Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ процесса производства шоколадной массы 11
1.1 Структура технологического процесса производства шоколадной массы 11
1.2. Характеристики и информационные параметры шоколадной массы 17
ВЫВОДЫ 29
2 Анализ методов измерения вязкости шоколадной массы 30
2.1 Методы измерения вязкости 30
2.2 Ротационный метод измерения 37
2.2.1 Функция преобразования первичного преобразователя ротационного вискозиметра 37
2.2.2 Влияния тиксотропной структуры жидкости на возможность использования измерения вязкости
ротационным методом 42
2.3. Методическая погрешность ротационного метода измерения 45
2.3.1 Влияние параметров ротора на результирующую погрешность ротационного вискозиметра 46
2.3.2 Влияние температуры на результирующую погрешность измерения вязкости шоколадной массы ротационного вискозиметра 54
ВЫВОДЫ 59
3 Математическая модель вязкости шоколадной массы
3.1 Определение основных параметров влияющих на вязкость шоколадной массы 60
3.2 Проведение эксперимента 64
3.3 Обобщенная математическая модель вязкости шоколадной массы 84
3.4 Регулирование вязкости шоколадной массы 94
ВЫВОДЫ 100
4 Разработка структурной схемы ИИУС 101
4.1 Первичный преобразователь ротационного вискозиметра 101
4.2 Структурная схема ИИУС вязкостью шоколадной массы 107
4.3 Использование сервосистемы 110
4.3.1 Функция преобразования чувствительного элемента 110
4.3.2 Расчет погрешности функции преобразования чувствительного элемента 117
4.3.3 Применение абсолютного энкодера 121
4.3.4 Применение сервоусилителя для преобразования и управления двигателем 128
4.4 Алгоритм функционирования ИИУС вязкостью шоколадной массы 132
Выводы 138
5 Технические характеристики ииус вязкостью шоколадной массы. результаты внедрения 139
5.1 Расчет результирующей погрешности ИИУС вязкостью шоколадной массы 140
5.2 Основные схемы подключения ИИУС вязкостью
шоколадной массы 142
5.3 Технические характеристики ИИУС вязкостью шоколадной массы 147
4 5.4 Внедрение ИИУС вязкостью шоколадной массы
на ОАО КО «Россия» 148
Выводы 151
Заключение 153
Библиографический список 155
- Характеристики и информационные параметры шоколадной массы
- Функция преобразования первичного преобразователя ротационного вискозиметра
- Обобщенная математическая модель вязкости шоколадной массы
- Функция преобразования чувствительного элемента
Введение к работе
Актуальность темы.
Современные шоколадные производства, конкурируя между собой, стремятся к улучшению качества выпускаемого продукта и увеличению его спроса на рынке. В связи с этим особое значение играют новые технологии производства и контроля, позволяющие улучшать вкусовые качества шоколада и его товарный вид.
Производство шоколадной продукции является технологическим процессом повышенной сложности, и управлять таким процессом при массовом производстве невозможно без использования автоматизированных систем управления, охватывающих весь производственный процесс.
Однако в современных системах управления, осуществляющих автоматизацию технологического процесса, как правило, отсутствуют устройства оперативного автоматического контроля параметров готовой продукции. Готовая продукция анализируется в специальных лабораториях, а результаты анализа позволяют осуществлять коррекцию технологического процесса с задержкой по времени. Такой подход используется и на крупнейшей в нашей стране шоколадной фабрике "Россия".
Шоколадная фабрика "Россия", основанная в 1970 году производит шоколад и шоколадные конфеты на всю Россию и ближнее зарубежье. После включения фабрики в корпорацию "Nestle" в 1994 году на фабрике произошли кардинальные перемены. Компания "Nestle" вложила в фабрику более 100 миллионов долларов. Появились новые автоматизированные линии большой производительности, что позволило фабрике "Россия" выйти на мировой уровень и поставлять продукцию не только на внутренней рынок, и страны СНГ, но и на всю Европу.
В настоящее время на фабрике существуют три линии по производству шоколадных масс, обеспечивающие восемнадцать линий производящих шоколад и конфеты. Все линии автоматизированы, технологическими
процессами управляют контроллеры, собирающие данные о состоянии агрегатов с датчиков и измерительных систем производящих измерения электрических, механических и термодинамических параметров.
