Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ технологии, теоретических и экспериментальных исследований процессов смешивания и прессования 7
1.1 Особенности технологии производства макаронных изделий 7
1.2 Реологическая модель макаронного теста 12
1.3 Обзор математических моделей процесса смешивания 14
1.4 Обзор математических моделей процесса прессования (экструзии) 22
1.5 Особенности оптимизации и управления технологическими процессами в пищевой промышленности 26
2 Построение математических моделей процессов смешивания и прессования макаронного теста 33
2.1 Математическая модель процесса смешивания в рабочем пространстве смесителя 32
2.2 Математическая модель прессования (экструзии) макаронного теста 43
2.3 Идентификация математических моделей смешивания и прессования 53
3 Экспериментальные исследования процессов смешивания и прессования макаронного теста 58
3.1 Объекты и методы исследований 58
3.2 Обработки результатов измерений 72
4 Анализ процессов смешивания и прессования макаронного теста и выявление оптимальных технологических режимов 74
4.1 Обоснование выбора управляемых параметров 74
4.2 Методика оценки устойчивости и быстродействия нелинейной системы управления 79
4.3 Выявление диапазонов значений параметров процессов смешивания и прессования 87
5 Практические результаты работы 96
5.1 Алгоритм управления процессами смешивания и прессования при производстве макаронных изделий 96
5.2 Расчет экономической эффективности от внедрения 103
Заключение и общие выводы 107
Список использованных источников 109
Приложения
- Особенности технологии производства макаронных изделий
- Математическая модель процесса смешивания в рабочем пространстве смесителя
- Объекты и методы исследований
- Обоснование выбора управляемых параметров
Введение к работе
Актуальность темы. Макаронные изделия универсальный и широко распространенный продукт питания. Производство макаронных изделий осуществляется на макаронных прессах, сочетающих два процесса: смешивание и прессование, в результате которых происходит формирование структуры макаронных изделий, в большой степени обеспечивающей качество получаемого продукта. Технологические режимы проведения данных процессов зависят от состава мучного сырья, соотношение основных компонентов которого может меняться.
Автоматизация макаронных прессов, на сегодняшний день, заключается в автоматической подаче муки и жидких ингредиентов, а настройка режимов работы оборудования и контроль качества осуществляется технологом. При этом: длительность анализов составляет до 3 часов, а качество регулирования зависит от квалификации технолога.
Существующие автоматические системы управления технологическими режимами не позволяют своевременно вносить изменения в технологический процесс, что снижает качество конечного продукта и приводит к производству до 10% брака. Применяемое оборудование отличается повышенной эиерго- и материалоемкостью.
Таким образом, существует необходимость создания автоматической системы управления, которая позволяла бы поддерживать оптимальные режимы смешивания и прессования и оперативно изменять их с изменением свойств исходного сырья.
Работа выполнена в рамках темы «Совершенствование биотсхнологических производств и кормоприготовлепия», включенной в тематический НИР Оренбургского государственного университета на 2000-2008гг. (г.р. № 01960005780)
Целью работы является повышение качества макаронных изделий за счет создания системы управления па основе автоматизации процессов смешивания и прессования макаронного теста.
4 Задачи исследования:
1) исследовать теоретические аспекты процессов смешивания и прессования,
выявить управляемые параметры, наиболее полно оценивающие качество
конечного продукта;
2) с учетом выбранных параметров разработать математические модели
процессов смешивания и прессования;
3) разработать схему системы управления и экспериментально исследовать
показатели качества управления;
4) выявить границы диапазонов показателей эффективности процессов
смешивания и прессования макаронного теста и режимы, обеспечивающие
попадание в эти границы;
5) разработать алгоритм управления процессами смешивания и прессования
макаронного теста и схему автоматизации.
Объект исследований: производственные процессы смешивания и прессования макаронного теста.
Методы исследования: методы математического моделирования, дифференциального и интегрального исчисления, механики сыпучих и пластичных материалов (реологии), теории автоматического управления, измерительной техники, многофакторного эксперимента.
