Автоматизированное управление процессами производства соков

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Специальность 05.13.06 - «Автоматизация и управление

технологическими процессами и производствами (промышленность)»

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ПРОИЗВОДСТВА СОКОВ

Экпеньонг Экпеньонг Экпо

Краснодар - 2009

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Программа развития Федеративной республики Нигерии в последние несколько лет направлена на создание и развитие аграрных предприятий (особенно малого и среднего бизнеса) использующих современные технологии. Развитие данной отрасли связано с более качественной переработкой сырья, увеличением объемов производства, сокращением доли ручного труда. Все это невозможно без автоматизированного контроля и управления основными технологическими процессами на предприятии.

В Нигерии одним из основных культивируемых фруктов является ананас. Нигерия - главный производитель ананаса на африканском континенте и занимает 8-ое место в мире по производству ананасов. Однако доходы бюджета страны от экспорта ананасового сока весьма незначительны, что объясняется низким уровнем автоматизации производства сока в стране, а следовательно и невысоким качеством продукта. Низкий уровень автоматизации, с одной стороны, приводит к значительной доле ручного труда, а с другой стороны - ставит в зависимость от умений, навыков, опыта обслуживающего персонала точность ведения процесса, и, как следствие, качество продукции. Развитие данной отрасли связано с более качественной переработкой сырья, увеличением объемов производства, сокращением доли ручного труда. Все это невозможно без автоматизированного контроля и управления основными технологическими процессами на предприятии.

Разработка и использование эффективных систем сдерживалась отсутствием адекватных динамических моделей, недостаточной изученностью процессов производства ананасового сока как объектов управления вследствие существенного запаздывания, наличия неконтролируемых возмущений и аппаратной базы, при которой практическая реализация эффективных алгоритмов управления либо была принципиально невозможной, либо могла быть достигнута ценой неприемлемых затрат. Появление средств микропроцессорной техники и их эволюционное обновление на развивающемся рынке технологий автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) создают все предпосылки для применения динамических моделей объектов в системах автоматического управления (САУ) процессами производства ананасового сока.

Обзор научно-технической литературы показал, что до настоящего времени не было научных работ, посвященных комплексной автоматизации производства ананасового сока.

Проблеме повышения эффективности сельскохозяйственных процессов на основе новых технологических приемов, синтеза систем с использованием методов математического моделирования, идентификации и адаптивного управления посвящены научные исследования ученых Балакирева В.С., Борзенко, И.М, Изерман Р., Bates R. P., Downes J.W., FEY J.J.H., Shinners S. M, Даурского А.Н., Дорменко В.В., Карпов В.И., Молчанов А.М., Понтрягин Л.С., Романов А.А., Солодовников В.В., Стефани Е.П., Таубман Е. И., Цейтлин В.Г., Цыпкин Я.З., и других. Однако отсутствие системного подхода к исследованию и методологических подходов к созданию и управлению САУ процессом предварительной обработки и прессования ананасов при производстве сока снижают эффективность решений задач по автоматизации процессов производства сока и делают указанную проблему весьма актуальной.

Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления кафедры Автоматизации производственных процессов (АПП) ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» (КубГТУ) «Автоматизированное управление техническими и технологическими объектами».

Целью диссертационной работы является оптимизация процессов предварительной обработки и прессования ананасов при производстве сока за счет автоматизированного управления.

Для достижения поставленной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

- систематизация и сравнительный анализ оборудования и АСУ процессом производства сока;

- структурная идентификация объекта исследования и разработка математической модели процесса резания и прессования при производстве сока;

- постановка и решение задачи оптимального управления процессом производства сока;

- техническая реализация модернизированной системы управления процессом производства сока.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель процесса очистки ананасов дисковым ножом;

- разработана математическая модель процесса прессования ананасов в шнековом прессе;

- поставлена и решена задача оптимального управления шнековым прессом;

Практическая ценность работы состоит в экспериментальном нахождении значения величины коэффициента возврата для шнекового пресса Bucher HP5000 при производстве ананасового сока, а также в разработке и внедрении комплекса технических решений по автоматизации технологических процессов производства сока, а именно: в разработке трехуровневой АСУ процессом производства сока; в создании и технической реализации способа автоматического контроля процесса извлечения сока; в определении рекомендаций для эффективной реализации цифрового управления стабилизацией давления при производстве сока в случае использования сервомотора постоянной скорости; в описании алгоритма реализации цифрового закона управления.