Качество готовой продукции зависит от ряда параметров характеризующих качество шоколадной массы, наиболее важными такими параметрами являются: содержание массовой доли жира, содержание массовой доли влажности, размер сухой измельченной составляющей массы, темперирование массы, динамическая вязкость шоколадной массы...
Не все параметры технологического процесса, определяющие качества шоколадной массы, могут быть измерены непосредственно в процессе производства. Так один из основных параметров вязкость шоколадной массы до сих пор определяется при помощи лабораторных установок, что затрудняет оперативное вмешательство в процессе производства, корректируя его те или иные управляющие воздействия.
При изготовлении шоколадных изделий, для быстрого и правильного формирования структуры по техническому условию 9125 - 011 - 43902960 -02, температура шоколадной массы должна составлять 32С, поэтому измерение вязкости шоколадной массы производят строго при температуре 32С. Приготовленная шоколадная масса на производственной линии имеет температуру в районе 40-г50С, а интересует значение вязкости массы при температуре 32С, и поскольку зависимость вязкости от температуры неустановленна приходится производить измерение вязкости охлажденных до 32С отобранных проб.
В связи с отсутствием автоматизированного измерения и высокой производственной скорости часть продукта идет с несоответствующим значением вязкости, что приводит к браку при формировании шоколада и глазировании конфет. Так как при формировании вязкость влияет на пористость, следовательно, на вес и товарный вид изделия, а при глазировании, исключает такие дефекты как оплывы глазури. В ручных кондитерских изделиях необходимая вязкость обеспечивает сохранение
7 формы узора. Поэтому время измерения вязкости шоколадной массы играет важную роль. В связи с этим, весьма актуальной задачей является, создание и внедрение автоматизированной системы контроля и управления коэффициентом вязкости шоколадной массы.
В результате проведенного анализа технологического процесса было выявлено, что непрерывное измерение и управление вязкости шоколадной массы поможет уменьшить погрешность регулирования, позволит повысить качество продукта и уменьшит производственный брак.
Целью диссертационной работы является разработка
автоматизированной системы контроля и управления вязкостью шоколадной массы в производственном процессе.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
Проведен анализ технологического процесса производства шоколадной массы;
Обоснована необходимость автоматизации измерения и управления коэффициентом вязкости шоколадной массы;
Рассмотрены производственные требования к ИИС;
Проведен анализ вязкости шоколадной массы, рассмотрена сложная тиксотропная структура вещества;
Определены основные информационные параметры вязкости шоколадной массы подлежащие измерению и управлению;
Поставлены требования к разрабатываемой автоматизированной системе контроля и управления вязкости;
Проведен анализ существующих методов измерения коэффициента вязкости;
Приведено обоснование использования ротационного метода измерения вязкости;
Проанализированы погрешности ротационного метода;
Разработана математическая модель вязкости шоколадной массы, проведен анализ погрешностей модели;
Разработана структурная схема автоматизированной контролирующей системы вязкости;
Рассмотрены преобразователи ИИС;
Проведен анализ погрешности измерительной системы;
14. Реализована и внедрена ИИС;
Основные методы исследования.
При решении поставленных задач использовались методы моделирования, теория погрешностей результатов измерений, теория электрических цепей, автоматизация систем управления. Математическая модель разрабатывалась с помощью прикладных программ MATLAB и Derive.
Научная новизна заключалась в следующем.
На основании проанализированных влияний геометрических размеров воспринимающего элемента ротационного вискозиметра на результирующую погрешность измерения коэффициента вязкости определенны оптимальные размеры воспринимающего элемента вискозиметра.
Разработана математическая модель коэффициента вязкости шоколадной массы, позволяющая на основании имитационного моделирования определять влияние различных факторов на изменение вязкости массы.
Применен новый подход измерения вязкости, заключающийся в поддержании постоянной скорости вращения ротора используемой сервосистемой, который позволил увеличить диапазон и точность измерения.
На основании математической модели разработана метод автоматизированного регулирования вязкости шоколадной массы.
Практическая значимость результатов.