Научная новизна работы:
разработана схема управления процессами смешивания и прессования макаронного тсс га, на основе контроля вращающего момента перерабатываемого материала;
сочетание метода сшивания и срединного исследования динамических свойств позволило разработать методику оценки устойчивости и быстродействия нелинейной системы управления;
3) выявленные зависимости параметров качества сырых макаронных изделий от управляющих воздействий положены в основу алгоритмов управления процессами смешивания и прессования.
Практические результаты работы:
разработан смеситель с электроконтактной обработкой замеса, позволяющий регулировать сочетание механического и элсктрокоптактного энергоподвода в процессе смешивания макаронного теста с целью достижения наиболее оптимальных энергозатрат;
разработано программное средство для графоаналитического анализа технологических процессов (свидетельство о регистрации в Фонде алгоритмов и программ Оренбургского государственного уииверсистета);
разработана установка для смешивания и экструдировапия макаронного теста с автоматическим контуром управления (патент РФ на изобретение № 2338442);
разработано техническое устройство для испытания пищевых материалов на растяжение (патент РФ на изобретение № 2293316).
Использование результатов работы. Результаты исследований опробованы и переданы ООО «Сладкая жизнь» (г.Оренбург).
Программное средство «Обработка результаюв многофакторного эксперимента на основе композиционного ортогонального плана ПФЭ 23» внедрено в учебный и научно-исследовательский процессы кафедр «Пищевая биотехнология» и «Машины и аппараты пищевых и химических производств» Оренбургского государственного университета.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены па региональных научно-практических конференциях молодых ученых и специалистов Оренбургской области (Оренбург, 2004, 2005 гг.), на второй международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (Воронеж, 2004 г.), па Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития пищевой промышленности России» (Оренбург, 2005 г.), на IV международной научно-практической конференции «Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг» (Орел, 2007 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии обеспечения безопасности питания и окружающей среды» (Оренбург, 2007 г.), на первой
научно-практической конференции и выставке с международным участием «Управление реологическими свойствами пищевых продуктов» (Москва, 2008 г.), а также на расширенном заседании кафедры систем автоматизации производства. Положения, выносимые на защиту:
предложено и экспериментально подтверждено использование вращающего момента для управления процессами смешивания и прессования макаронного теста;
математические модели процессов смешивания и прессования макаронного теста;
методика оценки устойчивости и быстродействия нелинейной системы;
диапазоны показателей эффективности процессов смешивания и прессования макаронного теста и технологические режимы этих процессов для пяти видов матриц макаронного пресса;
алгоритм управления процессами смешивания и прессования макаронного теста и схема автоматизации установки для смешивания и прессования макаронного теста с использованием электроконтактной обработки замеса.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 14 работ, в том числе 1 статья в научном журнале, входящем в перечень ВАК, получено 4 патента РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 116 наименований, 9 приложений. Общий объем работы составляет 147 страниц, включая 35 рисунков, 7 таблиц.
Автор выражает благодарность к.т.н., доценту Попову Валерию Павловичу за оказанное содействие в разработке основных положений диссертационной работы.
Особенности технологии производства макаронных изделий
Макаронные изделия изготовляли с незапамятных времен: вплоть до середины XIV в. макаронные изделия изготовляли только в домашних условиях, в Италии в конце XIV в. начали применять примитивную технику[63]. Главными и в большинстве случаев единственными его компонентами являются мука и вода. Для производства традиционных видов макаронных изделий используют муку из твердой пшеницы, для более дешевых сортов используют муку стекловидной и мучнистой мягкой пшеницы. В последнее время развивается производство макаронных изделий из продуктов переработки зерна и семян различных растительных культур, плодов клубневых культур, а также побочных продуктов их переработки. При смешивании компонентов макаронного теста добавляют гораздо меньше воды, чем при приготовлении, например, хлебного теста. Это количество составляет примерно половину того, которое могут поглотить основные компоненты муки - крахмал и белок. Поэтому макаронное тесто после смешивания, условно называется замесом и представляет собой сыпучую массу увлажнённых комочков и крошек, а не связанное пластичное тесто, что обычно подразумевают под этим названием. Уплотнённое вязкопластичиое тесто получается из этой сыпучей массы после дальнейшей доработки - прессование его под большим давлением в шпековой камере макаронного пресса [68,110].