На защиту выносятся:

- математическая модель процесса очистки ананасов дисковым ножом;

- математическая модель процесса прессования ананасов в шнековом прессе;

- методологический подход к выбору оптимального управления процессом производства ананасового сока;

- технические решения, принятые при реализации автоматизированной системы для производства ананасового сока.

Методы исследований. Для решения поставленных в работе научных задач были использованы методы теории автоматического управления, статистического анализа данных, математического и имитационного моделирования и современные комплексы программ. Полученные данные проверялись экспериментально в лабораторных и производственных условиях.

Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе теоретических результатов и формулируемых на их основе выводов обеспечивается строгостью производимых математических выкладок, базирующихся на аппарате теории автоматического управления, имеющего под собой достаточно жесткую математическую основу. Справедливость выводов относительно предложенной системы управления и алгоритмов управления подтверждена математическим моделированием и численным определением параметров модели объекта и алгоритмов идентификации с помощью экспериментальных данных промышленного процесса производства сока.

Основными статьями экономической эффективности исследуемой системы являются увеличение объемов производства без изменения имеющихся на заводе мощностей (до 24 %) и сокращение потерь от брака на 4 %.

Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры автоматизации производственных процессов ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет».

Публикации. По результатам исследований опубликованы 5 статей, из них 3 - в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК России для публикаций научных работ, 1 статья в региональном журнале и 1 статья в электронном журналах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы составляет 149 страниц, в том числе 31 рисунка, 6 таблицы и 3 страниц приложения. Список использованных источников включает 115 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

очистка ананас шнековый сок

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, изложены полученные автором основные результаты проведенных исследований, показана их научная новизна, практическая значимость, отражены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ современного состояния технологий и оборудования для производства ананасового сока, приведены основные характеристики ананасового сока. Осуществлен патентный поиск, показавший, что все рассмотренные технологии и установки для производства ананасового сока имеют общие недостатки, в связи с чем в настоящее время актуальна проблема повышения эффективности извлечения ананасового сока за счет снижения стоимости производственных процессов, тщательного выбора технологического оборудования, синтеза автоматизированных систем с использованием методов математического моделирования, идентификации и оптимизации циклов управления процессом.. Также проведен анализ существующих подходов к формированию систем управления процессом производства сока, позволивший выбрать централизованную систему управления в качестве основы для дальнейших исследований.

Во второй главе рассмотрены вопросы математического моделирования процесса резания ананасов элементарным ножом и математического моделирования процесса прессования плодов ананаса шнековым прессом.

Одной из задач, решаемых в данной главе, является составление математической модели процесса резания ананасов в виде, приемлемом для расчета на ЭВМ. Такой подход позволяет сделать расчет более точным за счет исключения ряда допущений, налагаемых на него при аналитическом решении.

Схема резания ананаса дисковым ножом представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема резания ананаса элементарным ножом

В качестве исходных данных необходимо иметь значения следующих величин: плотности разрезаемого материала с; удельной силы резания материала у ; диаметра дискового ножа 2r; толщины ножа 2д; угла заточки 2б толщины разрезаемого материала H; длины разрезаемого ананаса 2l; скорости подачи материала v_п; скорости поворота ананаса v_a; отношения окружной скорости на кромке ножа г к скорости подачи материала v_п (отклонение скорости л); расстояния h, позволяющего осуществить сквозной рез материала; коэффициента трения материала о нож м; модуля упругости материала Е.

