Исследование и автоматизация процесса получения дыма с использованием инфракрасного излучения

Актуальность темы

В условиях рыночной экономики задача повышения эффективности технологических процессов играет существенную роль, так как позволяет получать продукцию более высокого качества при одновременном увеличении выпуска готовой продукции из того же количества сырья и сокращении производственных затрат, связанных с технологическим процессом производства. Качество технологического процесса определяется тем, насколько оптимально проводится данный процесс.

Повышение эффективности процесса холодного копчения связано с интенсификацией процесса дымообразования. что позволяет поддерживать концентрацию дымовоздушной смеси в коптильной камере на максимально возможном при текущих внешних условиях уровне и сократить второй этап процесса холодного копчения, связанный с насыщением рыбы коптильными компонентами. Кроме того, контроль температуры дымообразования в процессе генерации дыма позволяет эффективно поддерживать необходимую температуру среды в коптильной камере. Температура дыма, по сути, является основным возмущающим воздействием для контура регулирования температуры дымовоздушной смеси в коптильной камере. Контроль этой температуры позволяет улучшить динамические характеристики контура регулирования температуры в камере, что связано с появлением дополнительной обратной связи по основному возмущающему воздействию. Внедрение автоматической системы управления процессом позволяет снизить затраты на производство единицы продукции путем постоянного контроля качества основных технологических процессов. Кроме того, введением в систему контуров сигнализации и регистрации параметров процесса исключается необходимость постоянного контроля со стороны обслуживающего персонала.

Снижение себестоимости продукции может быть достигнуто за счет снижения количества топлива (опилок) для получения коптильного дыма путем постоянного контроля плотности дымовоздушной смеси в коптильной камере и снижения производительности дымогенератора до минимально необходимой при достижении плотностью дымовоздушной смеси максимально возможных в текущих условиях значений. Кроме того, для дымогеиераторов эндотермического типа с электрическим подогревом применение автоматической системы управления процессом дымообразования позволяет снизить затраты элекгроэненергии, необходимой для протекания процесса. Однако, применение автоматических систем управления с жестко заданными параметрами регуляторов, не позволяет достичь максимальной эффективности процесса копчения в целом ввиду изменения нарамефов самого процесса с чеченцем времени. Один из способов решения задачи упрааюния подобными процессами — построение адаптивной системы управления, изменяющей структуру и параметры своих регуляторов для получения наилучшего по выбранным критериям управления. Применение подобных систем позволяет приблизить условия протекания технологического процесса к оптимальным и повысить эффективность технологического процесса в целом.

Внедрение систем автоматического управления позволяет добиться повышения качества технологического процесса. Однако, это не исключает работу специалистов-технологов, разрабатывающих и обосновывающих технологические карты процессов. Автоматика способна минимизировать в динамике отклонения параметров процесса от парамегров. указанных в технологических картах, освобождая обслуживающий персонал технологических установок от необходимости постоянного ручного регулирования контролируемых параметров.

Для разработки подобных систем необходимо предварительно разработать методику исследования технологического процесса, что позволит получить необходимые исходные данные для синтеза систем управления. Применение современной компьютерной техники в качестве инструмента для проведения экспериментов согласно разработанной методике и для обработки полученных данных позволяет повысить качество результатов и сократить сроки исследований.

Несмотря на наличие промышленных систем управления со структурой, подобной вышеописанной (особенно в западных странах), высокая стоимость этих систем не позволяет использовать их для автоматизации производств средних и малых отечественных предприятий, бюджет которых зачастую сопоставим со стоимостью подобных установок. Следовательно, возникает необходимость в разработке достаточно эффективных и недорогих отечественных установок с автоматическими системами управления, которые требуют минимальных затрат на изготовление и внедрение, минимальные сроки окупаемости и как следствие повышенный спрос.

Таким образом, задача разработки недорогой и доступной адаптивной компьютерной системы управления, обеспечивающей повышение эффективности процесса холодного копчения путем интенсификации процесса дымообразования и сокращения времени насыщения сырья коптильными компонентами при сохранении высокого качества выпускаемой продукции, является актуальной, практически полезной, требующей решения.

Цель и задачи исследования

Целью настоящей работы является повышение эффективности процесса дымогенерации при холодном копчении рыбы и процесса холодного копчения рыбы в целом за счет применения многоконтурной адаптивной системы автоматического управления процессом при сохранении высокого качества выпускаемой продукции. Разработка контура управления генерацией дыма системы и ее научное обоснование является главной задачей работы. Для решения главной задачи решены следующие вспомогательные задачи:

1. Проведены предварительные исследования процесса дымообразования, протекающего в автоматизируемом дымогенераторе, с целью получения представления о законах, которым подчиняегся данный процесс.