В зависимости от температуры воды, поступающей па замес макаронного теста, различают три типа замеса: - горячий — при температуре воды 75...85 С; - теплый — при температуре воды 50...65 С; - холодный — при температуре воды ниже 30 С [63,68].
Процесс смешивания муки и воды в тестомесителе осуществляется непрерывно. Дозирование муки и воды должно осуществляться очень точно. Ведь даже незначительное отклонение дозировки воды в любую сторону существенно изменит свойства теста.
В зависимости от влажности различают три типа замеса: - твердый — влажность теста 28.. .29%; - средний — влажность теста 29, 1.. .31 %; - мягкий - влажность теста 31,1.. .32,5%. Влажность замеса зависит от ряда факторов: а) качество и количество клейковины; б) вида макаронных изделий (короткорезанные, длинные); в) крупности помола; г) конструктивных особенностей формовочного оборудования.
При непрерывном смешивании количество энергии, необходимое для образования теста, является решающим фактором. Расход ее зависит от качества муки (крупноты помола, количества и качества клейковины). Существует два метода ведения процесса смешивания для сообщения тесту определенного количества работы: 1) регулирование скорости замеса и 2) регулирование продолжительности пребывания теста в тестомесителе[68].
В процессе замеса теста происходит постепенное набухание крахмальных зерен и белковых веществ муки, а также равномерное распределение влаги по всей массе теста[67]. Роль структурного скелета в макаронном тесте выполняет клейковина, она придает тесту эластичность и упругость, вязкость и пластичность[16]. Крахмальная часть муки характеризуется слабой способностью к набуханию. Осмотическое набухание крахмальных зерен начинается при температуре 55С и выше. Клейковина достигает максимума набухания в интервале температур 20 - 30С[35].
При производстве макаронных изделий из нетрадиционного сырья (со сниженным содержанием или отсутствием клейковины) ведущие зарубежные фирмы применяют частичную клейстеризацию крахмала[110]. Медведевым Г.М. предложена технология изготовления макаронных изделий из безклейковинного крахмалосодержащего сырья с использованием высокотемпературного замеса теста и формования его в режиме теплой экструзии. Применение данной технологий приводит к значительному увеличению энергоемкости производства[62,63, 72].
На сегодняшний день для производства макаронных изделий применяются макаронные прессы, обзор производителей представлен в таблице 1.1 Таблица 1.1 - Обзор макаронных прессов Фирмы-производители марки оборудования Уровень автоматизации Италия: «Паван», «Брайбанти», Storci, Italpast Cobra 800/L, РМР Ш520, ROVATI Ш 520, MAC 200VR Автоматическая подача муки и жидких ингредиентов, вакуумирование смесителя Франция: «Боссано» ВВК-140/4 Автоматическая подача муки, и жидких ингредиентов, вакуумирование смесителя Швейцария:«Бюлер» BUI-rLER ТРМ Автоматическая подача муки, автоматическая подача воды (жидких ингредиентов) Россия «Макиз-Урал», идр. Б6-ЛПШ, ЛПЛ - 1М, ЛМБ Автоматическая подача муки, автоматическая подача воды (жидких ингредиентов) В пищевой промышленности перспективным является использование процессов, осуществляемых путем непосредственно контакта электрического тока с продуктом. Простота аппаратурного оформления, высокий КПД, быстротечность, достаточно высокая равномерность температурного поля, доступность контроля и регулирования энергетических параметров — все свойственно электроконтактному методу[84,85]. При электроконтактной обработке материала происходит поглощение значительной энергии за весьма короткий промежуток времени, нагрев продукта dt осуществляется практически без температурного градиента (— = Q). dx Применение электроконтактной обработки имеет следующие преимущества[85]: - сокращение производственного цикла; - стабилизацию, а иногда и увеличение выхода готовой продукции; - снижение тепловых потерь; - постоянную готовность установок к работе (выход па режим 1-мии.) - возможность полной автоматизации процесса; - снижение трудовых затрат и расхода энергии в среднем на 20 - 40%
Применение дополнительного подвода механической и электрической энергии в процессе смешивания позволяет снизить энергозатраты в процессе формования теста[62,85]. Подвод механической энергии осуществляется путем увеличения скорости вращения смесителя[50). Подвод электрической энергии наиболее эффективно осуществляется в результате электроконтактпой обработки замеса[86].
