Повышение надежности и адаптация технологических процессов пищевых производств при проектировании современного инновационного оборудования
Международная
публикация
ART 53545
Авторы:
В.
А. Аминов, В.
А. Похольченко
В.
А. Аминов, В.
А. Похольченко Библиографическое описание статьи для цитирования:
Аминов
В.
А.,
Похольченко
В.
А. Повышение надежности и адаптация технологических процессов пищевых производств при проектировании современного инновационного оборудования // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2013. – Т. 3. – С.
2711–2715. – URL:
http://e-koncept.ru/2013/53545.htm.
Аннотация. Разработка нового или совершенствование имеющегося оборудования при внедрении в современные технологии требует комплексного подхода с применением обобщенных закономерностей процессов и адаптивных систем автоматического управления технологическими процессами.
Ключевые слова:
адаптивная система, автоматическое управление, технологическое оборудование, коптильно-сушильная установка, датчик влажности продукции, технологические испытания
Текст статьи
Похольченко Вячеслав АлександровичКандидат технических наук, заведующий кафедрой технологического и холодильного оборудования ФГБОУ ВПО «Мурманский государственный технический университет», эл. адрес: PokholchenkoVA@mstu.edu.ruАминов Виктор Андреевичведущий электроник на кафедры автоматики и вычислительной техники ФГБОУ ВПО «Мурманский государственный технический университет», эл. адрес: viktoraminov@yandex.ru.
«Повышение надежности и адаптация технологических процессов пищевых производств при проектировании современного инновационного оборудования»
Аннотация: Разработка нового или совершенствование имеющегося оборудования при внедрении в современные технологии требует комплексного подхода с применением обобщенных закономерностей процессов и адаптивных систем автоматического управления технологическими процессами.Ключевые слова: адаптивная система, автоматическое управление, технологическое оборудование, коптильносушильная установка, датчик влажности продукции, технологические испытания.
Перспективными направлениями развития малых пищевых предприятий является оснащение их современным компактным высокопроизводительным технологическим оборудованием, внедрение несложных в машинноаппаратурном оформлении и регулировании технологических схем и снижение трудоемкости процессов изготовления традиционных видов продуктов.Создание современных способов обработки пищевых продуктов, например, сушкой или копчением, требует интенсификации как процессов обезвоживания, так и совершенствования коптильносушильного оборудования. Конкурентоспособным в настоящее время является технологическое оборудование, позволяющее выпускать безопасную для потребителя продукцию при минимальных энергетических и временных затратах.Присозданиитехнологических установок,по обработке морских гидробионтов,большое внимание уделялось их конструктивным особенностямдля повышения качества продукции. В нашей странебыли созданы различные виды установок по копчению рыбы: камерного типа, туннельного типа (вертикальные и горизонтальные) и другие. По причиненизкой стоимостиэнергоресурсов, экономический аспект за счет их сбережения при конструировании подобного вида установок учитывалсяне всегда в первую очередь. Система автоматического управления (САУ) в установках прошлого столетия либо вовсе отсутствовала, либо была на примитивномуровне. Несмотря на это,качество выпускаемой продукцииподдерживалосьна высоком уровне. Поэтому оператортехнолог должен был ответственноследить за исполнительными устройствами установок: включением вентиляторов, электрокалориферов, открытием воздушных заслонок и т.п. обслуживающий персоналпостоянно находился рядом с постом управления,где располагалась светосигнальная аппаратура,позволяющая предотвратить нештатные ситуации. Нередко субъективный фактор был причиной пожаров в коптильных печах. В начале 90х годов прошлого столетия, по мере увеличения стоимости на энергоресурсы, использование установок на устаревших энергоемких технологиях стало затруднительными невыгодным. По этой причине новые разрабатываемые установки должны были отвечать как требованиям по качеству продукции, так и по экономии энергоресурсов, в частности электроэнергии. Экономия энергоресурсов стала возможна за счет:применения современных средств автоматического управления, таких какиспользование цифровыхПИД регуляторов,настроенных на оптимальный режим;управлениямощностью электрокалориферов посредством использования симисторов; регулировки скорости воздушного потока путемизменения частоты вращения вентилятора (взамен применения воздушных заслонок и шиберов). Контроль за предупреждением нештатных ситуаций был также возлагалсяна систему управления. Операторутехнологу отводилась минимальная роль в процессе приготовления продукции: включение системы и задание основных параметров технологического процесса: температуры, относительной влажности воздушной смеси, скорости воздушного потока и т.п. Таким образом, при эффективном использованииудаленного управления посредством беспроводных каналов связи, постоянное присутствие оператора в цехе не требуется. Управлять процессомвозможно с любого местоположения. Для повышения качества выпускаемой продукции, при минимальном энергопотреблении, необходимо совместное использование,как передовых конструктивных решений, так и новейшего класса систем автоматического управления. К последнемуможно отнести адаптивные системы управлениятехнологическим процессом.