2. Разработана методика исследования процесса дымообразования с целью получения моделей в терминах «вход-выход» с помощью передаточных функций.

3. Разработаны необходимые способы измерения и датчики параметров процесса, структура многоконтурной адаптивной АСУ на основе исследования процесса дымообразования в процессе холодного копчения.

4. Разработана методика предварительной идентификации параметров моделей исследуемых процессов на базе современных математических программных пакетов, система идентификации параметров модели, функционирующая в режиме реального времени, программно реализована методика синтеза оптимальных регуляторов концентрации дымовоздушной смеси коптильной камеры и регулятора температуры дымообразования.

5. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение компьютерной многоконтурной адаптивной АСУ процессом дымообразования в процессе копчения.

Научная новизна работы. В диссертации впервые решены следующие вопросы:

— исследовано распределение температурных полей по кассете с опилками инфракрасного дымогенератора (ИК ДГ) эндотермического типа в процессе его работы при различных начальных условиях и выведены математические зависимости температуры дымообразования от этих условий;

— выведена зависимость коэффициента теплового рассеивания от начальной влажности опилок в кассе] е работающего ИК ДГ" ;

— разработана и опробована методика построения математических моделей в терминах «вход-выход», описывающих динамику отдельных составляющих процесса дымообразования на базе математического программного пакета Matlab;

— проведено исследование работоспособности и эффективности компьютерной адаптивной системы управления процессом дымообразования при холодном копчении, показывающее, что разработанная адаптивная система управления позволяет добиться повышения эффективности технологического процесса при сохранении высокого качества продукции.

Практическая ценность работы. Разработана и научно обоснована концептуальная модель коптильной среды как объекта управления в процессе дымообразования с целью построения функциональной схемы АСУ. Разработана методика исследования распределения температурных полей внутри кассеты с опилками работающего дымогенератора эндотермического типа. Исследовано распределение температурных полей в инфракрасном дымогенерагоре конструкции Ершова-Шокиной. Построена и обоснована функциональная схема двухконтурной системы стабилизации концентрации дымовоздушной смеси с обоснованием выбора наблюдаемых величин и управляющих воздействий. Обоснованы и спланированы эксперименты по определению параметров моделей контуров стабилизации концентрации дымовоздушной смеси и регулирования температуры дымообразования. Разработана и опробована методика обработки экспериментальных данных с целью получения исходных математических моделей процесса. Практически подтверждена возможность использования полученных моделей для настройки системы автоматического управления процессом дымообразования при холодном копчении рыбы. Полученные алгоритмы, методики и аппаратно-программный комплекс могут быть использованы в научно-исследовательских работах, направленных на изучение технологических процессов пищевой промышленности и разработку систем управления технологическими процессами. Использование адаптивной системы автоматического управления процессом дымообразования при холодном копчении позволяет снизить себестоимость продукции при сохранении высокого качества.

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается использованием апробированных расчетных методик, согласованием расчетных и реальных данных по результатам эксперимента.

В диссертации защищается научное положение: эффекгивносгь процесса холодного копчения рыбы повышена путем применения многоконтурной ада) пивной системы автоматического управления процессом дымогенерации. которая позволяет сократить время второго лапа процесса копчения (этапа насыщения сырья кошильными компонентами) за счет непрерывного поддержания концентрации дымовоздушной смеси на максимально возможном уровне и контроля температуры коптильного дыма, а также поддерживает заданные оптимальные характеристики технологического процесса за счет непрерывной идентификации моделей объекта управления, используемых для расчета огггим&тьных параметров соответствующих регуляторов. Внедрение компьютерной системы управления дает экономический эффект при сохранении качества продукции.

Внедрение. Результаты диссертационной работы в виде компьютерной системы управления, представляющей собой аппаратно-программный комплекс на базе персонального IBM-совместимого компьютера внедрены в лаборатории «Современных технологических процессов переработки пщробионтов» кафедры ТПП Ml ТУ. Проведена опытная эксплуатация системы управления коптильной установкой МГТУ. По результатам экспериментального исследования технологического процесса холодного копчения разработан учебный тренажер системы управления процессом холодного копчения на базе SCADA-системы (программной системы диспетчерского контроля и сбора данных) Genie 3.0 фирмы Advantech. Тренажер установлен в лаборатории компьютерных систем управления кафедры Судовой автоматики и вычислительной техники МГТУ и внедрен в учебный процесс по специальности 210 200 «Автоматизация технологических процессов и производств» (по рыбопромышленной отрасли) при изучении дисциплин '" Программные средства систем автоматического управления", «ЭВМ и аппаратные средства систем автоматизации и управления» .