Однако, по данным [63,68] частота вращения рабочего органа смесителя не должна превышать 120 об/мин., что связано с превышением приложения механических напряжений, которое влечет за собой преждевременную денатурацию клейковины и как следствие получению некачественных макаронных изделий. С этим же связана и предельная частота вращения вала экструдера - 90 об./мип.
Максимальная температура обработки продукта как в смесителе, так и при прессовании, не должна превышать 60С, из-за термической денатурации клейковины, которая также приводит к получению брака.
Влажность теста должна составлять 28-34%. При меньшем содержании воды в тесте наблюдается механическое разрушение клейковины. А при влажности выше 34% происходит чрезмерное прилипание теста к рабочим органам оборудования, а выпрессовываемые изделия быстро теряют форму[63,68].
В процессе изготовления макаронных изделий изменение параметров сырья (химический состав) приводит к необходимости установления наиболее эффективных технологических режимов работы оборудования. Оперативно контролировать и управлять процессами позволяет применение автоматической системы управления на основе компьютера.
В состав современной системы управления поточной линией входят: ? специализированные датчики (температуры, влажности и др.), размещенные в характерных зонах; ? автоматические регуляторы, обеспечивающие стабилизацию технологических процессов посредством воздействия па исполнительные механизмы запорных и регулирующих органов (клапанов, заслонок, переключателей); блок автоматического управления на основе ЭВМ[50,98].
Математическая модель процесса смешивания в рабочем пространстве смесителя
Рассмотрим движение продуктов в смесителях центробежного типа. По данным исследований [9,38] представим рабочее пространство смесителя как систему, состоящую из двух подсистем - подсистемы воздушно-вихревой зоны и подсистемы воздушно-продуктового слоя. Физически между ними имеется разделительная поверхность радиуса га .
Для нахождения зависимости удельной электропроводности макаронного теста при смешивании от величины исходного вращающего момента и температуры был проведен двухфакторный эксперимент на основе композиционного ортогонального плана ПФЭ 22. По результатам эксперимента получено уравнение регрессии второго порядка, адекватно описывающее изменение удельной электропроводности от величины исходного вращающего момента Мшх и исходной температуры продукта tucx, при их изменениях в пределах:
Расчетная зависимость обработана путем построения линии тренда, получена линейная зависимость вида у- А + Вх. В данном случае А = 5,1257; В = 0,0908. учитывая, что реологическая модель макаронного теста описывается уравнением (1.1) имеем: г0= 5,1257кПа, rim= 0,0908 Пас.
Для нахождения зависимостей реологических характеристик макаронного теста при прессовании от величины вращающего момента смешивания, температуры и угловой скорости вращения шнека был проведен трехфакторный эксперимент на основе композиционного ортогонального плана ПФЭ 23. По результатам эксперимента получены уравнения регрессии второго порядка, адекватно описывающие изменение G, т]т, г0 от величины вращающего момента смешивания Мс, температуры теста /, и угловой скорости вращения шнека а э, при их изменениях в пределах: 340 MC 2160
Полученные уравнения взаимосвязи коэффициентов уравнений модели от технологических параметров позволяют наиболее полно учесть особенности перерабатываемого материала в математической модели.
Сигнал, получаемый от устройства для измерения вращающего момента 9, регистрируется на аналого-цифровом преобразователе 15 и передается в компьютер 16, где преобразуется в численные значения измеряемой величины, которые записываются в виде массива данных и графика зависимости от времени в файл. Данные обрабатываются специальной программой, которая формирует сигналы, передаваемые через цифро-аналоговый преобразователь 17, к исполнительным механизмам 18, регулирующим работу дозатора воды 1, привода смесителя 4, привода прессующего шнека 19, источника электрического тока промышленной частоты 20.
Устройство для измерения вращающего момента представляет собой тензодатчики, наклеенные с двух сторон на подвижный элемент, соединенный с цилиндрической насадкой.
Вращающий момент смешивания определяли по формуле (2.24). Угловая скорость вращения мешалки смесителя и шнека экструдера измеряется при помощи тахометра. Вал тахометра посредством резинового ремня соединяется с тихоходным валом редуктора, что обеспечивает возможность получать точные значения угловой скорости рабочего органа.