Большинство технологических установок в пищевой промышленности работают по программе, заданной операторомтехнологом. Система управления в таких установках самостоятельно ни принимает никаких решений. Сочетание передовых конструкторских решенийи современных средств автоматики легли в основу создания универсальной коптильносушильной установки(рис. 1). Установка построена на производственной площади учебноэкспериментального цеха Мурманского государственного технического университета (МГТУ).
Рисунок1–Универсальная коптильносушильная установкаРеализация адаптивного управления стала возможной, благодаря использованию современных программируемых логических контроллеров и разработанному в МГТУ датчику влажности продукции (ДВП1), а также применение промышленного датчика веса.До внедрения данной системы управления в технологический процесс, операторутехнологу приходилось самостоятельно задавать время технологического процесса, а также влажность и температуру согласно технологической инструкции. Применение адаптивного управления привело к тому, что оператору необходимо выбрать только вид пищевого сырья и задать максимальную степень его обезвоживания, после чего система управлениясама произведет расчет параметровдля технологического процесса. Максимальное время технологического процесса зависит от вида готовой продукции (например, провесная, вяленая или сушеная рыба).Датчик влажности продукции (рис.2) позволяет измерять влажность сырья в процентах от начального значения. Такой датчик показывает не количественные значения влажности, а качественные, что позволяет пренебречь соленостью сырья и его температурой. Например, при начальной влажности сырья 75 % от общей его массы система управления примет это значение как 100 % и далее, по мере обезвоживания, будет передавать на графическую панель оператора значения степени обезвоживания продукции. На основании полученныхпоказаний оператортехнолог принимает решения о готовности продукции. Принцип действия датчика основан на измерении межтканевого сопротивления продукции между электродами (1) при пропускании через них электрического тока величиной 510 мА. Величина тока имеет постоянное значение и зависит от вида сырья и его жирности. За счет использования регулировочного винта(3)данный датчик можно использовать для продукции разной формы. Конструкция датчика имеет небольшую асимметрию (длины штативов разные), которая позволяет избежать контакта электродов между собой.Контроль за состоянием весапозволяет контролировать скорость обезвоживания. Высокая скорость обезвоживания негативно влияет на качество жирных пород рыб, низкая не наносит вреда продукции, но затягивает технологический процесс.Для изменения скорости обезвоживания система управления способна менять температуру либо влажностьдымовоздушной смеси.Поэтому совместное использование двух датчиков позволяет сократить продолжительность режима вяления или копченияпродукции,при сохранении высокогоеекачества.
Рисунок2–Датчик влажности продукции ДВП1:1электроды; 2штативы; 3регулировочный винт; 4информационный кабель.Разработанная автоматизированная установка УКСУ включает два модуля: один –для холодной сушки и вяления, другой –для холодного и полугорячего копчения рыбы.Каждый модуль состоит из пяти секций, в которые помещаются тележки с продукцией. Максимальная загруженность модуля 150 кг.
Модульность установки позволяет одновременно обрабатывать разные виды рыб при различных режимах. Первоначальные технологические испытания УКСУ при обработке небольших партий рыбы в режимах вяления включали в себя исследование кинетики и динамики обезвоживания рыбы, а также проверку тепловых и аэродинамических характеристик УКСУ.После получения положительных результатов, разработки рациональных режимов и технической документации на выпуск вяленой рыбопродукции, произведены технологические испытания УКСУ в режимах полугорячего копчения рыбы(рис. 3). Из полученного соответствующим способом рыбного полуфабриката выпущены опытные партии консервов(рис.4).Производство копченого полуфабриката для консервов способом полугорячего копчения позволяет получать качественный продукт при постоянной жесткости режима тепловой обработки. Использование рекомендуемых режимов полугорячего копчения по сравнению с традиционно применяемым горячим копчением позволяет сократить расход электроэнергии до 25 %, сократить время тепловой обработки (не дольше 1,5 ч), применять несложные схемы автоматического регулирования процесса и улучшить экологические аспекты производства.
