тщательно прокалить. Обязательное условие — хорошо подогнанные крышки. Как использовать эти емкости — ясно из рисунка 1. Вставные сетки, на которые кладется рыба, делаются из отожженной стальной проволоки диаметром 4…6 миллиметров.

Рисунок 1 — Пример технологии горячего копчения Итак, мы собрались коптить рыбу горячим способом. Мелкую рыбу не разделываем, среднюю потрошим, крупную разделываем на пласт или боковник — разделка вдоль позвоночника на два филе. Разделанную рыбу моем и солим сухим способом. Для этого нам понадобится доска или кусок фанеры, соль грубого помола № 1 или № 2. Посыпав солью доску и рыбу, втираем соль в тушку, двигая ею по столу с небольшим нажимом. Внутреннюю поверхность брюшка натираем солью вручную. Если рыба с толстой спинкой, делаем в ней разрез вдоль хребта, втираем и туда соль.

Посол жирной рыбы (мойвы, скумбрии, палтуса, ставриды, зубатки, камбалы, толстолобика, сома, налима) несколько отличается от вышеописанного. Натертая крупной солью каждая рыбина или пласт заворачиваются в пергамент или карандашную кальку, чтобы не окислялись жиры. Затем рыба послойно укладывается в эмалированную посуду, лучше в лотки с крышкой. Сверху все укрывается пергаментом, а края его подгибаются. Желательно уложить рыбу небольшой горкой, а крышкой придавить, зафиксировав веревкой или проволокой.

Засолка размороженной в холодной воде рыбы длится несколько дольше, чем свежей, — от 4…6 часов до суток.

Под действием соли происходит свертывание белков, теряется вкус и запах сырой рыбы, мясо ее уплотняется и становится годным к употреблению без дальнейшей кулинарной обработки.

Следующая операция — провяливание рыбы в течение 40…60 минут. За это время ее соленость достигает требуемых 1,5…2,0 процента и рыба частично обезвоживается, так как стекает тузлук — раствор соли. Рыба обвязывается бечевой и развешивается на вешалках и прикрывается от мух марлевым пологом. Можно уложить в полиэтиленовые мешки и укрыть в прохладном месте, например, в холодильнике или погребе. Во втором случае, перед закладкой рыбы в коптильню, ее тщательно протирают от тузлука, пересоленную промывают пресной водой, а потом протирают.

Рисунок 2 — Варианты обвязки рыбы для горячего копчения

Теперь можно коптить рыбу. На дно ведра или бочки загружается смесь ольховых или других чурочек с добавкой можжевельника, а на решетках из металлической проволоки в средней и верхней части сосуда размещается рыба, более крупная — внизу. Она укладывается неплотно в один слой. Обвязку, выполненную суровым шпагатом (синтетику не применять!) не снимают. Под бочкой разводят костер и по возможности плотно закрывают ее крышкой или металлическим листом. Через 30…60 минут в зависимости от размера рыбы и коптильни дым из-под крышки становится сухим и приобретает характерный аромат. Окончательно готовность определяется по внешнему виду рыбы, золотисто-чайному цвету и сухой поверхности шкурки. При этом коптильню можно открывать лишь на очень короткое время, чтобы не воспламенились чурки из-за доступа воздуха.

Рисунок 3 — Горячее копчение в бочке В бочке можно расположить рыбу не трёх-четырёх сетках.

Температура внутри бочки около 80° при подсушке, которая составляет примерно четверть времени, и около 100° при непосредственном копчении. В результате этого процесса происходит свертывание белков, разрушение малостойких органических соединений, теряется часть азотистых веществ вместе с влагой, вытапливается жир.

Определить температуру достаточно просто — достаточно плеснуть на крышку воду. Если вода не кипит, а просто испаряется, — режим копчения выдерживается правильно.

Готовое блюдо не может храниться долго, его надо употреблять в течение двух-трех суток.

Холодное копчение. Холодное копчение более трудоемко. Надо сооружать специальную коптильню, дольше просаливать рыбу, и сам процесс занимает от двух до трех суток.

Рисунок 4 — Холодная коптильня Канавка-дымоход делается примерно 100 Ч 100 или 150 Ч 150 мм. Сверху она закрывается доской и дерном. Внизу — ямка для костра. Сверху — ящик для копчения.

Устройство простейшей коптильни ясно из рисунка. Оптимальная длина наклонного дымохода должна быть не менее 7…10 метров. Если на участке есть погреб, можно использовать его, нет — придется устроить искусственную насыпь.

Свежую рыбу солят в течение пяти суток, размороженную — вдвое дольше. Причем рыбу, уложенную в лотки, дополнительно посыпают солью. Дольше длится и отмочка — 4…6 и более часов. После этого рыба обвязывается и провяливается в течение суток. Температура дыма в коптильне должна быть не более 35°. После копчения рыбу можно подвялить в течение суток — это увеличит срок хранения.

При холодном копчении рыба теряет значительную часть влаги и пропитывается, как бы консервируется, дымом от костра. И еще одно дополнение: чем больше соли в рыбе, тем ниже должна быть температура.

Полугорячее копчение. Для него годится рыба со сроком засолки более суток, отмочка может быть проведена «на глазок». В качестве коптильни использовалась обычная железная печка «буржуйка» с парой дополнительных колен на трубе, чтобы температура дыма была в районе 50…60°. Поддувало прикрывалось для обеспечения тления в топке, а рыба развешивалась в некотором удалении от среза трубы в зоне смешивания дыма с воздухом. Для копчения достаточно одного светового дня. Вкус рыбы несколько необычный, а внешний вид и аромат ближе к горячему копчению. Эта технология в настоящее время широкого распространения не получила, но интересна по своей простоте и большим возможностям для экспериментирования.