Производительность смесителя определяли массой порции компонентов, загруженных в рабочую камеру за единицу временем работы машины.
Производительность экструдера и скорость выпрессовывания макаронных изделий определяли следующим образом: за определенные промежутки времени были взяты образцы готового продукта, которые взвешивали на технических весах, находили производительность как массу образца за одну секунду экструдирования.
Мощность, расходуемая на процесс смешивания в рабочей камере смесителя определяли из уравнения баланса мощности сил (2.30). Мощность, расходуемая на электроконтактную обработку продукта в смесителе определяли по формуле (2.39)
Чем меньше /?, тем эффективнее перемешивание. При идеальном перемешивании Р = 0. Отбор проб проводился согласно общепринятым методикам.[27] Масса пробы составляет 1% от общей массы продукта. Отбор проб проводился в 10 точках в 3-х повторностях.
Внешний вид макаронных изделий, характеризующийся цветом, степенью шероховатости поверхности, состоянием излома и правильностью формы определяли органолептическим способом. Влажность макаронных изделий определяли методом высушивания до постоянной массы в сушильном шкафу СЭШ-3 по ГОСТ 27492-87. Кислотность макаронных изделий определяли методом водной болтушки по ГОСТ 14849-89. Прочность макаронных изделий определяли на приборе Строганова по стандартным методикам [99]. Время варки до готовности фиксировали в момент исчезновения мучнистого не проваренного слоя. Количество поглощенной изделиями во время варки воды характеризуется коэффициентом увеличения их массы, который подсчитывается по формуле:
Объекты и методы исследований
В качестве объектов исследования в работе использовались: - сырье: крахмал пшеничный, макаронная мука высшего сорта из твердой пшеницы, макаронная мука высшего сорта из мягкой пшеницы, хлебопекарная мука второго сорта, отруби пшеничные; - образцы неуплотненного макаронного теста из лабораторного разрыхлителя-смесителя, полученные из макаронной и хлебопекарной муки и из модельных смесей, приготовленных с добавлением пшеничного крахмала и отрубей, при влажности продукта 28-34%; - макаронные изделия, полученные на лабораторной установке и в производственных условиях.
Планирование экспериментов осуществлялось по композиционному ортого-нальному плану полнофакторного эксперимента ПФЭ 2 [27].
Смешивание и прессование (экструдирование) макаронного теста проводили на разработанном на ФПП шнековом прессе - экструдере, дополненном смесителем с электроконтактной обработкой замеса и снабженном автоматическим контуром измерения параметров качества конечного продукта. Схема установки представлена на рисунке 3.1 Рисунок 3.1 - Схема лабораторной установки 1 - дозатор воды, 2 - дозатор муки, 3 - смеситель-разрыхлитель, 4 - электродвигатель смесителя-разрыхлителя, 5 - токопроводящий рабочий орган смесителя-разрыхлителя, токопроводящая обечайка, 7 - корпус из неэлектропро водного материала, 8 - цилиндрическая насадка для измерения вращающего момен та, 9 - тензодатчик, 10 - гибкий элемент, на который с двух сторон наклеиваются тензодатчики, 11 - корпус пресса, 12 - шнек, 13 - формующая головка, выполненная с возможностью свободного вращения вокруг корпуса пресса, 14 - загрузочное уст ройство, 15 - аналого-цифровой преобразователь, 16 - компьютер.
Основой лабораторной установки для проведения экспериментального исследования является малогабаритный пресс-экструдер, предназначенный для изготовления макаронных изделий и вспученных экструдатов. Техническая характеристика и геометрические параметры пресса приведена в таблице 3.1. ления макаронных изделий и вспученных экструдатов. Техническая характеристика и геометрические параметры пресса приведена в таблице 3.1.
Пресс имеет сменный шпек, на конце которого укреплена насадка типа «торпедо» с шестью продольными канавками прямоугольного сечения, выполняющая функции компрессионного затвора. Привод шнека осуществляется через редуктор и клиноременную передачу от асинхронного электродвигателя. Изменение скорости вращения шнека осуществляется сменой шкивов клиноременной передачи. Головка пресса позволяет устанавливать матрицы различной конструкции.
