Содержание к диссертации
Введение
1 . Анализ состояния автоматизации мойки технологических объектов
1.1 Современное состояние автоматизации процессов проведения мойки технологических объектов 7
1.2 Физико-химические и технологические особенности проведения мойки технологических объектов
1.2.1 Молочное загрязнение осадков на стенках аппаратов 12
1.2.2 Механизм формирования жировых отложений на внутренней поверхности молокопроводов и теплообменного оборудования 19
1.2.3 Классификация загрязнений и некоторые замечания по удалению загрязнений 22
1.2.4 Обзор и требования к применяемым химическим санитарным средствам 27
1.2.5 Мойка и дезинфекция как меры санитарной обработки 29
1.2.6 Постановка задачи исследования 42
Выводы 44
2. Формализация задач управления процессом мойки .
2.1 Адаптивная система управления. Выбор принципа управления для реализации адаптивной системы управления мойкой 45
2.2 Математическое описание смыва загрязнений с внутренней поверхности 48
Выводы 58
3. Синтез САУ процессами мойки
3.1 Синтез адаптивной системы управления внутренней мойки оборудования 59
3.2 Расчет параметров, характеризующих загрязнение технологического оборудования Выводы 77
4. Техническая реализация адаптивной системы управления мойкой оборудования городского молочного завода .
4.1 Состав и характеристики системы управления 78
4.2 Техническая реализация результатов теоретических исследований
4.2.1 Влияние физических величин на оценку степени загрязненности оборудования 96
4.2.2 Алгоритм работы адаптивной системы управления мойкой оборудования 98
4.3 Результаты внедрения адаптивной системы управления 101
4.4 Перспективы развития работы по оптимизации управления мойки оборудования 102
Выводы 103
Заключение 104
литература 105
приложения 113
- Современное состояние автоматизации процессов проведения мойки технологических объектов
- Физико-химические и технологические особенности проведения мойки технологических объектов
- Адаптивная система управления. Выбор принципа управления для реализации адаптивной системы управления мойкой
- Расчет параметров, характеризующих загрязнение технологического оборудования
Введение к работе
По мере развития в нашей стране рыночных отношений российские предприятия стали осознавать, что без радикального решения проблемы качества едва ли возможен успешный выход из экономического кризиса, формирование эффективной рыночной экономики, интегрирование в мировое хозяйство.
Доказательство качества становится необходимым коммерческим аргументом при заключении контрактов, а качество- определяющим фактором конкурентоспособности продукции.
Совершенствование качества- постоянный процесс, им должна управлять хорошо организованная система, стратегией которой является распространение менеджмента качества на все структурные подразделения, а тактикой- сочетание новых прогрессивных технологий с профессиональной подготовкой персонала.
Менеджмент качества осуществляется с помощью трех фундаментальных процессов:
Планирование качества.
Контроль качества.
Совершенствование качества.
Одними из основных аспектов управления качества являются:
1. Разработка процесса, который позволит произвести товар или
услугу в соответствии с запланированными характеристиками.
В производственном процессе должна быть заложена
процедура, обеспечивающая соответствующую
потребительскую характеристику. Если существующий производственный процесс хотя бы по одному из параметров не отвечает требованию получения товара или услуги с
запланированными свойствами, нужно разработать новый
процесс.
2. Разработка механизмов контроля процессов производства
товара или услуги. Каждой потребительской характеристике
соответствует характеристика процесса производства,
обеспечивающая заданные свойства и соответствующий
механизм контроля. Определяется объект контроля, единица, в
которой будет выражаться оценка, масштаб допустимых
отклонений и метод оценки.
Значение гигиены в процессе производства продуктов питания
очень велико. Достаточно сказать, что от того, насколько чистым и
стерильным является промышленное помещение и оборудование, на
котором изготавливается продукт, зависит не только его вкус, набор
полезных качеств и возможность хранения, но и, без всякого
преувеличения, жизнь и здоровье потребителей.
Предприятия молочной промышленности, выпускающие продукты, ежедневно используемые потребителями различных возрастов, следят за соблюдением рецептуры изготовления самого товара так же серьезно, как и за процессом обработки помещений и оборудования /14/.