Рисунок 5 — Печь-буржуйка для полугорячего копчения

О древесине. Лучшие дрова для копчения — ольха и можжевельник. Но последний во многих районах стал редкостью и нуждается в охране. Поэтому при заготовке обламывайте аккуратно лишь сухие веточки, к тому же сырые все равно не годятся. Достаточно всего несколько веточек этого замечательного растения, чтобы придать рыбе и золотистый цвет, и неповторимый аромат.

Если нет ольхи, можно использовать сухую древесину любых твердых пород: дуба, орешника, ясеня, клена, яблони, груши, вишни, сливы; с березы обязательно надо снять кору — в ней содержится деготь. Ни в коем случае нельзя применять сосну, ель, кедр — в них много смолы. Древесину надо обязательно измельчить на небольшие чурочки или щепки по 4…6 сантиметров. При копчении можно и даже нужно использовать и опилки. Чурочки, ветки и опилки насыпаются на дно бочки ровным слоем. Они начнут тлеть и выделять дым, как только прокалится днище бочки или ведра от костра, разведенного внизу.

Несколько слов о самом костре. При копчении рыбы он должен быть небольшим, но давать много жару — дрова можно выбирать любые. Поддерживать костер, горящий ровно длительное время, — искусство, которое приобретается только собственным опытом. Но от этого опыта зависит качество приготовленной копченой рыбы.

Бездымное или мокрое копчение — это копчение коптильными препаратами, которые представляют собой экстракты продуктов термического разложения древесины, подвергнутые специальной обработке.

Бездымное копчение основано на применении коптильных препаратов. Оно может осуществляться либо путем погружения рыбы либо мясной продукции в раствор коптильной жидкости с последующей термической обработкой, либо в процессе термической обработки средой из мелкодиспергированной или парообразной коптильной жидкости. В первом случае попадание коптильных компонентов в мясо происходит диффузионным путем, во втором — по аналогии с обычным дымовым копчением.

К несомненным преимуществам новой прогрессивной технологии бездымного копчения по сравнению с устаревшими способами изготовления копченых продуктов, когда используется древесный дым, относятся:

— увеличение производительности и улучшение санитарно-гигиенических условий труда работающих на коптильных предприятиях;

— возможность сравнительно простого решения экологических проблем, неизбежно возникающих при изготовлении копченостей по старой технологии;

— ликвидация дымогенераторных подразделений при ощутимой экономии электроэнергии и древесины;

— повышение рентабельности коптильных производств;

— реальные возможности быстрого расширения ассортимента разнообразных копченых изделий из мяса и рыбы по простой, поддающейся полной механизации технологии (например, при введении специализированных коптильных препаратов в полуфабрикаты, при изготовлении консервов, структурированных и формованных продуктов сыра и др.);

— возможность использования принципа малоотходной технологии в коптильном производстве и т. д.

А также возможность производить копченую продукцию, не отличающуюся по своим свойствам от продуктов дымового копчения, но не содержащую вредных примесей (канцерогенные и токсичные вещества).

Смешанное или комбинированное копчение представляет собой сочетание дымового и мокрого копчения. При этом способе мясо, предварительно обработанное коптильным препаратом, докапчивают древесным дымом.

Дым. Его свойства и недостатки.Дым — типичный аэрозоль, образующийся в результате частичной конденсации газообразных продуктов термического разложения различного древесного материала. Как всякий аэрозоль, дым состоит из двух частей: капельно-жидкой (дисперсной) фазы и газа (дисперсионная среда). При этом к капельно-жидкой фазе, как правило, относятся достаточно крупные частицы смолы и сажи, а также летучей золы. Для обработки рыбных и мясных продуктов применяют так называемый «технологический дым» — дым, обладающий определенными физическими, физико-химическими и химическими характеристиками. Качество дыма можно определить путем оценки качества готовой продукции. Однако это косвенная оценка, так как влияние на качество готовой продукции оказывают также химический состав сырья и технологические режимы (параметры) обработки.

Технологические свойства дыма зависят от его химического состава и прежде всего от степени насыщения ароматическими веществами. Во время копчения многочисленные компоненты дыма попадают в обрабатываемый продукт и обеспечивают его консервацию, ароматизацию и нужную окраску. Предполагается, что в этих процессах должны принимать участие лишь 10% из 5000 компонентов, регистрируемых в дыме.

В настоящее время идентифицировано более 200 химических соединений дыма, участвующих в процессе копчения. К ним относятся в основном коптильные компоненты фенольной группы, карбонильные соединения (альдегиды и кетоны), кислоты, производные фурана, лактонов, полициклических ароматических углеводородов, спиртов и эфиров.

Наиболее полно исследована роль (в процессе придания продукту специфических свойств) трех групп органических веществ: фенолов, кислот и карбонильных соединений.

Фенольные соединения дыма способствуют в основном формированию аромата и вкуса копчености у обрабатываемого продукта.

Установлено, что выразительность аромата копчености на 66% связана с присутствием в продукте фенолов, тогда как роль карбонильных соединений в этом ограничивается: 14 и 20% приходится на все остальные коптильные компоненты.

Среди многочисленных фенолов исследователи выделяют отдельных представителей этого класса, по их мнению, наиболее активно способствующих образованию аромата и вкуса копчености.

Считается, что такими «активными компонентами» из фенольных соединений являются гваякол, 4-метилгваякол и 2,6-диметоксилол (сирингол). Однако аромат композиции, составленный только из этих трех фенолов, смешиваемых в тех же пропорциях, в каких они выделены из конденсата дыма, лишь весьма отдаленно напоминал дымовой аромат исходного конденсата.