Рисунок 3 –Копченый полуфабрикат из гидробионтов для консервов
Рисунок 4 –Консервы из копченой сельди беломорской в масле
Сокращение продолжительности процесса тепловой обработки(не дольше 1,5 ч) существенно облегчает проектирование цикла производства консервов. Способ позволяет выпускать консервы высокого качества и расширять их ассортимент.Таким образом, адаптация ведущих технологических процессов, определяющих качество готовой продукции, к разрабатываемому оборудованию возможна на основе комплексного подхода, включающего технологическую оптимизацию исследуемых процессов и реализацию в них современной САУ с адаптивным управлением. Проведенные технологические испытания модуля УКСУ показали его высокую энергоэффективность при работе в режимах полугорячего копчения при выпуске копченого рыбного полуфабриката для новых видов консервов.
PokholchenkoVaycheslavAlexandrovichCand.Tech.Sci., head of departmentTechnological and a refrigerating machinery FSBEE SVT«Murmansk state technical university»email: PokholchenkoVA@mstu.edu.ru
AminovVictorAndreevichleading electronicianof department automatics and computer science FSBEE SVT«Murmansk state technical university»email: viktoraminov@yandex.ru.
«Increase of reliability and adaptation of technological processes of food manufactures at designing the modern innovative equipment»
Abstract: Development new or perfection of the available equipment at introduction in modern technologies demands the complex approach with application of the generalized laws of processes and adaptivesystems of automatic control of technological processes.
Key word: adaptive system, automatic control, technologicalequipment, smoke and drying installation, gauge of humidity of production, technological tests.
Список литературы
1.УНИВЕРСАЛЬНАЯ КОПТИЛЬНО СУШИЛЬНАЯ УСТАНОВКА.ПАТЕНТ РФ 2011128055 РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ, МПК9 A 23 B 4/044. / ЕРШОВ А.М., ЕРШОВ М.А., ПОХОЛЬЧЕНКО В.А.; ЗАЯВИТЕЛЬ И ПАТЕНТООБЛАДАТЕЛЬ ФГБОУВПО «МУРМ.ГОС.ТЕХН.УНТ» №2011128055/13; ЗАЯВЛ. 07.07.2011.2.ПОХОЛЬЧЕНКО В.А. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ КОПЧЕНИЯ И ВЯЛЕНИЯ РЫБЫ / В.А. ПОХОЛЬЧЕНКО, М.А. ЕРШОВ // ВЕСТНИК ВГТА. – ВОРОНЕЖ, 2011. – № 1. –С. 3538.3.ПОХОЛЬЧЕНКО, В.А. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОПЧЕНИЯ РЫБЫ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КОНСЕРВОВ /В.А. ПОХОЛЬЧЕНКО. –МУРМАНСК : ИЗДВО МГТУ, 2010. –100 С. : ИЛ.
«Повышение надежности и адаптация технологических процессов пищевых производств при проектировании современного инновационного оборудования»
Аннотация: Разработка нового или совершенствование имеющегося оборудования при внедрении в современные технологии требует комплексного подхода с применением обобщенных закономерностей процессов и адаптивных систем автоматического управления технологическими процессами.Ключевые слова: адаптивная система, автоматическое управление, технологическое оборудование, коптильносушильная установка, датчик влажности продукции, технологические испытания.