Многие фирмы по всему миру ведут разработки в области создания оптимальных по своим технологическим и экологическим параметрам средств для мойки и дезинфекции оборудования пищевой промышленности.
В директиве Европейского союза 93/43/ЕЕС (январь, 1996) показана необходимость принятия мер для обеспечения безопасности продукции, предусматривается внедрение на пищевых предприятиях системы автоматизированного контроля, основанной на идентификации
параметров в критических точках. Данная директива основана на принципах метода ЫАССР (Hazard Analysis Critical Control Point), позволяющего гарантировать безопасность продукции.
Мойка и дезинфекция является одной из основных технологических операций молочной промышленности. Для успешного решения проведения качественной мойки потребуется создание нового, а также совершенствование существующего технологического оборудования, применение адаптивных систем управления, использующих получаемую в процессе функционирования информацию для уточнения и прогнозирования характеристик технологического процесса, коррекции на этой основе алгоритмов определения управляющих воздействий встроенных систем автоматического управления контроля качества с использованием микропроцессоров.
Вышеизложенное в силу своей актуальности определило тему диссертационной работы, посвященной исследованию проведения гарантированно качественной мойки технологического оборудования, введение адаптивности в процесс проведения моечного процесса.
Цель диссертационной работы: заключалась в введении текущего анализа загрязненности оборудования во время проведения процесса мойки и как следствие создание адаптивной системы управления мойкой оборудования городского молочного завода.
Научная новизна:
Разработан и представлен новый принцип подхода к моделированию;
Получена математическая модель смыва загрязнений на базе недетектирующих элементов, отвечающая основным концептуальным представлениям о механизме процесса смыва загрязнений;
Разработан новый метод синтеза управления мойкой оборудования;
Разработана методика проведения анализа степени загрязнеЕШости оборудования, предложен новый подход по управлению и контролю за моечным процессом;
Разработан алгоритм управления адаптивной системы управления при проведении моечного процесса (происходит подстройка структуры модели в соответствии с текущим состоянием загрязненности оборудования соответственно с изменением функции управления).
Практическая ценность.
Применение разработанного способа адаптивного управления системы мойкой повышает эффективность проведения процесса мойки оборудования, даёт возможность контроля за качеством мойки, приводит к уменьшению времени мойки оборудования до 15%, уменьшению ресурсов по проведению мойки оборудования (уменьшение потребления количества моющих средств до 5%, уменьшение количества затрат на энергоносители до 7%), а также происходит повышение эффективности использования оборудования по сравнению с существующими способами при показателях качества мойки, отвечающим требованиям ГОСТ.
Реализация и внедрение результатов исследований.
На основании выполненных исследований и предложенных технических решений внедрена и успешно работает адаптивная система управления мойкой оборудования на следующих предприятиях молочной промышленности:
ОАО Лианозовский молочный комбинат (компания Вимм-Биль-
Данн) Линия по производству йогуртов и десертов.
Внедрение - с июня 2004г; ЗЛО «Компания «Нутритек» (завод по производству детских
сухих молочных смесей).
Линия по производству детского и специального питания.
Внедрение - с сентября 2004г;
Результаты работы подтверждены актами о внедрении.
В первой главе сделан обзор существующего оборудования и систем автоматизации объектов мойки и моечных станций. Показан механизм отложения загрязнений и зависимость факторов, влияющих на количество отложений загрязнений. Приведена классификация загрязнений и их химический состав. Выделены основные факторы, влияющие на процесс мойки оборудования. Дана классификация моющих растворов, сформулированы основные требования к моющим растворам. Дана общая характеристика и осуществлен анализ процесса смыва загрязнений, в результате чего сформулированы основные цели и задачи исследования.
Вторая глава посвящена разработке математического описания процесса смывания загрязнений. Предложена структура модели смывания загрязнений с поверхности оборудования. Представлена передаточная функция одного элемента модели с возможными состояниями в терминах детектирующих звеньев и недетектирующих элементов. На основе сформулированных принципов автоматизации определены свойства системы.