Целью расчета резания ананасов дисковым ножом является определение возникающего усилия резания и его составляющих. В результате нами получены выражения:

- для числа оборотов дискового вала

(1)

- для скорости, с которой элементарный нож врезается в ананас:

(2)

- для глубины погружения элементарного ножа в разрезаемый материал:

(3)

где i - номер элементарного ножа.

Весь цикл расчета ведется для каждого i-го элементарного ножа, для которого необходимо определить удельную силу резания. Количество точек j, по которым ведется построение силовой линии сил трения ножа, зависит от того, выполняется ли условие

< r. (4)

В качестве начального значения R_j для каждого i -го элементарного ножа берется значение r. При невыполнении условия (4), что говорит о слишком крупном шаге Дц, происходит увеличение точек j.

С учетом отличительных особенностей процесса резания ананаса дисковым ножом была определена удельная движущая сила резания ананаса для элементарного ножа:

(5)

где v_i - величина вектора скорости элементарного ножа, равная

(6)

Суммарные составляющие силы резания ананасов определяются интегралами при условии, что количество элементарных ножей , а . Тогда вертикальная и горизонтальная составляющие сил, приложенных к кромочной части ножа равны:

(7)

(8)

Момент на валу дискового ножа от сил, приложенных к кромочной части ножа равен:

(9)

Интегрирование выражений (7) - (9) численными методами при расчете на ЭВМ не представляет особой трудности.

Момент силы трения разрезаемого ананаса о боковые поверхности дискового ножа равен:

(10)

Математическая модель процесса очистки ананасов применима и при расчете резания дисковым ножом других однородных пищевых материалов - мясных полуфабрикатов, сыра, овощей и.т.д. Данная математическая модель имеет четко выраженную теоретическую направленность и позволяет создать на ЭВМ имитационную модель процесса резания ананасов.

После осуществления процесса резки плодов ананаса следующей стадией процесса производства ананасового сока является прессование ананасов с целью получения сока. Для получения ананасового сока в настоящее время используют шнековые прессы.

Выделение сока из плодов - это процесс, происходящий во времени: чем больше времени давление будет действовать на ананас, тем более длительный период времени сок будет стекать, тем ниже сокосодержание жмыха.

Особенностью рассматриваемого пресса является то, что идеальное линейное движение материала в нем не соблюдается. Это объясняется проворачиванием ананасов вместе с валом, наличием зазоров между шнековым валом и барабаном (2 - 3 мм) и ничем не перекрытого центрального угла для установки ножей. В связи с этим часть материала возвращается назад, переходя через нитки витка и центральный угол.

Для учета этого явления необходимо получить значение коэффициента возврата k_в. Этот коэффициент показывает, какая часть мезги из общего потока переходит через нитку витка. Теоретически рассчитать его нельзя, он определяется экспериментально расчетным путем. Для этого на заводе по производству сока, расположенному в свободной экономической зоне г. Калабар (Нигерия) был произведен эксперимент, целью которого было определение коэффициента возврата. В связи с тем, что величина коэффициента возврата зависит от размера выходной щели, а следовательно и от типа шнекового пресса, полученные экспериментальные данные справедливы только для шнекового пресса типа Bucher HP5000. Эксперименты показали, что значение коэффициента возврата незначительно меняется от партии к партии и зависит от характеристик ананаса, которые не подлежат инструментальной поверке, при этом среднее значение коэффициента возврата, полученное в результате 30 опытов равно 0.078.

В результате математического моделирования нами получено выражение, описывающее динамику работы шнекового пресса Bucher HP5000:

[V/( D₁ + D₂)](/p)(dp/dt)=b₁n₁ - a₁n - a₂p (11)

где a₁ = 1.844V ,

a₂ = 1.844V n ₁ ^-2 (/p), (12)

V - свободный объем зеерной камеры; D₁ - всесторонний модуль сжатия материала; D₂- коэффициент эквивалентного объемного расширения; - степень сжатия мезги в барабане; р -давление в прессе; ₁, - плотность сокоматериала в прессе и исходного сырья; n - частота вращения шнека;

n₁ - частота вращения шнекового питателя.