Помимо гваякола, метилгваякола и сирингола в процессе формирования аромата продукта принимают активное участие такие фенольные соединения, как эвгенол, крезолы, ксиленолы и ряд других веществ.

В копченой рыбе, обработанной дымом или коптильным препаратом, доминируют метилгваякол, затем гваякол, фенол и крезолы. Постоянное присутствие гваякола в копченых изделиях, по мнению ученых, делает возможным использовать его в качестве «индекса копчения».

Тем не менее, запах растворов, приготовленных из фенолов, ранее идентифицированных в конденсатах дыма, отличался от исходных дымовых конденсатов по оттенкам и интенсивности. Это дает основание считать, что для полного воспроизведения аромата необходимы помимо фенолов другие химические соединения, способствующие в какой-то мере формированию запаха копчености.

Аромат копчения усиливается и приобретает наиболее выразительный характер при добавлении к фенольной композиции карбонильных соединений и других химических веществ. Установили, например, что активное участие в образовании аромата копчения принимают такие органические вещества, как фураны и лактоны, а также создающие специфический запах оксиметилциклопентанол и мальтол. Сочетание фенольных соединений обуславливает хорошо выраженный аромат копчения без каких-либо посторонних оттенков. В случае сочетания фенольной фракции с карбонильными соединениями возникает отчетливо выраженный аромат копчения с пряными оттенками. Так же сильно выражен аромат копчения с оттенками жженого сахара при соединении в одну композицию фенолов, карбонильных и некарбонильных веществ.

Карбонильные соединения усиливают отчасти аромат копчености, но основная их роль в процессе копчения заключается в образовании характерной окраски. Механизм цветообразования представляется серией неферментных реакций, подобных реакциям Майара, с той лишь разницей, что продукты реакций, дегидрированные эфирные углероды, возникающие в процессе генерации дыма, пригодны для прямого контакта с аминогруппами белков продуктов.

Карбонильные соединения, преобладающие в коптильном дыме и вступающие во взаимодействие с белком, — это формальдегид, глиоксаль, фурфурол, ацетон, оксиацетон, диацетон, гликолевый альдегид и метилглиоксаль, причем два последних характеризуются как активно участвующие в реакции цветообразования. Установлено также, что глиоксаль и кротоновый альдегид при взаимодействии с растворами аминокислот способствуют возникновению интенсивной окраски, диоксиацетон и ацетоальдегид умеренно активны, а формальдегид и ацетон вообще не принимают участия в данной реакции.

Сравнительно недавно в дыме при помощи масс-спектрометра идентифицированы кониферовый и санапалевый альдегиды. Данные химические вещества реагируют с белком продукта, придавая ему оранжевый оттенок, характерный для копченых изделий. Развитие окраски продукта связано с ростом карбонильных групп, вступающих во взаимодействие с белком продукта. Интенсивность окраски зависит от ряда факторов, таких, как, например, рН среды, t и т. д. Окраска продукта усиливается под действием света и кислорода, с изменением рН среды в щелочную сторону, с повышением температуры рабочей среды и продолжительностью ее воздействия на исследуемый объект.

Реакция покоричневения под действием карбонильных соединений сопровождается и нежелательным эффектом — деградацией (разрушением) аминокислот белка. Отмечено уменьшение количества аминокислот, и в частности лизина в белке продукта, выкопченного дымом или обработанного коптильными препаратами.

Летучие кислоты (С1-С6), присутствующие в дыме и коптильных препаратах, играют в основном вспомогательную роль, способствуя в комплексе с фенолами и карбонильными соединениями созданию у обрабатываемого продукта определенных вкусовых свойств.

Особенности и недостатки копчения.

Положительные стороны копчения хорошо известны: с помощью этого широко распространенного технологического приема при изготовлении разнообразной продукции из рыбы и мяса получают не только продукты, обладающие особыми привлекательными вкусовыми свойствами, но и изделия (прежде всего холодного копчения), которым присуща повышенная устойчивость к окислительным и микробиальным изменениям при хранении. Вместе с тем традиционное копчение, т. е. обработка подготовленных полуфабрикатов непосредственно древесным дымом, имеет ряд недостатков.

Одним из таких недостатков является трудность получения партий однородной готовой продукции. Отчасти это связано с невозможностью генерации однородного и стабильного по составу коптильного дыма, поскольку в дымогенераторах любых конструкций и температура, и другие условия образования дыма в локальных зонах термического разложения органической массы древесины (опилки, щепа, стружки, чурки, дрова) непрерывно изменяются, поэтому в целом возникновение собственно коптильного дыма в значительной степени носит хаотический характер.

Другим существенным недостатком копчения при помощи древесного дыма является наличие в дыме канцерогенных и токсических веществ, вредных для здоровья человека (эти вещества относятся к полициклическим ароматическим углеводородам, в числе которых 3,4-бензпирен, проявляющий наибольшую канцерогенную активность).

Коптильные препараты и ароматизаторы не обладают таким недостатком, так как при их производстве используются методы, исключающие попадание вредных веществ в конечный продукт.

1. Постановка задачи

Копчение можно рассматривать, как процесс динамической адсорбции компонентов коптильного дыма на поверхности продукта и естественной последующей диффузией их в массу продукта за счет разности концентраций на поверхности и в толще продукта. Процесс копчения —самопроизвольный, причем довольно длительный, трудо-энергоемкий. Длительность процесса приводит к необходимости использования коптильных камер. И как следствие создание систем автоматического управления, которые позволяют контролировать температуру внутри камеры, влажность и время продолжительности обработки продукта на каждой стадии процесса. Управление закрытием и открытием регулирующих клапанов (шиберов) подачи воды и дыма в камеру производится в ручном режиме. Параметры обработки перед началом каждой стадии процесса вводятся на пульт САУ.