В третьей главе описан синтез адаптивной системы управления мойки оборудования. Первоочередной задачей этой главы, является получение функции управления. Описание связи между физическими величинами, характеризующими процесс контроля мойки оборудования
и физическими величинами, влияющими на процесс очистки оборудования.
В четвертой главе рассмотрено аппаратное оснащения и предложен алгоритм решения задачи адаптивного управления. Так же приводится пример реализации управления моечным процессом на городском молочном заводе.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы на различных
этапах ее выполнения докладывались и обсуждались на четвертой
международной научно-технической конференции «Пища, экология,
человек» (Москва, 2001 г), на научно-технической конференции «Мойка
технологического оборудования» (Германия, Гамбург, 2002г), пятом
международном симпозиуме «Интеллектуальные системы
INTELS2002» (Калуга, 2002г.), на тематических семинарах по гигиене молочных производств, организованных компанией «Anti-Germ Gerhard Ruff» (Москва, Самара, Нижний Новгород -2004г., Челябинск, Волгоград, — 2005г), и компанией «Dr. Weigert» (Москва, -2003 г., Санкт-Петербург, Краснодар-2004г., Москва 2005г).
Публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано 3 печатных работы.
Основные положения, выносимые на защиту:
Математическая модель смыва загрязнений;
Метод синтеза управления мойкой оборудования;
Обоснование и выбор принципа управления;
Алгоритм адаптивного управления процессом мойки в соответствии с текущим состоянием загрязненности оборудования соответственно с изменением функции управления.
Современное состояние автоматизации процессов проведения мойки технологических объектов
Санитарно-гигиеническое состояние технологического обо-рудования молочной промышленности в значительной степени влияет на качество молочной продукции. Правильный уход за оборудованием, мойка и дезинфекция исключают образование благоприятной среды для развития микрофлоры на его поверхности /13, 48/.
При хранении, транспортировке и переработке молока образуются различного рода загрязнения, содержащие его составные части /32/. Молоко -хорошая среда для развития множества бактерий, в том числе и болезнетворных /36/. Даже следов органических веществ достаточно микроорганизмам, чтобы они начали размножаться в этой среде.
Любая деятельность микроорганизмов приводит к физическому и химическому изменению продуктов. Как правило, эти изменения нежелательны, так как приводят к снижению качества- изменению консистенции, кислотности, органолептических показателей, а иногда и к порче продукции /29/. Во избежании этого на предприятиях молочной промышленности осуществляется очистка оборудования после каждого цикла производства.
В молоко перерабатываю щем производстве процессы проведения мойки технологического и фасовочного оборудования в большинстве случаев производятся безразборно (MoHKa-Ha-MecTe=CIP=Cleaning-in-Place).
В состав стандартной моечной станции входят следующее оборудование и узлы: танки для хранения моечных растворов: танк с рабочим раствором щелочи, кислоты, дезинфектанта, промывочной воды, чистой воды, нейтрализации; клапанные гребенки подачи моющих средств на объекты от танков хранения моечных растворов; клапанные гребенки возврата моющих средств с объектов в танки моющих средств; теплообменники для нагрева моющих средств до заданной температуры; система фильтров на подаче и возврате моющих средств; система автоматического регулирования и контроля за температурой на подаче моющих средств; система автоматического контроля за температурой на возврате моющих средств; система автоматического регулирования и контроля за расходом моющих средств на линиях подачи; система автоматического дозирования концентрированных моющих средств; система автоматического поддержания и контроля наличия, концентрации моющих рабочих растворов; система блокировок для безопасного обслуживания сменным персоналом моечной станцией. Ведется контроль за положением различных исполнительных механизмов, при этом блокиругоется процессы на моечной станции; система контроля качества за проведением моечного процесса по: расходу моющих средств, температуре на возврате моющих средств, концентрации растворов на возврате, времени прохождения каждого этапа мойки, наличия ошибок на исполнительных механизмах. При соблюдении указанных выше контрольных характеристик моечный процесс считается качественно завершенным; Система анализа разрешения начала проведения моечного процесса; Система диагностики неисправностей и выдача сообщений о неисправностях на станцию визуализации (панель оператора и т.д.) для принятия мер по устранению дефектов.