Разработанный в диссертации метод позволил проводить измерения непосредственно в технологическом процессе.
Разработанная математическая модель вязкости шоколадной массы позволила прогнозировать изменение вязкости при изменении температуры.
Разработанная автоматизированная и контролирующая система по сравнению с существующим регулированием вязкости обеспечивает регулирование с наименьшей погрешностью.
Реализация научно — технических результатов.
Результаты диссертационной работы успешно внедрены на автоматизированной линии по производству шоколадной массы на ОАО КО "Россия".
На защиту выносятся:
Математическая модель вязкости шоколадной массы.
Метод измерения шоколадной массы непосредственно в технологическом процессе.
Структурная схема автоматизированной контролирующей системы вязкости шоколадной массы.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах Научно — технического центра Метрологической академии РФ, 2002, 2003, на всероссийской межвузовской научно -практической конференции "Компьютерные технологии в науке, практике и образовании", Самара 2004 г. и международной научно - технической конференции "Информационные, измерительные и управляющие системы", Самара 2005.
Личный вклад.
Основные научные результаты и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе и публикациях, получены автором самостоятельно и под руководством научного руководителя.
Публикации.
10 Основные результаты исследования представлены в 7 печатных работах. Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 162 страницы основного текста, 53 рисунка, список литературы из 66 наименований.
Характеристики и информационные параметры шоколадной массы
Различные жидкости при деформации ведут себя по-разному. Поведения можно характеризовать по определенным видам, закон внутри каждого вида приблизительно одинаков. Поведение жидкости при измерении вязкости является важным фактором, так как у некоторых жидких смесей, при длительном измерении меняется внутренняя структура и изменяется коэффициент вязкости, то есть меняется результат измерения. При измерении вязкости у таких аномальных жидкостей является важным последовательность и продолжительность измерения.
Шоколадная масса представляет собой жидкость, имеющую сложную структуру и состоящую из различных компонентов [3], поэтому для выявления аномально ли поведение массы при продолжительной деформации был проведен эксперимент. Взяв для простоты самую мало компонентную шоколадную массу "Шапито" при температуре 32С, производилось измерение коэффициента вязкости при деформации на протяжении 20 минут, по измеренным показаниям был получен график изменения вязкости от времени измерения рис. 1.2. П. " пуаз 82 81 " 10 20 t, мин
Из построенного графика видно, что при деформации шоколадной массы при температуре 32С происходит постепенное возрастание вязкости. Впервые несколько минут значение вязкости не изменялось, на 10 минуте произошло изменение вязкости на 2 пуаза, а к 20 минуте в связи с изменением структуры вещества значение вязкости резко возросло до 88 пуаз.
Проведенный эксперимент показывает, что при продолжительной деформации шоколадной массы происходит изменение коэффициента вязкости, поэтому при измерении вязкости необходимо учитывать состояние массы, то есть возможную деформацию, как до измерения, так и во время измерения, что может привести к изменению вязкости и ложным результатам измерения.
Для понимания поведения шоколадной массы при измерении или при приложении другой деформации рассмотрим течение различных жидкостей. Для простоты возьмем ламинарное течение жидкости, образованное между неподвижной и подвижной плоскостью. При ламинарном течении, между двумя неограниченными параллельными плоскостями, будем перемещать подвижную плоскость со скоростью и вдоль оси х. Тогда скорость жидкости у подвижной пластинки будет равна и, а у неподвижной — нулю рис. 1.3. где du/dy — градиент скорости в слое жидкости; т — касательное напряжение сдвига. Коэффициент пропорциональности г\ в уравнении называется коэффициентом вязкости или просто вязкостью.
В зазоре между пластинами, при таких условиях, имеет место линейный профиль распределения скоростей в слоях потока жидкости. Движение жидкости в зазоре передается от слоя к слою в направлении, перпендикулярном движению подвижной пластины, за счет внутреннего трения - вязкости.
Многие реальные среды в текучем состоянии не подчиняются уравнению Ньютона, когда принимается что вязкость г\ является постоянной величиной. В этом случае, говорят о существовании аномалии вязкости и соответственно об аномально вязких средах, а величину вязкости т), определяемую из уравнения равенством т = т]у, именуют эффективной вязкостью. Жидкости, вязкость которых зависит от градиента скорости, в технической литературе называют неньютоновскими жидкостями.