На рынке отечественного оборудования в настоящее время представлен достаточно широкий спектр коптильно-варочных камер с различными техническими параметрами и конструктивными особенностями, во многом определяющими их стоимость. Остановимся на некоторых из них.

Универсальные коптильно-варочные камеры «КТД», производящиеся в г. Александрове Владимирской области, представлены на рынке в большом ассортименте и различных модификациях. Хорошо зарекомендовали себя, как качественное недорогое оборудование, позволяющее серьезно сократить денежные затраты на открытие собственного производства. По максимальной единовременной загрузке камеры «КТД» выпускаются в четырех вариантах: на одну раму — 100, 250, 300; на две рамы — 500 кг. По исполнению выпускаются в трех вариантах: полностью из углеродистой стали, комбинированная (наружная поверхность из углеродистой стали, внутренняя — из нержавеющей стали), полностью из нержавеющей стали. Кроме того, возможно изготовление под заказчика сборно-разборных вариантов этих термокамер. Камеры «КТД» комплектуются системой автоматического управления (САУ), трубопроводами, дымогенератором и дымоохладителем, объединенными в один моноблок.

По желанию заказчика рамы могут поставляться отдельно в любом количестве. Универсальность термокамер серии «КТД» заключается в том, что термообработке можно подвергать — мясо, птицу, рыбу и даже колбасные сыры, а также производить как «горячее», так и «холодное» копчение.

Камеры «КТД», комплектуются системой автоматического управления (САУ), трубопроводами, дымогенератором и дымоохладителем, объединенными в один моноблок. По желанию заказчика рамы могут поставляться отдельно в любом количестве. В термокамерах серии «КТД» также можно подвергать термообработке мясо, птицу, рыбу и даже колбасные сыры.

По уровню цены и качества рынок оборудования включает в себя огромный спектр различных универсальных коптильно-варочных термокамер, которые могут быть оснащены автоматической системой управления, позволяющей управлять процессом путем нажатия одной клавиши от начала обработки до выхода охлажденной готовой продукции.

1.1 Описание процесса копчения

Качество копченой рыбы зависит от подготовки рыбы к копчению, плотности дыма и температурного режима, процесса копчения.

На рисунке 6 приведены следующие диаграммы:

* температурного режима процесса копчения;

* режима управления заслонкой рециркуляции;

* режима управления вытяжным вентилятором.

Процесс состоит из четырех шагов. На первом шаге выдерживается температура t = 19−20 °С, при этом полностью открыта заслонка рециркуляции, управляемая регулятором. Включают вытяжку для устранения влаги из печи и легкого подсушивания рыбы перед копчением. Дым на первом шаге не подается. Длительность первого шага составляет 0,5−2 часа.

При переходе на второй шаг температура устанавливается на 2−3 °С выше, вытяжной вентилятор отключается и заслонка рециркуляции прикрывается до 20%. Процент открытия заслонки рециркуляции зависит от объема печи, материала опилок (хорошим материалом для копчения является яблоня, груша, ольха), плотности дыма.

Третий шаг аналогичен второму шагу. То есть температура устанавливается еще на 2−3 °С выше, вытяжной вентилятор отключен, заслонка рециркуляции прикрыта.

После третьего шага прекращается подача дыма, открывается заслонка рециркуляции и включается вытяжной вентилятор на время от 0,5 до 1 часа, для того чтобы удалить оставшуюся влагу и продолжить копчение.

По окончании процесса все механизмы и дымогенератор отключаются.

Рисунок 6 — Технологические диаграммы

1.2 Технические требования к системам автоматизации процесса копчения

Качество конечного продукта зависит от предварительной подготовки рыбы, плотности дыма и соблюдения необходимого температурного режима. Для разных видов рыбы (в зависимости от её размера, сорта, жирности и т. п.), используются режимы обработки, отличающиеся по температуре, влажности и продолжительности.

Процесс горячего копчения рыбы бывает, как правило, двухступенчатым: вначале осуществляется подсушка тёплым воздухом при температуре 50 — 90 °C в течение 30 минут, затем копчение горячим дымом при 80 — 120 °C от 0,5 до 3 часов. Для получения качественного продукта на всех этапах технологического цикла необходимо соблюдать строго определённую температуру и влажность в коптильной камере.

Вследствие чего можно выделить следующие технические требования к системам автоматизации:

· Простота реализации;

· Наличие нескольких технологических программ, для обеспечения различных режимов копчения;

· Простота эксплуатации;

· Точность регулирования температуры и влажности;

· Уменьшение энергозатрат на производство путем автоматизированного регулирования технологического процесса.

1.3 Анализ вариантов существующих систем

Рынок рыбных продуктов в России — один из наиболее динамично развивающихся и перспективных и характеризуется неизменно растущим покупательским спросом. Это вполне объяснимо, потому что кроме несомненных вкусовых достоинств рыбопродукты обладают огромной биологической ценностью: рыба содержит множество полезных микроэлементов, белки легко усваиваются организмом человека, рыбий жир включает в себя большое количество незаменимых полиненасыщенных кислот.

Богатство водных ресурсов нашей страны позволяет значительно расширить ассортимент рыбопродуктов. Чтобы производить продукт отменного качества и при этом добиться ощутимого снижения себестоимости, необходимо активно внедрять современные средства автоматизации.