Запуск и остановка пресса осуществляется с помощью пульта управления. Для регистрации показаний датчиков использован компьютер 16, получающий сигналы от АЦП LC-212F 15. Угловая скорость шнека измеряется тахометром. Параметры электрооборудования измеряют амперметром и ваттметром марки Д 539 (ГОСТ 8476-60) с нагрузочным трансформатором УТТ-5М (ГОСТ 51974-73) Смеситель представляет собой незначительных габаритных размеров цилиндр из пищевой пластмассы, внутри которого размещен вал из нержавеющей стали. На валу по винтовой образующей закреплены лопасти, покрытые электроизоляционным материалом. Вращение вала осуществляется электродвигателем с регулируемой частотой вращения до 1500мин" . В верхней части цилиндр сообщается посредством двух патрубков с дозаторами муки и воды. На внутренней поверхности корпуса установлена обечайка из нержавеющей стали. На обечайку и вал подается переменный электрический ток промышленной частоты. Под действием электрического тока в процессе смешивания, в течение короткого времени происходит разогревание аэрозольной смеси: мука, вода и воздух до температуры 40...60С.
В результате электроконтактной обработки в смесителе частицы воды интенсивно проникают вглубь твердых частиц, что приводит к значительному повышению однородности разрыхляемой массы.
Источник электрического тока промышленной частоты 20 обеспечивает прохождение электрического тока по токопроводящему рабочему органу 5 смесителя 3 и токопроводящей обечайке 6, на корпусе 7 из неэлектропроводного материала. Под действием электрического тока в смесителе 3 частицы воды интенсивно проникают вглубь твердых частиц, что приводит к значительному повышению однородности перемешиваемой массы. Перемешиваемая масса поступает в загрузочное устройство 14 через цилиндрическую насадку 8 смесителя 3 па конце корпуса 7 из неэлектропроводного материала. Вращающий момент от токопроводящего рабочего органа 5 смесителя 3 посредством перерабатываемого материала передается цилиндрической насадке 8 смесителя 3. По степени закручивания цилиндрической насадки 8 смесителя 3, измеряемой устройством для измерения вращающего момента 9, можно судить о реологических характеристиках продукта на выходе из смесителя 3 и как следствие о качестве полупродукта.
Далее продукт через загрузочное устройство 15 поступает в цилиндрический прессующий корпус 11 и транспортируется прессующим шпеком 12 к формующей головке 13. За счет противодавления со стороны матрицы формующей головки 13 и воздействия сил трения перерабатываемый материал уплотняется и превращается в пластично-вязкую массу. За счет адгезионно-когезионных взаимодействий вращающий момент от прессующего шнека 12 посредством перерабатываемого материала передается к формующей головке 13. По степени закручивания формующей головки 13, измеряемой устройством для измерения вращающего момента 9, можно судить о вязкости продукта на выходе из экструдера и как следствие о качестве вырабатываемой продукции.
Обоснование выбора управляемых параметров
В качестве параметра, характеризующего физико-механические свойства сырья, выбран вращающий момент исходный (Мисх), который зависит от химического состава сырья, температуры, влажности и определяется устройством (гл.З: рисунок 3.4). Для получения зависимости Мисхот выбранных факторов были проведены серии экспериментов с изменением содержания: крахмала 50.. .100 %, белка 0.. .13%, клетчатки 0... 12%.
При этом в качестве сырья использовались: пшеничный крахмал, макаронная мука высшего сорта из твердой пшеницы, макаронная мука высшего сорта из мягкой пшеницы, хлебопекарная мука второго сорта, отруби пшеничные, хлебопекарная мука второго сорта, а также модельные смеси из вышеперечисленных компонентов. Химический состав муки, используемой в качестве сырья для проведения экспериментов представлен в приложении А.
Влажность исходного сырья меняли в пределах 28...34 %, температуру меняли в пределах 20...60С. Результаты экспериментов представлены в приложении Б.
Для оценки реологических свойств макаронных изделий после экструзии был выбран вращающий момент прессования (экструзии) Мэ, который адекватно коррелирует с показателем относительного удлинения при растяжении
Исследование проводилось трех видов образцов (крахмал пшеничный, макаронная мука в.с. из мягкой пшеницы, модельная смесь №3). Полученные данные представлены в приложении Д. Для оценки качества получаемых сырых макаронных изделий выбран комплексный показатель качества (КПК), рассчитываемый по формуле (3.8). На основе экспериментальных данных построены зависимости комплексного показателя качества от коэффициентов матрицы, представленные в приложении Е.