Ньютоновские жидкости отличаются тем, что у них между касательным напряжением т и градиентом скорости существует линейная зависимость. Течение ньютоновских жидкостей начинается при небольших касательных напряжения; характеристика текучести представляет прямую, проходящую через начало координат рис. 1.4.
Для ньютоновских жидкостей определенному касательному напряжению і] соответствует единственное значение градиента скорости уь касательному напряжению т2 - опять определенное у2 и т.д. Отношение касательного напряжения т к градиенту скорости у остается постоянным:
Функция преобразования первичного преобразователя ротационного вискозиметра
Основным элементом ротационной вискозиметрии является первичный преобразователь это измерительный стакан и ротор, входящий во взаимодействие с исследуемой жидкостью. Выбор формы обуславливается поставленной задачей: диапазоном измерения, выбором поведения жидкости, методической погрешностью, определения технологической заправки и очистки измерительного зазора.
При измерении вязкости ньютоновских жидкостей используют любые известные воспринимающие элементы такие как: цилиндр - цилиндр, цилиндр -конус, конус — конус, сфера - цилиндр... Для неньютоновских жидкостей зависящих от градиента скорости и напряжения сдвига применяют воспринимающие элементы типа цилиндр — цилиндр при наличии малого зазора. В жидкостях с очень большой вязкостью используют поверхности типа конус -плоскость, конус - конус.
Шоколадная масса является неньютоновской жидкостью, поэтому для измерения реологических свойств и вязкости в основном применяют поверхность типа цилиндр - цилиндр с малым зазором.
Рассмотрим движение ротора, ротационного вискозиметра, радиуса - г, со скоростью со и высотой - h в ограниченном внешнем цилиндре радиуса — R. При простом сдвиге жидкости мерой сопротивления деформации является касательное напряжение т. Характеристикой кинематического деформирования является тензор скорости деформирования. Для простого сдвига ротора характеристикой , du скорости деформации является величина / = —, где г расстояние от оси до слоя со dr скоростью течения и. Тогда выражение вязкости г представляют как отношение касательного напряжения к скорости сдвига: i-Wr (2-4) где как т, так и (—) могут меняться от точки к точке. dr Крутящий момент М для слоя, находящегося на расстоянии г от оси цилиндров, в котором действует напряжение сдвига т, равен: М = 2лг2кт (2.5) Пусть со - угловая, а и - линейная скорость в точке с радиусом г. Тогда: du d{cor\ da , Ґ — = = co+r— (2.6) dr dr dr Скорость сдвига выражается, как у = —. Вязкое сопротивление зависит dr только от относительной скорости движения ротора. Поэтому напряжения сдвига определяется величиной у, но не du/dr, поскольку в du/dr входит несущественное для деформации образца, находящегося между цилиндрами, слагаемое со. Можно записать, что f(r) = -r—. Так как М = 2лг2Ит или = г2т возьмем
Это уравнение служит основой расчета скорости сдвига для различных случаев окружного течения жидкости в ротационных приборах, так как оно не зависит от расстояний между цилиндрами. Возьмем интеграл:
В ротационной вискозиметрии необходимым требованием является установившийся ламинарный поток исследуемой жидкости между цилиндрами. Наблюдаемый характер деформирования исследуемого образца зависит не только от заданного режима, но прежде всего от собственных свойств материала и продолжительности деформирования. Можно указать ряд типичных случаев для постоянной частоты вращения ротора вискозиметра, характерных для вязкоупругих растворов, полимеров, чем является шоколадная масса. Так, при низких постоянных частотах вращения ротора после начала деформирования происходит постепенное повышение крутящего момента, пока не будет набрана предельная для заданной скорости сдвига упругая деформация и не будет достигнут режим установившегося течения кривая I рис. 2.4. При средних частотах, прежде всего, должна быть преодолена инерция измерительной поверхности и связанных с нею масс. Затем развивается течение, причем роль упругости материала тем больше, чем выше частота вращения. После достижения некоторых критических деформаций и соответствующих им напряжений сдвига начинается изменение структуры полимерной системы, которое приводит к снижению напряжения сдвига - релаксации напряжения. Эти изменения продолжаются вплоть до выхода на установившийся режим течения (кривая 2)
При достаточно высокой частоте вращения ротора после достижения некоторой критической (предельной) деформации может происходить отрыв образца от измерительной поверхности или разрыв его сплошности. Это сопровождается снижением крутящего момента (кривая 3).