Для автоматизации процесса копчения в камерах изготовления рыбных деликатесов широко используется универсальный двухканальный программный ПИД — регулятор ОВЕН ТРМ151. Он позволяет периодически включать жалюзи систем вентиляции, периодически включать жалюзи систем вентиляции, а также регулировать работу систем нагрева и подачи дыма (рисунок 4). ТРМ151 имеет два универсальных входа, к которым можно подключать датчики разного типа: термопреобразователи сопротивления, термопары, датчики с выходным сигналом тока, напряжения или датчики положения задвижки. ПИД — регулятор ТРМ151 стандартной конфигурации имеет два выходных программных модуля — регулятора, каждый из которых работает по двухпозиционному (ON/OFF) или по ПИД — закону регулирования.

В регуляторе ТРМ151 предусмотрена возможность создания до двенадцати независимых программ (так называемых программ технолога) по десять шагов каждая. Для каждого шага программы задаются соответствующие уставки, параметры регулирования и условия перехода на следующий шаг. С помощью программы технолога регулятор ТРМ151:

* осуществляет автоматический запуск и отключение исполни тельных механизмов;

* поддерживает температуру на всех этапах обработки (плавный нагрев, выдержку и плавное остывание);

* устанавливает в камере необходимые значения влажности путём управления вытяжкой;

* контролирует подачу дыма для копчения.

ТРМ151 обеспечивает безопасность и непрерывность процесса копчения рыбы, контролируя работоспособность измерительной техники (проверка на обрыв, замыкание и т. п). При этом ТРМ151 анализирует критичность состояния всей системы автоматизации: в случае, если произошёл сбой в работе датчика, не задействованного непосредственно в текущем шаге, прибор не останавливает выполнение программы, а только сигнализирует о неисправности. Если же происходит поломка необходимого на данном этапе измерителя, то ТРМ151 останавливает текущую программу технолога, при этом, чтобы избежать более серьёзных поломок, все выходные устройства отключаются. Когда неисправность оказывается устранённой, продолжить процесс можно с любого из десяти шагов используемой программы.

Рисунок 7 — Схема установки горячего копчения рыбы с использованием ОВЕН ТРМ151 (П1, П2 — пускатели)

1.4 Особенности управления температурой и влажностью

Регулируемыми параметрами технологического микроклимата в чистых помещениях являются температура и влажность воздушной среды, значения которых, должны поддерживаться в строго заданных диапазонах. Сложность регулирования и стабилизации этик параметров заключается в их взаимосвязанности, когда изменение одного из них вызывает изменение другого. Для решения этой задачи необходимо совместное применение регуляторов температуры и влажности воздуха, при этом действие регулятора влажности сводится к целенаправленному изменению влажности воздуха с тем, чтобы скомпенсировать изменение влажности, вызванное работой регулятора температуры воздуха.

Очевидно, что при совместной работе регуляторов возникают колебания в процессе изменения влажности, вызванные влиянием контура регулирования температуры, что ухудшает показатели качества стабилизации относительной влажности и может привести к неустойчивой работе конура регулирования влажности. Это явление можно устранить, используя принцип приоритетности регулирования температуры и влажности, согласно которому температурному контуру, как более инерционному, отдается предпочтение в очередности выполнения регулирования. После того как температура в помещении достигла заданного значения, производится регулирование влагосодержания воздуха.

При решении задач контроля и управления температурно-влажностным режимом в помещениях достаточно большого объема обычно используют системы многозвенного кондиционирования воздуха, образованные центральным кондиционером и рядом местных регулирующих органов, осуществляющих доводку параметров приточного воздуха в отдельных помещениях до требуемых значений, обусловливаем их внутренними тепловыделениями каждого помещения.

При том желательно управлять по среднему в объеме зоны значению соответствующего параметра микроклимата, а не по значению в одной точке зоны. Для этого в пространстве каждой зоны необходимо установить не один, а несколько датчиков (в зависимости от объема данной зоны). На основании информации этик датчиков рассчитывается среднее значение регулируемого параметра, по которому производится управление соответствующим исполнительным механизмом. Поскольку регулирование ведется по отклонению, целесообразно использовать не среднее значение регулируемого параметра, а среднее значение его отклонения от требуемого значения в данной точке пространства.

1.5 Методы и средства измерения влажности

Влажность и содержание молекул воды в веществах и материалах являются одним из наиболее важных характеристик состава. Уже указывалось, что влагу необходимо измерять в газах (концентрация паров воды), в смесях жидкостей (собственно содержание молекул воды) и в твердых телах в качестве кристаллизационной влаги, входящей в структуру кристаллов. Соответственно, набор методов и устройств для измерения содержания молекул воды в материалах оказывается весьма разнообразным.

Традиции измерительной техники, опирающиеся на повседневный опыт, привели к тому, что в измерениях влажности сложилась специфическая ситуация, когда в зависимости от влияния количества влаги нате или иные процессы необходимо знать либо абсолютное значение количества влаги в веществе, либо относительное значение, определяемое как процентное отношение реальной влажности вещества к максимально возможной в данных условиях. Если необходимо знать, например, изменение электрических или механических свойств вещества, в этом случае определяющим является абсолютное значение содержания влаги. То же самое относится к содержанию влаги в нефти, в продуктах питания и т. д. В том случае, когда необходимо определить скорость высыхания влажных объектов, комфортность среды обитания человека или метеорологическую обстановку, на первое место выступает отношение реальной влажности, например воздуха, к максимально возможной при данной температуре.

В связи с этим характеристики влажности, а также величины и единицы влажности подразделяются на характеристики влагосостояния и влагосодержания.

Влагосодержание — величины и единицы, выражающие реальное количество влаги в веществе. Основной характеристикой влагосодержания является абсолютная влажность, определяемая как количество влаги в единице объема:

К этому классу характеристик можно отнести парциальное давление водяных паров в газах, абсолютную концентрацию молекул воды для газа, близкого к идеальному, определяемую как:

где Т — абсолютная температура, n₀ — постоянная Лошмидта, равная числу молекул идеального газа в 1 см³ при нормальных условиях, т. е. при p₀= 760 Торр= 1015 Гпа и T₀ = 273,1б К. Часто используется такая характеристика абсолютной влажности как точка росы, т. е. температура, при которой данная абсолютная влажность газа становится 100%. Эта характеристика привнесена в гигрометрию метеорологам и, т. к. является наиболее характерной при определении момента выпадения росы и определения ее количества.

