Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ систем термообработки колбасных изделий с использованием термокамер
1.1. Задачи и методы термической обработки
1.2. Анализ существующих математических моделей термообработки
1.3. Обзор существующих универсальных установок термообработки
1.4. Анализ существующих автоматизированных систем управления процессами термообработки
Выводы к главе
Глава II. Разработка математических моделей термической обработки мясопродуктов
2.1. Физическая постановка задачи термообработки
2.2. Формализация постановки задачи термообработки и её декомпозиция
Выводы к главе
Глава III. Математическое моделирование процессов термической обработки мясных изделий
3.1. Зоны термической обработки
3.2. Математические модели процессов термообработки мясных изделий различной формы
3.3. Математическая постановка задач термообработки мясных изделий различной формы
3.4. Решение задачи термической обработки мясных изделий
3.5. Анализ решения
3.6. Идентификация коэффициентов теплообмена
3.6.1. Идентификация коэффициентов для цилиндрической и шаровой
форм изделий
3.6.2. Идентификация коэффициентов для прямоугольной формы изделий
3.7. Вычисление критерия летальности
Выводы к главе
Глава IV. Алгоритмическое и информационное обеспечение расчета термического режима
4.1. Приведение расчетных формул к виду, удобному для программирования
4.2. Элементы базы данных, используемых при расчете термопроцесса
4.3. Алгоритм планирования термического режима
4.4. Алгоритм идентификации коэффициентов теплопередачи
4.5. Алгоритм расчета параметров термо процесса в реальном масштабе времени
4.6. Общий алгоритм функционирования Выводы к главе
Глава V. Численные эксперементы и их анализ
5.1. Цели и задачи численных экспериментов
5.2. Анализ численных экспериментов для решения прямой задачи
5.3. Анализ численных экспериментов для решения обратной задачи Выводы к главе
Глава VI. Расчеты термического процесса с использованием реальных данных
6.1. Цели и задачи расчетов на фактических данных
6.2. Примеры расчётов термических процессов с использованием реальных данных
Выводы к главе
Литература
Заключение
- Анализ существующих математических моделей термообработки
- Формализация постановки задачи термообработки и её декомпозиция
- Математические модели процессов термообработки мясных изделий различной формы
- Элементы базы данных, используемых при расчете термопроцесса
Введение к работе
Актуальность проблемы. Для удовлетворения возрастающих потребностей рынка в мясных продуктах необходимо решить ряд задач, связанных с увеличением объемов производства мяса, с созданием условий для его хранения, а также с обеспечением технологически эффективной термической обработки мясных изделий. При этом предполагается достижение высокого качества готовых продуктов.
В этой связи одной из важнейших задач является задача увеличения объема производства колбасных изделий различного ассортимента и улучшение их качества. Для решения указанной задачи требуется совершенствование традиционных способов и разработка более прогрессивных методов производства колбасных изделий с использованием современных информационных технологий и компьютерных систем.
Одной из основных стадий процесса: производства колбасных изделий является термическая обработка, ибо она в конечном итоге формирует и определяет качество готового продукта. Термическая обработка производится в специальных технологических установках -термокамерах. Для определения научно-обоснованных режимов и методов термической обработки мясных изделий с обеспечением высокого качества готовой продукции требуется математическое описание и математическое моделирование, учитывающее изменение температуры мясного изделия при термообработке. Кроме того, математическое моделирование позволит провести оптимизацию процесса по наиболее существенным показателям. Это, в свою очередь, обеспечит эффективность производства и улучшит качество готовых продуктов. Сокращение времени переработки мясного сырья на всех этапах термической обработки без снижения качества будет способствовать решению указанной выше задачи.