Обобщенная математическая модель вязкости шоколадной массы
Главный вопрос о выборе вида функции аппроксимации для получения функции рефессии многих переменных в теории интерполяции до конца нерешен. Наиболее часто первоначально выбирают линейную или квадратичную функции. После получения решения функции проверяют на адекватность, проверка в основном заключается в вычислении пофешности.
В системе MatLab невозможно получить уравнение рефессии в аналитическом виде при многопараметрической аппроксимации, что существенно Офаничивает возможности этой системы. Сравнительный анализ универсальных математических профаммных средств показывает, что задачи многомерной аппроксимации наиболее просто решаются с помощью систем Mathematica и Derive. Воспользуемся пакетом Derive 5 в котором переход от линейной функции аппроксимации к квадратичной осуществляется лишь путем редактирования первой строки матрицы функции FIT [26].
В начале воспользуемся линейной функцией многопараметрической аппроксимации. В нашем случае это будет полином вида: rj = ct0 +axF + a2W + aiT + aAZ + asL + a6T (3.26) Используя данные таблицы 3.10 на основании выражения (3.26) составим уравнение рефессии: 7 = -0,028-F + 1135010 -0,881-Z-2,232T-3,572.r-24,433-J + 312,461 (3.27)
Выражение (3.27) является математической моделью зависимости вязкости шоколадной массы от жира, влаги какао тертого, температуры, степени измельчения, механического воздействия и от содержания какао масла.
На основании полученной модели рассчитаем абсолютную среднеквадратическую и максимальную относительную пофешность линейной аппроксимации. Для этого протабулируем функцию рефессии при аргументах, соответствующих опытным данным и сравним данные табуляции с экспериментальными , таблица 3.10 [31].
В таблице ЗЛО г\ - значение вязкости измерянное при эксперименте, гл -вязкости, полученные из выражения (3.27) при линейной аппроксимации. Слева в таблице расположены номера проведенных экспериментов, всего было произведено 108. Абсолютная погрешность аппроксимации для каждого табулированного значения вязкости определяется как разность измерения и аппроксимации
Из таблицы 3.11 видно, что максимальная относительная погрешность аппроксимации равна 33%, на основании чего можно сделать вывод, что полученная функция регрессии (3.27) не является удовлетворительной математической моделью вязкости шоколадной массы. Так как полином (3.27) плохо аппроксимирует полученную экспериментальную зависимость, рассмотрим аппроксимацию квадратичной функцией. Для этого в матрице таблицы ЗЛО составленной для программы Derive необходимо заменить функцию аппроксимации в первой строчке с линейной на квадратичную типа: Выражение (3.32) является квадратичной функцией регрессии модели вязкости шоколадной массы.
Рассчитаем абсолютную среднеквадратическую ЕК8 и максимальную относительную 5KB.max погрешность квадратичной аппроксимации. Для этого протабулируем функцию регрессии и посчитаем абсолютную погрешность Дкв квадратичной аппроксимации для каждого значения, составим таблицу 3.12.
На графике серой линией изображены результаты измерения вязкости шоколадной массы, черной линией результаты линейной многопараметрической аппроксимации, черной пунктирной линией результаты многопараметрической квадратичной аппроксимации. Из графика видно, что табулированные значения линейной аппроксимации сильно отличается от измеренных экспериментальных данных, отклонения обусловлены функциональной невозможностью описывать полученную зависимость. В отличие от линейной квадратичная аппроксимация достаточно точно описывает экспериментальные данные, максимальная относительная погрешность квадратичной аппроксимации включает в себя методическую погрешность связанную с описанием полинома второй степени функциональной зависимости 7J = /(F,W,T,Z,J,T) [33]. Общая погрешность математической модели определяется несколькими составляющими - основной погрешностью то есть методической погрешностью квадратичной аппроксимации и ряда инструментальных погрешностей, связанных с погрешностями измерения величин используемых для расчета модели. Поскольку составляющие погрешности имеют не коррелированную связь результирующую погрешность модели можно найти путем геометрического сложения всех составляющих погрешностей.