Влагосостояние — процентное соотношение, равное отношению абсолютной влажности к максимально возможной при данной температуре:

Относительная влажность может характеризоваться так называемым дефицитом парциального давления, равного отношению парциального давления влаги к максимально возможному при данной температуре. Очень редко в гигрометрических измерениях можно встретить дефицит точки росы.

Связь между температурой и максимально возможной абсолютной влажностью дается уравнением упругости насыщенных паров воды. Это уравнение имеет вид:

На практике чаще пользуются таблицей давления насыщенных паров над плоской поверхностью воды или льда при различных температурах.

На стандартных справочных данных основаны практически все пересчеты характеристик влажности. На их основе можно, например, по известной абсолютной влажности и температуре найти относительную влажность, точку росы и т. д., выразить практически любую характеристику влажности газов.

Среди приборов для измерения влажности наиболее массовыми являются приборы для определения содержания воды в газах — гигрометры. Для измерения влажности твердых и сыпучих тел чаще всего используются те же гигрометры, только процесс подготовки пробы к анализу включает в себя перевод влаги в газовую фазу, которая затем и анализируется. Существуют в принципе методы непосредственного измерения содержания влаги в жидкостях и в твердых телах, например, методом ядерного магнитного резонанса. Приборы, построенные на таком принципе, достаточно сложны, дороги и требуют высокой квалификации оператора.

Гигрометры как самостоятельные приборы являются одними из самых востребованных измерительных приборов, поскольку с давних времен в них нуждались метеорологи. По изменению влажности, также как по изменению давления и температуры, можно предсказывать погоду, можно контролировать комфортность жизнеобеспечения в помещениях, контролировать различного рода технологические процессы. Например, контроль влажности на электростанциях, на телефонных станциях, на полиграфическом производстве и т. д. и т. п. является определяющим в обеспечении нормального режима функционирования.

Востребованность гигрометров породила разработки и изготовление большого количества различных типов приборов. Большинство измерителей влажности представляют собой датчики влажности с индикатором либо аналогового сигнала, либо сигнала в цифровой форме. Поскольку индикаторами являются в большинстве своем либо механические устройства, либо электроизмерительные приборы, рассмотренные в предыдущих разделах, остановимся на датчиках влажности, определяющих почти все функциональные возможности гигрометров.

Датчики гигрометров можно классифицировать по принципу действия на следующие типы:

· волосяные датчики, в которых используется свойство волоса изменять длину при изменении влажности;

· емкостные датчики, в которых при изменении влажности изменяется электрическая емкость конденсатора с гигроскопичным диэлектриком;

· резистивные датчики, в которых изменяется сопротивление проводника, на поверхность которого нанесен гигроскопический слой;

· пьезосорбционные датчики, в которых влага, поглощенная гигроскопическим покрытием, изменяет собственную частоту колебаний пьезокристалла, на поверхность которого нанесен гигроскопичный слой;

· датчик температуры точки росы, в котором фиксируется температура, соответствующая переходу зеркального отражения металлической поверхностью в диффузное;

· оптический абсорбционный датчик, в котором регистрируется доля поглощенной энергии света в полосах поглощения парами воды электромагнитного излучения.

Наиболее древний, наиболее простой и наиболее дешевый датчик влажности представляет собой обычный волос, натянутый между двумя пружинами. Для измерения влажности используется свойство волоса изменять длину при изменении влажности. Несмотря на кажущуюся примитивность такого датчика и на то, что процесс, лежащий в основе измерения, не определяется законами физики и поэтому не поддается расчету, гигрометры с волосяными датчиками изготавливаются в большом количестве.

Емкостные датчики влажности в настоящее время по массовости использования конкурируют и даже превосходят волосяные, поскольку по простоте и дешевизне они не уступают волосяным. Измеряемой физической величиной является емкость конденсатора, а это означает, что в качестве индикатора или выходного устройства может использоваться любой измеритель емкости. На подложку из кварца наносится тонкий слой алюминия, являющийся одной из обкладок конденсатора.

На поверхности алюминиевого покрытия образуется тонкая пленка окиси Аl₂O₃. На окисленную поверхность наносится напылением второй электрод из металла, свободно пропускающего пары воды. Такими материалами могут быть тонкие пленки палладия, родия или платины. Внешний пористый электрод является второй обкладкой конденсатора.

Конструкция резистивного датчика влажности представляет собой меандр из двух не соприкасающихся электродов, на поверхность которого нанесен тонкий слой гигроскопического диэлектрика. Последний, сорбируя влагу из окружающей среды, изменяет сопротивление промежутков между электродами меандра. О влажности судят по изменению сопротивления или проводимости такого элемента.

В последнее время появились гигрометры, в основу работы которых положен фундаментальный физический закон поглощения электромагнитного излучения — закон Ламберта-Бугера-Бера. Согласно этому закону через слои поглощающего или рассеивающего вещества проходит электромагнитное излучение интенсивностью I_л, равное:

где I_л — интенсивность излучения, падающего на поглощающий столб; N — концентрация поглощающих атомов (число молекул в единице объема); l — длина поглощающего столба, д_л — молекулярная константа, равная площади «тени», создаваемой одним атомом и выраженной в соответствующих единицах.