Перспективными направлениями развития малых пищевых предприятий является оснащение их современным компактным высокопроизводительным технологическим оборудованием, внедрение несложных в машинноаппаратурном оформлении и регулировании технологических схем и снижение трудоемкости процессов изготовления традиционных видов продуктов.Создание современных способов обработки пищевых продуктов, например, сушкой или копчением, требует интенсификации как процессов обезвоживания, так и совершенствования коптильносушильного оборудования. Конкурентоспособным в настоящее время является технологическое оборудование, позволяющее выпускать безопасную для потребителя продукцию при минимальных энергетических и временных затратах.Присозданиитехнологических установок,по обработке морских гидробионтов,большое внимание уделялось их конструктивным особенностямдля повышения качества продукции. В нашей странебыли созданы различные виды установок по копчению рыбы: камерного типа, туннельного типа (вертикальные и горизонтальные) и другие. По причиненизкой стоимостиэнергоресурсов, экономический аспект за счет их сбережения при конструировании подобного вида установок учитывалсяне всегда в первую очередь. Система автоматического управления (САУ) в установках прошлого столетия либо вовсе отсутствовала, либо была на примитивномуровне. Несмотря на это,качество выпускаемой продукцииподдерживалосьна высоком уровне. Поэтому оператортехнолог должен был ответственноследить за исполнительными устройствами установок: включением вентиляторов, электрокалориферов, открытием воздушных заслонок и т.п. обслуживающий персоналпостоянно находился рядом с постом управления,где располагалась светосигнальная аппаратура,позволяющая предотвратить нештатные ситуации. Нередко субъективный фактор был причиной пожаров в коптильных печах. В начале 90х годов прошлого столетия, по мере увеличения стоимости на энергоресурсы, использование установок на устаревших энергоемких технологиях стало затруднительными невыгодным. По этой причине новые разрабатываемые установки должны были отвечать как требованиям по качеству продукции, так и по экономии энергоресурсов, в частности электроэнергии. Экономия энергоресурсов стала возможна за счет:применения современных средств автоматического управления, таких какиспользование цифровыхПИД регуляторов,настроенных на оптимальный режим;управлениямощностью электрокалориферов посредством использования симисторов; регулировки скорости воздушного потока путемизменения частоты вращения вентилятора (взамен применения воздушных заслонок и шиберов). Контроль за предупреждением нештатных ситуаций был также возлагалсяна систему управления. Операторутехнологу отводилась минимальная роль в процессе приготовления продукции: включение системы и задание основных параметров технологического процесса: температуры, относительной влажности воздушной смеси, скорости воздушного потока и т.п. Таким образом, при эффективном использованииудаленного управления посредством беспроводных каналов связи, постоянное присутствие оператора в цехе не требуется. Управлять процессомвозможно с любого местоположения. Для повышения качества выпускаемой продукции, при минимальном энергопотреблении, необходимо совместное использование,как передовых конструктивных решений, так и новейшего класса систем автоматического управления. К последнемуможно отнести адаптивные системы управлениятехнологическим процессом.
Большинство технологических установок в пищевой промышленности работают по программе, заданной операторомтехнологом. Система управления в таких установках самостоятельно ни принимает никаких решений. Сочетание передовых конструкторских решенийи современных средств автоматики легли в основу создания универсальной коптильносушильной установки(рис. 1). Установка построена на производственной площади учебноэкспериментального цеха Мурманского государственного технического университета (МГТУ).
Рисунок1–Универсальная коптильносушильная установкаРеализация адаптивного управления стала возможной, благодаря использованию современных программируемых логических контроллеров и разработанному в МГТУ датчику влажности продукции (ДВП1), а также применение промышленного датчика веса.До внедрения данной системы управления в технологический процесс, операторутехнологу приходилось самостоятельно задавать время технологического процесса, а также влажность и температуру согласно технологической инструкции. Применение адаптивного управления привело к тому, что оператору необходимо выбрать только вид пищевого сырья и задать максимальную степень его обезвоживания, после чего система управлениясама произведет расчет параметровдля технологического процесса. Максимальное время технологического процесса зависит от вида готовой продукции (например, провесная, вяленая или сушеная рыба).Датчик влажности продукции (рис.2) позволяет измерять влажность сырья в процентах от начального значения. Такой датчик показывает не количественные значения влажности, а качественные, что позволяет пренебречь соленостью сырья и его температурой. Например, при начальной влажности сырья 75 % от общей его массы система управления примет это значение как 100 % и далее, по мере обезвоживания, будет передавать на графическую панель оператора значения степени обезвоживания продукции. На основании полученныхпоказаний оператортехнолог принимает решения о готовности продукции. Принцип действия датчика основан на измерении межтканевого сопротивления продукции между электродами (1) при пропускании через них электрического тока величиной 510 мА. Величина тока имеет постоянное значение и зависит от вида сырья и его жирности. За счет использования регулировочного винта(3)данный датчик можно использовать для продукции разной формы. Конструкция датчика имеет небольшую асимметрию (длины штативов разные), которая позволяет избежать контакта электродов между собой.Контроль за состоянием весапозволяет контролировать скорость обезвоживания. Высокая скорость обезвоживания негативно влияет на качество жирных пород рыб, низкая не наносит вреда продукции, но затягивает технологический процесс.Для изменения скорости обезвоживания система управления способна менять температуру либо влажностьдымовоздушной смеси.Поэтому совместное использование двух датчиков позволяет сократить продолжительность режима вяления или копченияпродукции,при сохранении высокогоеекачества.