Функция преобразования чувствительного элемента
Для управления сервосистемой лучше всего использовать сервоусилитель той же компании MELSERVO MR - J2S, разработанный специально для данного серводвигателя.
Новая система сервоусилителя компании Mitsubishi Electric обеспечивает высочайшую динамическую реакцию и сверхбыстрое позиционирование. MR -J2S является сервоусилителем общего назначения с аналоговым входом и импульсным интерфейсом в стандартной комплектации. Сервоусилители обладают высокоскоростной сетью SSCNET предназначенные для использования с контроллерами движения.
По умолчанию возможен выбор между режимами регулирования положения, частоты вращения и крутящего момента. Помимо этого существует возможность попеременного переключения между различными режимами регулирования, например регулирования положения частоты вращения, регулирование частоты вращения крутящего момента либо регулирование крутящего момента положения.
Наличие разнообразных функциональных возможностей позволяют использовать сервоусилитель для выполнения самых разных задач. Данные устройства отлично подходят не только для решения задач по высокоточному позиционированию, а также плавному изменению скорости вращения механизмов станков и промышленных установок, но также могут быть использованы при регулировании момента двигателя.
Встроенный интерфейс RS232C и RS485 позволяет осуществлять последовательное соединение сервоусилителя с персональным компьютером,
129 контроллерами и операторскими панелями. Благодаря использованию программного обеспечения на платформе ОС Windows существует возможность выполнения таких функций, как настройка параметров, включение тестового режима, вывод на дисплей состояния системы, регулировка усилия и т.д. Автоматическая система управления в реальном времени позволяет осуществлять автоматическую подстройку установленных параметров усилителя под особенности машины [57], [58].
Сервопривод серийно укомплектован энкодером абсолютного значении.
При этом разрешение в 131072 импульсов на 1 оборот гарантирует сверх точную регулировку вращения серводвигателя, с относительной погрешностью измерения скорости 0,01 %.
Система абсолютного позиционирования в сервоусилителе может быть активирована посредством установки батареи резервного питания. Благодаря функции абсолютного позиционирования после однократной установки контрольной позиции отпадает необходимость повторной настройки данного параметра в случае внезапного отключения электричества либо при возникновении неисправности.
Регулирование положения.
Регулировка частоты вращения и установка направления вращения производится при помощи импульсной цепи, что позволяет при разрешении энкодера 131072 импульсов/оборот добиваться высокоточного позиционирования. Функция сглаживающей фильтрации позволяет после задания команды позиционирования производить плавный и устойчивый пуск, а также остановку машины. В зависимости от выполняемой задачи, для функции сглаживающей фильтрации возможен выбор между двумя режимами.
Для максимальной токовой защиты силового транзистора главной цепи при резком ускорении/торможении либо при перегрузке сервоусилитель оборудован ограничением крутящего момента. Настройка предельного значения производится через аналоговый вход, либо путем изменения соответствующего параметра [54]. Регулировка частоты вращения.
Устойчивое регулирование частоты вращения и установка направления вращения может осуществляться посредством внешней аналоговой команды для частоты вращения (0 ±10 В DC), внешней командой через встроенный интерфейс либо параметрируемой внутренней команды для частоты вращения. При помощи параметрируемой команды можно максимально задать значения для 7 различных скоростей вращения. В зависимости от выбранной команды возможно регулирование времени ускорения/остановки, блокирующей функции после остановки, а также значение установившейся ошибки для аналоговой величины частоты вращения.
Регулировка крутящего момента.
Регулировка крутящего момента может производится посредством настройки внешней аналоговой величины крутящего момента (0 — ±8 В DC ), внешней командой через встроенный интерфейс либо параметрируемой внутренней команды для крутящего момента.
Во избежание появления неисправностей при работе без нагрузки даже для механизмов, зависимых от величины крутящего момента; существует возможность ограничения частоты вращения посредством внешнего или внутреннего контроля.