Пары воды имеют интенсивные полосы поглощения в инфракрасной области спектра и в области длин волн от 185 нм до 110 нм — в так называемой вакуумной ультрафиолетовой области. Имеются отдельные разработки по созданию инфракрасных и ультрафиолетовых оптических влагомеров, и все они имеют одно общее положительное качество — это влагомеры мгновенного действия. Под этим понимается рекордно быстрое установление аналитического сигнала для пробы, помещенной между источником света и фотоприемником. Другие особенности оптических датчиков определяются тем, что в инфракрасной области поглощение молекулами воды соответствует вращательно-колебательным степеням свободы. Это означает, что вероятности переходов, и, соответственно, сечения поглощения в законе Ламберта-Бугера-Бера зависят от температуры объекта. В вакуумной ультрафиолетовой области сечение поглощения от температуры не зависит. По этой причине ультрафиолетовые датчики влажности являются более предпочтительными, но инфракрасная техника, которая используется в ИК датчиках влажности, намного долговечнее и проще в эксплуатации, чем ВУФ техника.

У оптических датчиков имеется и один общий недостаток — влияние на показание мешающих компонентов. В инфракрасной области это различные молекулярные газы, например окиси углерода, серы, азота, углеводороды и т. д. В вакуумном ультрафиолете основным мешающим компонентом является кислород. Тем не менее можно выбрать длины волн в ВУФ, где поглощение кислорода минимально, а поглощение паров воды максимально. Например, удобной областью является излучение резонансной линии водорода с длиной волны А, = 121,6 нм. На этой длине волны у кислорода наблюдается «окно» прозрачности в то время, как пары воды заметно поглощают. Другой возможностью является использование излучения ртути с длиной волны 184,9 нм. В этой области кислород излучения не поглощает и весь сигнал поглощения определяется парами воды.

Важным качеством оптического датчика является следствие из закона Ламберта-Бугера-Бера, состоящее в том, что такой датчик нужно калибровать только в одной точке. Если, например, определить сигнал с прибора при какой-либо одной определенной концентрации паров воды, то отградуировать шкалу прибора можно расчетным путем на том основании, что изменение логарифма сигналов при различных концентрациях равно:

где N — концентрация (число) молекул в единице объема; д_л — сечение поглощения, I — длина поглощающего промежутка.

Для определения относительной и абсолютной влажности на практике часто используются приборы, получившие название психрометров. Психрометры представляют собой два одинаковых термометра, один из которых обернут фитилем и смачивается водой. Мокрый термометр показывает температуру ниже, чем сухой термометр в том случае, если относительная влажность не равна 100%. Чем ниже относительная влажность, тем больше разность показаний сухого и мокрого термометров. Для психрометров различных конструкций составляются так называемые психрометрические таблицы, по которым находятся характеристики влажности. горячий копчение технология автоматизация Психрометр не очень удобен в эксплуатации, поскольку его показания не просто автоматизировать, и требуется постоянное увлажнение фитиля. Тем не менее именно психрометр является самым простым и вместе с тем достаточно точным и надежным средством измерения влажности. Именно по психрометру чаще всего градуируются гигрометры с волосяными, емкостными или резистивными датчиками.

В заключение кратко остановимся на методах измерения влажности жидкостей и твердых материалов. Наиболее распространенным является метод высушивания или выпаривания влаги из вещества с последующим взвешиванием. Обычно пробу высушивают до тех пор, пока не перестанет изменяться ее вес. При этом, естественно, делается два допущения. Первое — что вся сортированная и химически связанная влага при выбранном режиме выпаривания улетучивается. И второе — что вместе с влагой не испарится никакой другой компонент. Очевидно, что во многих случаях гарантировать корректность выполнения процедур выпаривания очень сложно. Другим универсальным методом измерения влажности жидких и твердых тел является метод, когда влага из них переходит в газовую фазу в каком-либо замкнутом объеме. В этом случае стандартизуют методику подготовки пробы, а измерения ведут одним из упомянутых типов гигрометров, предназначенных для измерений влаги в газовой фазе. С целью получения надежных результатов такие устройства калибруют по стандартным образцам влажности.

Измерение влажности психометрическим влагомером.

Влажность газов, жидкостей и твердых материалов — один из важных показателей в технологических процессах. Влажность газов, например, необходимо измерять в сушильных установках, при очистке газов, в газосборниках, при кондиционировании воздуха и т. д. Измерение содержания воды в нефти, спиртах, ацетоне проводят в процессах нефтепереработки и нефтехимии, в пульпах — в производстве серной кислоты и минеральных удобрений. Измерение влажности твердых сыпучих материалов занимает важное место в производстве красок, минеральных удобрений, строительных материалов; влажность волокнистых материалов определяет качество продукции при производстве бумаги и картона.

Влажность газов в технологических процессах обычно измеряют психрометрическим методом.

Действие психрометрических влагомеров основано на измерении двух температур: температуры «сухого» термодатчика, помещенного в анализируемый газ, и температуры «мокрого» термодатчика, завернутого в чулок из влажной ткани, конец которой опущен в воду. За счет испарения воды этот термодатчик охлаждается до температуры меньшей, чем температура газа. С увеличением влажности газа испарение идет менее интенсивно и температура «мокрого» термометра растет. При влажности 100% вода вообще не будет испаряться и температуры обоих термодатчиков сравняются.

В промышленных влагомерах в качестве термодатчиков обычно используют термометры сопротивления, включенные. в схему для измерения отношения их сопротивлений, т. е. отношения температур «мокрого» и «сухого» термометров.

2. Определение математической модели объекта управления

В данной работе рассматривается камера для копчения рыбы. Функциональная схема камеры как объекта управления может быть представлена следующим образом (рисунок 8).