Представим выражение (11) в безразмерной форме

T ф' + ф = k_{1 1} - k_{2 2} (13)

где ф = р / p₀; ₁ = b / b₀; ₂ = n / n_max;

Т = V₂ /D (/p) a₂; k₁ = a₃b₀ / a₂p₀; k₂ = a₁n_max/a₂p₀ (14)

Т.е. шнековый пресс как объект автоматизации при производстве ананасового сока по каналам регулирующих воздействий (₁, ₂) обладает одной постоянной времени, но разными коэффициентами усиления.

В третьей главе рассмотрены вопросы управления давлением в шнековом прессе, как основным регулируемым параметром процесса прессования. Давление непосредственно зависит от частоты вращения вала шнекового пресса при производства сока.

В процессе оптимизации параметров системы стабилизации давления при производстве ананасового сока использовался метод обобщённой линеаризации последовательно включенных нелинейностей. Был осуществлен расчет параметров автоколебаний в системе стабилизации давления в шнековом прессе при использовании релейного регулятора и ПИ-регулятора. В связи с тем, что динамика существующей системы управления даже при оптимальных параметрах регулятора неудовлетворительна, то в качестве одного из возможных путей решения данной проблемы предложена возможность использования цифрового регулятора с учетом сервомотора постоянной скорости, поскольку благодаря отнесению сервомотора к регулятору возможно получить нулевую статическую ошибку как по заданию, так и по возмущению.

Реализация цифрового закона управления должна проводиться по следующему алгоритму:

1) отнеся сервомотор постоянной скорости к объекту управления и считая его идеальным интегрирующим звеним, произвести расчет оптимальных параметров непрерывного регулятора с желаемым законом управления;

2) найти период квантования цифрового регулятора, обеспечивающий отсутствие потери информации в системе управления.

Далее в работе были определены оптимальные параметры цифрового регулятора, работающего в комплекте с сервомотором постоянной скорости.

Задача оптимизации параметров пропорционального регулятора решена графоаналитическим способом и найдено оптимальное значение Кр = 0, 526.

В работе доказана целесообразность использования П-регулятора, позволяющего на 60% снизить динамическую ошибку и на 700 с - время переходного процесса по сравнению с ПИ-регулятором.

В четвертой главе приводится описание усовершенствованной установки для производства ананасового сока (рис.2)

Рис. 2. Усовершенствованная установка для производства ананасового сока

Установка работает следующим образом. Вымытые плоды ананасов со склада хранения поступают при помощи ленточного конвейера на устройство измельчения. Благодаря сужающемуся корпусу ананасы измельчаются вращающимися лезвиями ножей на мелкие части, чтобы пройти через ограничительное сито в питательный бункер шнекового пресса. Давление в шнековом прессе увеличивается при перемещении ананасов по сужающейся части пресса. Получаемый сок вытекает через отверстия в стенках пресса, диаметр которых зависит от типа фрукта.

Использование предложенного оборудования позволяет максимизировать количество производимого сока. За счет продольной перфорации шнекового пресса, при максимальном времени нахождения сырья в оборудовании, равном 5 минутам и постоянном давлении пресса 4 бар, максимальная доля мякоти в получаемом соке составляет примерно 5 %. Проведенные эксперименты показали, что количество ананасового сока при переработке ананасов нестандартных размеров и формы увеличилось на 24%.

Далее в работе приведены рекомендации по реализации автоматической системы управления процессом производства сока; описана разработанная система измерительной системы подачи ананасов в пресс; разработана система измерения основных параметров в комбинированном устройстве дробления и прессования; разработана трехуровневая автоматизированная система управления процессом производства сока, в которой на нижнем уровне осуществляется управление отдельными агрегатами; на среднем уровне используется программируемый логический контроллер ADAM-5000; на верхнем уровне используется персональный компьютер с установленной объектно-ориентированной SCADA-системой MasterSCADA, производства компании Инсат. Данная SCADA-система позволяет записывать информацию о ходе технологического процесса на компьютер в виде табличных и графических данных.