Рисунок2–Датчик влажности продукции ДВП1:1электроды; 2штативы; 3регулировочный винт; 4информационный кабель.Разработанная автоматизированная установка УКСУ включает два модуля: один –для холодной сушки и вяления, другой –для холодного и полугорячего копчения рыбы.Каждый модуль состоит из пяти секций, в которые помещаются тележки с продукцией. Максимальная загруженность модуля 150 кг.
Модульность установки позволяет одновременно обрабатывать разные виды рыб при различных режимах. Первоначальные технологические испытания УКСУ при обработке небольших партий рыбы в режимах вяления включали в себя исследование кинетики и динамики обезвоживания рыбы, а также проверку тепловых и аэродинамических характеристик УКСУ.После получения положительных результатов, разработки рациональных режимов и технической документации на выпуск вяленой рыбопродукции, произведены технологические испытания УКСУ в режимах полугорячего копчения рыбы(рис. 3). Из полученного соответствующим способом рыбного полуфабриката выпущены опытные партии консервов(рис.4).Производство копченого полуфабриката для консервов способом полугорячего копчения позволяет получать качественный продукт при постоянной жесткости режима тепловой обработки. Использование рекомендуемых режимов полугорячего копчения по сравнению с традиционно применяемым горячим копчением позволяет сократить расход электроэнергии до 25 %, сократить время тепловой обработки (не дольше 1,5 ч), применять несложные схемы автоматического регулирования процесса и улучшить экологические аспекты производства.
Рисунок 3 –Копченый полуфабрикат из гидробионтов для консервов
Рисунок 4 –Консервы из копченой сельди беломорской в масле
Сокращение продолжительности процесса тепловой обработки(не дольше 1,5 ч) существенно облегчает проектирование цикла производства консервов. Способ позволяет выпускать консервы высокого качества и расширять их ассортимент.Таким образом, адаптация ведущих технологических процессов, определяющих качество готовой продукции, к разрабатываемому оборудованию возможна на основе комплексного подхода, включающего технологическую оптимизацию исследуемых процессов и реализацию в них современной САУ с адаптивным управлением. Проведенные технологические испытания модуля УКСУ показали его высокую энергоэффективность при работе в режимах полугорячего копчения при выпуске копченого рыбного полуфабриката для новых видов консервов.
PokholchenkoVaycheslavAlexandrovichCand.Tech.Sci., head of departmentTechnological and a refrigerating machinery FSBEE SVT«Murmansk state technical university»email: PokholchenkoVA@mstu.edu.ru
AminovVictorAndreevichleading electronicianof department automatics and computer science FSBEE SVT«Murmansk state technical university»email: viktoraminov@yandex.ru.
«Increase of reliability and adaptation of technological processes of food manufactures at designing the modern innovative equipment»
Abstract: Development new or perfection of the available equipment at introduction in modern technologies demands the complex approach with application of the generalized laws of processes and adaptivesystems of automatic control of technological processes.
Key word: adaptive system, automatic control, technologicalequipment, smoke and drying installation, gauge of humidity of production, technological tests.
Список литературы
1.УНИВЕРСАЛЬНАЯ КОПТИЛЬНО СУШИЛЬНАЯ УСТАНОВКА.ПАТЕНТ РФ 2011128055 РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ, МПК9 A 23 B 4/044. / ЕРШОВ А.М., ЕРШОВ М.А., ПОХОЛЬЧЕНКО В.А.; ЗАЯВИТЕЛЬ И ПАТЕНТООБЛАДАТЕЛЬ ФГБОУВПО «МУРМ.ГОС.ТЕХН.УНТ» №2011128055/13; ЗАЯВЛ. 07.07.2011.2.ПОХОЛЬЧЕНКО В.А. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ КОПЧЕНИЯ И ВЯЛЕНИЯ РЫБЫ / В.А. ПОХОЛЬЧЕНКО, М.А. ЕРШОВ // ВЕСТНИК ВГТА. – ВОРОНЕЖ, 2011. – № 1. –С. 3538.3.ПОХОЛЬЧЕНКО, В.А. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОПЧЕНИЯ РЫБЫ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КОНСЕРВОВ /В.А. ПОХОЛЬЧЕНКО. –МУРМАНСК : ИЗДВО МГТУ, 2010. –100 С. : ИЛ.