Рисунок 8 — Функциональная схема камеры копчения

Регулирование происходит по двум контурам. Входными параметрами или параметрами регулирования являются тепло (Теп), выделяемое ТЭНом, и воздух (В). Количество подаваемого тепла и воздуха в камеру регулируется с помощью задатчиков (з). Величина задающего воздействия определяется с помощью ПЛК. Выходными параметрами камеры является температура (Т) и влажность (ВЛ). Регулирование параметров камеры копчения будем производить путём регулирования этих параметров. Выходные сигналы фиксируются термометрами, затем преобразуются датчиками в напряжение (U₁ и U₂). Далее сигналы поступают на соответствующие сумматоры, где происходит сопоставление значений с заданным. Разностная величина усиливается усилителями (у). Срегулированная и усиленная величина по влажности поступает в двигатель (Дзас) рециркуляционной заслонки. Обороты двигателя через редуктор (р) преобразуются в отклонение заслонки (зас). Заслонка, в свою очередь, регулирует влажность в камере. При влажности больше заданной, пар необходимо выпустить, — заслонка открывается, и наоборот. Температура в камере регулируется при помощи вытяжного вентилятора, т. е. при превышении заданной температуры вентилятор включается, воздух выходит, температура понижается и наоборот. При недопустимом увеличении температуры по сигналу от ПЛК происходит отключение ТЭНа.

Составим для звеньев передаточные функции и дифференциальные уравнения, для этого воспользуемся данными приведенными в. Наиболее часто объект такого класса представляют в виде следующих передаточных функций:

камера копчения

++=*;

преобразователь влажности

;

усилитель напряжения

;

двигатель (Дзас)

= +=*;

двигатель (Двен)

= +=*;

редуктор

;

заслонка

;

усилитель напряжения

;

преобразователь температуры

;

вентилятор

= =*;

Составим уравнение динамики системы по каналу задающего и управляющего воздействия.

Для контура управления по влажности (1 контура):

где

Для контура управления по температуре (2 контура):

где

Тогда структурная схема камеры копчения как объекта управления будет выглядеть (рисунок 9).

Рисунок 9 — Структурная схема камеры копчения

2.1 Расчет параметров настройки управляющего устройства

Для первого контура.

;

где

Применим ПИД-регулятор:

;

k_p=0.28; T_u=T₂=3600 с; Т_д=900 с

.

САУ неустойчива, избавимся от одной степени астатизма. Для этого введем дифференциальную корректирующую сигнал в соответствии с передаточной функцией:

;

При выполнении условия, что Т=0.5 с передаточная функция САУ регулирования температуры примет вид:

Для второго контура.

где

Применим ПИД-регулятор.

k_p=0.16; T_u=3600 с; Т_д=900 с

Введем дифференциальную составляющую по ошибке:

;

При выполнении аналогичного условия, что Т=0.5 с передаточная функция САУ регулирования влажности примет вид:

2.2 Моделирование системы управления

Для оценки адекватности, полученной модели и проверки работоспособности, смоделируем систему в среде Mаtlаb SimuLink. Для этого поочередно на каждый канал (контур тампературы и контур влажности) будем подавать ступенчатый сигнал и снимать, полученные значения.

Для контура температуры:

Рисунок 10 — График переходного процесса контура регулирования температуры при подаче ступенчатого управляющего воздействия

Из графика видим, что время переходного процесса составляет 50 секунд, при этом контур температуры является достаточно инерционным. Это объясняется тем, что температуру невозможно установить моментально.

Для контура влажности:

Рисунок 11 — График переходного процесса контура регулирования влажности при подаче ступенчатого управляющего воздействия

Из графика видим, что время переходного процесса также достаточно велико, поскольку имеется прямая зависимость от температуры.

В результате моделирования убедились в том, что математическая модель камеры копчения является устойчивой, а следовательно данную модель имеет смысл рассматривать как реально работающую систему.

Коптильные камеры рыбообрабатывающих предприятий, как правило, используют релейные системы стабилизации температуры дымовоздушной смеси и дымообразования и реже — влажности смеси. Такие системы не способны обеспечивать не только оптимальное протекание процесса копчения по стадиям, но и просто поддерживать параметры процесса с необходимой точностью:

· температуру дымовоздушной смеси — в пределах ±1°С;

· влажность дымовоздушной смеси —в пределах ±5%;

· температуру дымообразования — в пределах ±10°С;

· скорость движения дымовоздушной смеси — не ниже 2 м/с;

· концентрацию дыма — постоянной, что позволяет, с одной стороны, ускорить процесс получения готовой продукции, не снижая её качества, а с другой стороны, уменьшить расход электроэнергии и древесины на получение дыма.

Поддержание в ходе всего процесса оптимальных параметров копчения позволяет наиболее эффективно насытить рыбу коптильными компонентами, придавая готовой продукции наилучшие вкус, аромат и цвет. Дополнительные сложности для управления процессом копчения создают случайные, но при этом не менее существенные изменения параметров:

· сырья, зависящие от вида, размера, степени разделки, места и времени улова, режимов хранения и транспортировки;

· древесины, зависящие от породы дерева, размера и влажности опилок;

· окружающей среды.

В результате вариации параметров объекта управления оказываются настолько велики, что говорить об оптимальном управлении процессом копчения без применения адаптивных систем управления просто бессмысленно. Решение всех перечисленных проблем может быть получено в результате применения разработанной нами системы управления с регуляторами, настроенными по средним или выявленным эмпирически значениям параметров объекта. Кроме того, использование цифровой системы позволяет создать целостный, информативный и удобный интерфейс оператора технолога. Реальный эффект от эксплуатации такой системы может быть получен за счет экономии потребляемой электроэнергии, сокращения времени технологического цикла, улучшения качества выпускаемой продукции.