В заключении обобщаются теоретические и практические результаты, полученные при выполнении диссертационной работы.

В библиографическом списке приведена литература в алфавитном порядке.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В представленной диссертации изложены методологические основы автоматизированного управления процессами производства ананасового сока, содержащие математическое, методическое и алгоритмическое обеспечение автоматизированных систем управления объектов по производству соков.

2. Анализ существующих технологий производства сока показал, что критерием оптимальности может служить комплексный показатель качества сока, основанный на эффективном управлении процессом извлечения сока. Поскольку средства автоматизации в цехах извлечения при производстве сока обеспечивают только стабилизацию режимных технологических параметров, что является сдерживающим фактором для проведения комплексной автоматизации всего технологического процесса, была сформулирована задача исследования процесса извлечения сока из плодов ананаса с целью создания АСУТП.

3. Разработана математическая модель процесса очистки ананасов дисковым ножом, в которой приведен расчет основных параметров резки, имеющая четкую теоретическую направленность и предназначена для создания имитационной модели на ЭВМ.

4. Экспериментально получено значение величины коэффициента возврата для шнекового пресса Bucher HP5000 равное 0.078.

5. Разработана теоретическая и экспериментальная математическая модели шнекового пресса, в результате чего доказано, что шнековый пресс как объект автоматизации при производстве ананасового сока по каналам регулирующих воздействий обладает одной постоянной времени, но разными коэффициентами усиления.

6. Доказано, что увеличение относительной степени затухания переходного процесса в шнековом прессе приводит к снижению динамического заброса на 70 %, и в 2 раза уменьшает время переходного процесса.

7. Доказана целесообразность использования П-регулятора, обеспечивающего требуемые значения показателей качества переходных процессов в системе управления давления в шнековым прессе.

8. Разработан метод автоматического контроля и управления процессом извлечения сока на основании полученной математической модели процесса резания и прессования сока, позволяющий использовать общепромышленные средства измерения и автоматизации.

9. Внедрение АСУ ТП производства сока, реализованная на ООО «Pineapple juice Factory» (г.Калабар, Нигерия), позволило добиться увеличения объема выпуска продукции на 20% без изменения имеющихся на заводе мощностей и сократить потери от брака с 7% до 3%.

ЛИТЕРАТУРА

1. Экпеньонг Э.Э. Совместное использование экструдера и шнекового пресса при производстве ананасового сока Ред. Журн. «Изв. вузов. Пищевая технология» - Краснодар, 2008. - 3 с.: ил. - Рус. - Деп. В ВИНИТИ 04. 05. 2008 № 385 - В2008.

2. Экпеньонг Э. Э., Пиотровский Д. Л. Структурная идентийикация технологического процесса производства ананасового сока. Ред. Журн. «Изв. вузов. Пищевая технология» - Краснодар, 2008. - 5 с.: ил. - Библиогр. 3 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 04. 05. 2008 № 386 - В2008.

3. Экпеньонг Э. Э., Пиотровский Д. Л.. Математическая модель процесса резания ананасов элементарным ножом [Текст] / Э. Э. Экпеньонг, Д. Л. Пиотровский // В мире Научных открытий. - № 2(02) апрель 2009.- С. 27 - 31.

4. Экпеньонг Э. Э., Пиотровский Д. Л. Исследование и выбор технических свойств автоматизации процесса производства ананасового сока [Текст] /Э. Э. Экпеньонг, Д. Л. Пиотровский // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2009.

5. Экпеньонг Э. Э., Пиотровский Д. Л.. Математическая модель процесса резания ананасов элементарным ножом [Текст] /Э.Э. Экпеньонг, Д.Л. Пиотровский // Известия высших учебных заведений. Пищевая Технология №2-3 `2009. C. 65- 67.

Размещено на Allbest.ru