В диссертации защищаются: методика исследования распределения температурных полей в дымогенераторах эндотермического типаразработанная двухконтурная структура АСУ процессом дымообразования при копчениивыведенные математические зависимости температуры внутри кассеты с опилками работающего дымогенератора конструкции Ершова-Шокиной от времени, геометрических размеров кассеты и начальной влажности опилокметодика построения динамических моделей процесса дымообразования при копчении в терминах «вход-выход» — алгоритмы адаптивного управления, учитывающего изменения внутренних и внешних условий в ходе протекания процесса.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и были одобрены на: научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов, научных работников МГТУ (Мурманск, 2001) — всероссийской конференции «Наука и образование 2002», (Мурманск, 2002) — всероссийской конференции «Наука и образование 2003», (Мурманск, 2003).

Кроме того, было получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, которая является частью разработанного в ходе диссертационного исследования программного обеспечения.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы (111 наименований) и 4 приложений. Работа изложена на 154 страницах, содержит 44 рисунка и 3 таблицы. В приложениях представлены результаты экспериментов и листинги программ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

(основные результаты и выводы по работе).

1. Предложена и обоснована концептуальная модель коптильной среды как объекта управления, описывающая внутренние связи между отдельными составляющими процесса дымообразования при копчении.

2. Предложена методика исследования распределения температурных полей внутри кассеты с опилками работающего дымогенератора эндотермического типа. С помощью данной методики изучено распределение температурных полей в ИК ДГ конструкции Ершова-Шокиной, выведены математические зависимости температуры внутри кассеты с опилками работающего дымогенератора от времени, геометрических размеров кассеты и начальной влажности опилок. Определена зависимость коэффициента теплового рассеивания в слое опилок от влажности последних.

3. Доказана зависимость температуры дыма на выходе дымогенератора от температуры внутри кассеты с опилками и найдена формула для комплексного коэффициента связи, математически описывающего эту зависимость.

4. Предложен план экспериментального исследования технологического процесса дьь могенерации при холодном копчении рыбы, позволяющий с наименьшими затратами времени, энергии и сырья получить информацию, достаточную для разработки и настройки АСУ. Разработана методика обработки экспериментальных данных, направленная на получение исходных динамических моделей процесса в виде передаточных функций с необходимой точностью, с использованием пакета Matlab. Получены исходные динамические модели процесса копчения, позволяющие провести разработку и настройку алгоритмов адаптивного управления. Практически подтверждена необходимость использования адаптивной АСУ, способной подстраиваться под изменение параметров процесса дымогенерации при холодном копчении.

5. Разработаны алгоритмы и программы, на практике подтверждающие работоспособность и эффективность беспоисковой адаптивной АСУ. На основании вычислительных экспериментов выбран критерий качества управления и метод оптимизации регуляторов, управляющих отдельными составляющими процесса холодного копчения рыбы. Работоспособность и эффективность подсистем идентификации и оптимизации подтверждены в ходе опытной эксплуатации.

6. Разработано профаммное и аппаратное обеспечение адаптивной АСУ процессом дымогенерации при холодном копчении на базе персонального компьютера. Проведены испытания АСУ на действующей коптильной установке МГТУ с ИК ДГ, подтверждающие эффективность разработанных программ и высокие эксплуатационные характеристики компьютерной системы управления.

7. Проведена опытная эксплуатация АСУ холодного копчения на коптильной установке МГТУ. Обеспечены: экономия элекфоэнергии от 7% до 15%, сокращение этапа насыщения коптильными компонентами на 3+5%. поддержание заданной температуры дымообразования в ходе всего процесса, исключающей появление нежелательных веществ в коптильном дыму.

8. Результаты диссертационной работы планируется использовать при разработке систем управления коптильными установками, выпускаемыми ООО «Жаднов», г. Мурманск и при автоматизации существующего коптильного оборудования.

Основные положения диссертации, методы и результаты исследований опубликованы в работах /63,76−81/.

Новизна полученных результатов подтверждается анализом научно-технической и патентной литературы, а также апробацией работы на международных конференциях и научно-технических конференциях МГТУ.

9. Внедрение адаптивной компьютерной системы автоматического управления позволяет повысить эффективность процесса холодного копчения рыбы за счет снижения расхода электроэнергии на проведение процесса, сокращения длительности этапа насыщения коптильными компонентами и увеличения конечного влагосодержания в готовой копченой продукции, а также поддержания заданной температуры дымообразования в ходе всего процесса, исключающей появление нежелательных веществ в коптильном дыму.

— 146.