Существует несколько способов создания технологически допустимых условий в термокамере. К ним можно отнести следующие: теплоизлучение, использование перегретого пара, ультразвук, использование горячей воды и др. При этом во всех случаях необходим равномерный подвод тепла ко всей поверхности обрабатываемых изделий с отклонениями не более 1С в соответствии с требованиями технологического процесса на всех этапах термообработки. Инфракрасные и высокочастотные методы термической обработки мясных изделий требуют развития объемных методов расчета тепловых процессов. Уровень концентрации дыма на этапе обжарки и уровень концентрации влажности на этапе варки накладывают дополнительные требования к точности методов, используемых в управлении процессом. Управляющие воздействия зависят от физических параметров сырья.
Итак, оптимизация процессов термической обработки мясных изделий с помощью математического моделирования является важной и актуальной задачей.
Разработке методов решения этой задачи посвящена настоящая работа. В ней приводятся исследования отдельных стадий термообработки: подсушки, обжарки, варки и др. Учитываются также процессы испарения влаги, изменения давления пара, контроль на разрыв оболочки изделия и качество изделия.
В исследованиях применялись методы оптимизации, заключающиеся в минимизации энергетических и стоимостных затрат на продукт, в минимизации времени протекания технологического процесса при учете контроля качества продукции. Отклонения технологических параметров термообработки от их допустимых значений должны быть минимальными. Под параметрами технологического процесса понимаются следующие характеристики изделия: температура, влажность, цвет колбасы в центре изделия, показатель летальности и др.
Решение задач ведётся в рамках следующих технологических ограничений: допустимой мощности источников энергии, заданного объема термокамеры, заданного объема и состава сырья, максимального (минимального) значения температуры излучателей, максимального допустимого процента влаги, максимальных скоростей изменения температуры и влаги и т.д.
Цель работы: Целью данной работы является: повышение эффективности термической обработки мясных изделий и улучшение качества готовых продуктов при минимальных затратах.
Основные задачи исследований. Поставленная цель реализуется посредством решения следующих задач:
анализ существующих процессов термообработки мясных изделий в существующих установках;
физическая постановка задачи термообработки, её формализация и декомпозиция;
сбор и обработка исходных данных о технологическом процессе;
разработка методов расчёта процессов термообработки с учётом оптимизации;
разработка методов расчета начальных полей и идентификации технологических параметров;
анализ теоретических расчётов параметров процесса;
разработка методики экспериментальных исследований;
проведение сравнительного анализа и корректировки параметров математической модели с целью улучшения адекватности расчётных данных фактическим;
уточнение методики проведения технологического процесса на существующих установках;
разработка системы отображения информации о ходе технологического процесса;
Методы и средства исследований. В теоретической части работы использовались методы:
теплопередачи в термокамере и мясопродуктах;
физического и математического моделирования;
функционального и численного анализа;
инициализации и идентификации технологических параметров;
автоматизированного проектирования;
оптимизация систем с распределенными параметрами;
сбора и обработки информации;
проведения экспериментов;
количественного и качественного сравнения расчётных и физических данных.
В экспериментальной части работы использовались методы:
численных экспериментов.
статистической обработки данных.
Научная новизна: Теоретически разработан и экспериментально апробирован технологический процесс термообработки мясных изделий в термокамере с учётом изменения параметров: температуры и влажности, минимально отклоняющихся от заданного, автоматически контролируемые системой сбора, обработки и отображения информации.
Разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать: величины температурного поля, содержание влаги в мясопродуктах, потери массы изделия в процессе термообработки.
Разработана математическая модель расчёта времени и энергозатрат на термообработку с учётом их оптимизации при автоматизированной инициализации и идентификации технологических параметров.
Разработана система управления в советующем режиме,
оптимизирующая параметры технологического процесса.
Практическая ценность работы. Теоретические и
экспериментальные исследования настоящей работы имеют важное
практическое значение в пищевой отрасли производства мясопродуктов. Эти исследования могут быть использованы при определении и установлении режимов термической обработки, которые позволяют сократить время полного технологического процесса на 6-8%, потери массы продукции на 0,5-1,2%, энергозатраты примерно на 5% без потери качества продукции по отношению к существующим технологиям.