Фирмами поставщиками автоматических моечных станций являются: GEA Tuchenhagen GmbH, GEA Westfalia Separator GmbH, Tetra Pak, DrWeigert и др. Схемы моечных станций приводится в приложении 6.
В состав теплообменного технологического оборудования /схема приводится в приложении 5/ включаются следующие компоненты для проведения моечного процесса: Система танков с концентрированными моечными растворами; Система контроля и поддержания наличия концентрированных моечных растворов в системе танков (при наличии у заказчика единой системы хранения и подачи концентрированных моющих средств); Система дозирования и контроля концентрированных моечных растворов в теплообменное оборудование; Система регулирования и контроля температуры во время проведения моечного процесса;
Физико-химические и технологические особенности проведения мойки технологических объектов
Возможен следующий механизм формирования жировых отложений на внутренней поверхности молокопроводов и другого оборудования для транспортировки и переработки молока. Совместное движение молока и воздуха, например, в молокопроводе, при передаче молока через балансный бак приводит к образованию воздушно-молочной эмульсии и обуславливает возникновение сильноразвитой поверхности раздела фаз плазма- жировые шарики и плазма- воздух, что в свою очередь, вызывает перераспределение концентрации белково-липидной оболочки в пограничных слоях контактирующих фаз. При столкновении частиц часть поверхностно-активной оболочки отрывается от жировых шариков, переходят на поверхность воздушного пузырька. Жировые шарики становятся гидрофобными, лишаются части защитного слоя и притягиваются (флотируются) поверхностью воздушного пузырька. Жидкая фракция жира на его поверхности, да и на сами жировые шарики, лишившись защитной гидрофильно-липоидной оболочки, активно способствуют зарождению и росту определенной части кристаллов жира, как на этих поверхностях, так и на охлажденных стенках молоко проводящих систем.
В принципе, все твердые соединения в благоприятных условиях стремятся образовать кристаллы. В настоящее время получила наибольшее распространение идея образования зародышей кристаллизации не за счет флуктуации, а путем кристаллизации на уже готовых поверхностях раздела фаз, и в частности на поверхности технологического оборудования за счет межмолекулярного притяжения.
По окончании доения для удаления остатков молока молоко проводы, замкнутые системы промывают холодной или теплой водой. При этом с жировых шариков и образовавшихся на поверхности оборудования пристенных отложений на основе жира частично или полностью отделяется оболочечное вещество. Молочные тельца и обол очен ггые вещества играют основную роль в процессах образования белково-липидных пленок на поверхности доильно-молочного оборудования, со временем переходящий в твердый осадок, так называемый молочный камень. В некоторых случаях молочные тельца могут возникать также вокруг мелких твердых минеральных частиц жира, уже находящихся на стенках оборудования, в молоке и смывных водах.
Следует отметить, что на процесс образования твердых отложений определенное влияние оказывают минеральные соли и особенно соли кальция, как в самом молоке, так и в жесткой воде, используемой для обработки молочного оборудования.
Процесс образования загрязнения на поверхности оборудования происходит поэтапно. В начальной стадии происходит разрушение защитного слоя вокруг жировых шариков, образование неустойчивых молочных телец и макрозерен масла. В промежуточной стадии наблюдается возникновение центров адгезии и кристаллизации на поверхности оборудования с последующим ростом жировых загрязнений и гелеобразных отложений. На последнем этапе соли кальция, входящие в состав молока и промывочных жидкостей, создают армирующий скелет высокой прочности и закрепляют загрязнения на поверхности оборудования, образуя твердые отложения в виде молочного камня.