В результате коэффициент сопротивления матрицы (R2 = 0,92...0,97) наилучшим образом коррелирует с параметром качества. Коэффициенты живого сечения матрицы и коэффициент расхода через матрицу практически не коррелируют с качеством продукта ( R2 = 0,08...0,12).
Основным требованием к системе управления технологическими режимами является устойчивость этой системы при переходных процессах.
В результате анализа полученных диаграмм коэффициент усиления составляет: - при частоте вращения шнека Юоб/мин: 0...0,04; - при частоте вращения шнека 60об/мин: -0,02...0,03; - при частоте вращения шнека 90об/мин: -0,03...0,02; что соответствует требованиям устойчивости системы.
Исходя из особенностей протекания механических процессов и определения условия быстродействия системы, соотношение времени нахождения продукта в экструдере и времени протекания переходных процессов должно быть как минимум /э = ЪТ
Время нахождения продукта в прессе-экструдере рассчитывается по формуле (2.41) и составляет 32...48с в зависимости от частоты вращения шнека.
Так как постоянная времени звена меняется при изменении реологических свойств продукта, для характерных участков построены поверхности значений постоянной времени в зависимости от крутящего момента после смешивания и температуры. Данные плоскости представлены на рисунках 4.15,4.16,4.17.
Так как система управления дискретно-аналоговая, необходимо чтобы частота работы второго контура была как минимум в два раза выше частоты работы первого. Полоса пропускания определяется по формуле со = — и составляет 0,1 до 0,4 Гц. Частота работы любого компьютера, который является блоком оптимизации, намного выше полосы пропускания первого контура.
Для выявления диапазонов значений параметров процесса прессования макаронных изделий были проведены трехфакторпые эксперименты на основе композиционного ортогонального плана ПФЭ 2 с использованием следующих параметров: вращающий момент смешивания; угловая скорость вращения шнека; коэффициент сопротивления матрицы экструдера. В качестве критериев эффективности взяты: комплексный показатель качества макаронных изделий (КПК); экспертная оценка свойств сырых и готовых макаронных изделий (ЭО); удельные затраты энергии на проведение процессов смешивания и экс-трудирования (УЗЭ).
На основе полученных диапазонов значений параметров технологических режимов разработан следующий алгоритм управления процессами смешивания и прессования, представленный на рис. 5.1. Алгоритм включает управление процессом смешивания и процессом прессования с использованием параметрических коэффициентов уравнений регрессии.
Основными элементами схемы являются: исполнительные устройства 1...4-го управляющего параметра (ИУ1, ИУ2.1, ИУ2.2, ИУ2.3), датчики управляющих воздействий (Д1, Д2), блок управления (БО). Блок управления является системой настройки и предполагает перевод аналоговых сигналов в цифровой код, вычисление оптимальных значений управляющих воздействий для этапов смешивания и экструдирования и перевод их в аналоговый сигнал. Схема разработанной установки и ее описание представлены в гл.З Функциональная схема автоматизации этой установки, представленная на рис. 5.3. ]1 і 1 j ЦЛП Рисунок 5.4 - Схема автоматизации установки для смешивания и прессования макаронного теста (патент РФ на изобретение № 2338442)
Контроль моментов закручивания осуществляется датчиками 1-1 и 2-1, мощность электрического тока контролируется датчиком 3-ій регулируется исполнительным механизмом 3-2, расход воды контролируется датчиком 4-1 и регулируется исполнительным механизмом 4-2, угловая скорость мешалки и шнека контролируется механизмами 5-1,6-1 и регулируется исполнительными механизмами 5-2, 6-2.
Были определены качественные показатели сырых макаронных изделий и качественные показатели изделий, полученных оптимальным способом. Определили органолептические свойства методом экспертной оценки и комплексный показатель качества по разработанной методике. Также были подсчитаны удельные затраты на проведение процессов смешивания и прессования по технологии, осуществляемой на предприятии и удельные затраты по предложенному алгоритму.