В результате термического воздействия на молоко при пастеризации и стерилизации происходит коагуляция белков, которые выпадают в осадок, что способствует интенсификации и ускорению сложных физико-химических процессов образования твердых отложений на поверхности оборудования. Эти загрязнения более минерализованны и удерживаются на поверхности за счет прочных связей через сеть микротрещин на оборудовании, а также за счет хемоадсорбционного взаимодействия. Они образуются в основном на поверхности пластин стерилизаторов, пастеризаторов, молокопроводе в, коллекторов и любого другого молочного и перерабатывающего оборудования при нерегулярном и неправильном его обслуживании использовании. Слой твердого осадка, который появляется со временем на поверхности не подверженного воздействию высоких температур оборудования- как правило, результат взаимодействия молока, жесткой воды и неэффективных моющих средств, например кальцинированной соды, по прежнему используемой некоторыми предприятиями, прежде всего, расположенными в сельской местности и в небольших городах.
Вид и характер связей загрязнений с поверхностью оборудования являются важными характеристиками, определяющими выбор технологических и химических средств для их удаления. От адгезии загрязнений и силы связи их с очищаемой поверхностью зависят продолжительность и скорость процесса очистки /12/.
Адаптивная система управления. Выбор принципа управления для реализации адаптивной системы управления мойкой
Согласно /22/ адаптивные системы управления различают следующих классов: неоптимальные и оптимальные (субоитимальные) с упрощенной полной моделью.
Неоптимальная адаптивная система управления характеризуются слабой параметрической чувствительностью. Недостаток априорной информации требует введения избыточных искусственных связей и как следствие значительной энергии управления.
Субоптимальная адаптивная система использует пути снижения быстродействия за счет декомпозиции и использовании упрощенных моделей как в подсистемах оценивания и идентификации так и подсистемах формирования управляющих воздействий. Декомпозиция и построение упрощенных математических моделей можно производить различными способами, т.е. возможно большое количество вариантов.
Оптимальная адаптивная система управления с полной моделью состоит из оптимальной системы оценивания и идентификации и системы оптимального управления. Состояние объекта управления контролируется посредством датчиков. Вектор сигналов контроля состояния поступает в подсистему оценивания и идентификации. На выходе из этой подсистемы формируется оценка вектора состояния полной математической модели обьекта управления. Подсистема оптимального управления на основе модели формирует математическое воздействие.
В системах оптимального управления в отличие от неоптимальной возможно снижение требуемой вычислительной производительности за счет оптимального выбора иерархической структуры модели.
Из анализа различных вариантов адаптивных систем управления была выбрана оптимальная система, которая может быть реализована исходя из сегодняшних знаний о процессе смыва загрязнений, из полученных литературных источников и эксперимента, а также технических возможностей для реализации системы управления. Алгоритм данной системы представлен на рис.2 Л.
Управляемый процесс контролируется (наблюдается) посредством первичных измерительных преобразователей (датчиков). Вектор сигналов наблюдения z поступает в систему (модуль) оптимального (субоптимального) оценивания и идентификации. На выходе этой системы формируется оценка х" вектора состояния и оценка вектора параметрові» принятой достаточно полной математической модели управляемого процесса (имеется в виду параметрическая идентификация). Система оценивания и идентификации, помимо формирования оценок "х, "а, может выявлять отказавшие датчики и каналы и выдавать сигналы реконфигурации. Функции реконфигурации на рис.2.1 не отражены.
Система (модуль) оптимального управления (нижний блок) на основе указанной модели управляемого процесса, текущей оценки вектора состояния и критерия оптимизации (целевой функции), поступающей от системы старшего уровня, формирует оптимальное управление и. Это управление воздействует на управляемый процесс и используется в модуле оценивания и идентификации.
Для реализации принятой структуры адаптивной системы управления необходима математическая модель процесса смывания загрязнений. В связи с этим была поставлена задача, прежде всего, разработать математическую модель объекта управления.
В соответствии с отечественными и зарубежными исследованиями /45,46,47/ характер и структура загрязнений на внутренних поверхностях теплообменного оборудования может быть представлена так, как показано на рисунке 2.2:
Основу составляют жировые отложения. Белковые и минеральные загрязнения вкраплены в жировую основу. При мойке щелочными моющими растворами удаляется жировая основа и вместе с ней частично белковые и минеральные отложения. Остатки пригоревшего жира, белковые и минеральные загрязнения смываются кислотными рабочими растворами. Структуру модели смывания загрязнений с поверхности оборудования можно представить в виде схемы, представленной на рис. 2.3.
Расчет параметров, характеризующих загрязнение технологического оборудования
Задача автоматизации адаптивной системы управления мойкой оборудования была реализована на децентрализованной и центральной структуре автоматизации. Непосредственно структура определялась самим технологическим процессом производства или производственным циклом. По децентрализованной структуре реализована система управления производством йогуртов и пудингов, так как полный процесс производства состоит из частичных процессов. В этом случае каждому участку технологического процесса подчинена собственная система автоматизации. По центральной структуре реализована линия по производству детского и специального питания на производстве детских и молочных смесей.
В состав схемы управления (см. схемы 4.1 и 4.2), входят следующие компоненты: - Контроллер/ контроллеры, удаленные станции ЕТ; - Панели и станции оператора; - Сервера баз данных; - Инженерная станция и программатор; - Сети для передачи данных; - Датчики и исполнительные элементы; Техническая реализация системы производилась на двух сериях контроллеров фирмы Сименс: S5-115U и S7-400.
Контроллер фирмы Сименс серии S5-115U используется для построения систем автоматического управления средней степени сложности. Он может комплектоваться одним из пяти модулей центральных процессорных элементов: CPU941...CPU945. Контроллер состоит из центрального блока со стойкой CR700 и устройств расширения (EG со стойкой ER701 или EG 183U/ 185U; ЕТ 100U; ЕТ 200U/B/C). Центральный блок всегда комплектуется блоком питания и центральным процессором. Устройства расширения подключаются к центральному блоку через интерфейсные модули. Контроллер допускает использование централизованных и распределенных конфигураций /19/.
Программирование контроллера производится на языке STEP 5. Программа может быть представлена в виде блок-схем управления (Control System Flowchart — CSF), диаграмм лестничной логики (Ladder Diagram — LAD), списка инструкций (Statement List — STL). Написание программ для автоматизации последовательных процессов может выполняться с помощью дополнительного пакета GRAPH 5. Пакет работает под управлением STEP 5. Для программирования контроллеров с центральным процессором CPU 945 может выполняться с помощью языка высокого уровня SCL /15/.
Контроллер способен обеспечивать обмен данными по РР1 интерфейсу, а также работать в сетях SINEC LI, PROFIBUS и Ethernet.
Модульные контроллеры SIMATrC S7-400 предназначены для решения сложных задач автоматизации технологических процессов. Наличие большого перечня модулей (носителей, центральных процессоров, коммуникационных процессоров, функциональных модулей, сигнальных модулей) позволяет выбрать оптимальную по показателю производительность/стоимость конфигурацию контроллера. Для программирования применяется полнофункциональный язык программирования STEP7 и дополнительные инжиниринговые пакеты. Модули S7-400 имеют блочную конструкцию для шарнирного монтажа в стойке. Имеются в распоряжении стойки расширения для дополнения системы.
Программируемый контроллер S7-400 соединяет все преимущества предшествующей системы с преимуществами новой системы и нового программного обеспечения /20/. Важнейшие функции и характеристики /15/ Высокое быстродействие: время выполнения логических операций, операций со словами, операций сложения чисел с фиксированной точкой составляет ОДмкс, время выполнения операций сложения чисел с плавающей точкой- 0,6мкс; Мультипроцессорный режим работы (до 4 CPU); Функции диагностирования и диагностический буфер; Встроенные функции для отображения / управления; Программное параметрирование модулей; Высокая плотность монтажа в шкафу (размер модуля, занимающего 1 установочное место 12,5 х 290 х 217мм); Работа без принудительной вентиляции; Высокая устойчивость к вибрации; Замена модулей под напряжением; Функции часов, Счетчик времени работы; Маскирование тревог, копирование данных; Обработка ошибок; Математические функции, SFB для коммуникации (CFB); Встроенный интерфейс MPI (до 12Мбит/сек), пригодный для простых сетевых решений; Все модели процессоров имеют дополнительные встроенные интерфейсы ProfiBus DP;