Предложенная методика проведения технологического
процесса даст возможность перейти к разработке автоматизированных установок с управлением параметрами режима работы и с минимальными отклонениями параметров от заданных технологически; в автоматизированном режиме проводить инициализацию и идентификацию технологических параметров.
Разработанные методы расчета режимных параметров позволяют моделировать технологический процесс, а расчетные и фактические данные позволяют следить за ходом производственного процесса и, следовательно, корректировать процесс по оценкам отклонений.
Разработанная методика расчета термопроцессов и программное обеспечение этих расчетов внедрены и приняты в эксплуатацию на ЗАО ММПЗ «Коломенское»,на Подольском мясоперерабатывающем комбинате. Опытная реализация предложенной методики позволила сократить время термообработки на 13 мин. при сохранении качества.
Апробация работы. Основные результаты обсуждались на научно-технических отраслевых конференциях:
V Международная научно-техническая конференция «Пища. Экология. Человек», Москва, 2003 г.
II Международная конференция студентов и молодых учёных «Живые системы и биологическая безопасность населения», Москва, 2003г.
III Международная конференция конференция студентов и молодых учёных «Живые системы и биологическая безопасность населения», Москва, 2004г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, из них 5 тезисы докладов на конференциях и семинарах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 80 отечественных и зарубежных источников, 10 приложений. Работа содержит 130 страниц текста, 12 рисунков, 4 таблицы. Основные положения, предъявляемые к защите: Теоретические исследования процесса термической обработки колбасных и мясных изделий;
Разработка технологических режимов термического процесса минимально отклоняющегося от заданного с оптимизацией: оценок качества, энергозатрат, времени обработки на каждом этапе режима;
Теоретические и практические методы идентификации технологических параметров в автоматизированном режиме работы; Результаты анализа экспериментальных данных;
Система управления, контроля и оценки качества продукции, моделирования и наблюдения за ходом технологического процесса с возможностью его корректировки;
Результаты анализа расчёта термопроцесса с использованием реальных данных;
Направления развития научных исследований темы. Содержание работы. Во введении освещена проблема обеспечения населения мясопродуктами и актуальные задачи их термообработки с целью удовлетворения возрастающих требований повышения качества.
Сформулированы цель исследований, требования к процессу термообработки, задачи исследовании для достижения цели.
Приводится краткое содержание основных разделов диссертационной работы.
В первой главе проводится анализ потребности населения в мясопродуктах. Ставится задача термообработки. Рассматриваются отдельные операции технологического процесса, его особенности. Приводятся результаты основных исследований по каждой операции в условиях изменения температуры; концентрации влажности и дыма греющей среды.
Даётся краткий анализ существующих отечественных и зарубежных термокамер. Показаны положительные аспекты и недостатки. Приводятся управляющие параметры термокамер; средства сбора, анализа и обработки информации.
Представлен краткий обзор математических моделей, выделены их достоинства и недостатки. Приводятся существующие технические средства сбора, обработки и отображения информации о ходе технологического процесса. Отмечается необходимость в разработке математических методов детализации процесса термообработки с автоматизированным процессом инициализации и идентификации технологических параметров.
Основные элементы анализа исследований проблем автоматизации процессов термообработки отражены в выводах к главе.
Во второй главе приводится физическая постановка задачи, её формализация и декомпозиция на подзадачи (по технологическому признаку). Выделяются условия основного и оперативного управления термическим процессом. Определяется множество допустимых режимов, на котором возможен выбор оптимального режима.
В третьей главе построено аналитическое решение уравнений модели процесса термообработки мясных изделий в термокамере. Решение
использует метод конечных разностей и метод прямых. Это позволило провести аналитические исследования основных свойств термического процесса: начальное развитие, асимптотическое поведение параметров при больших временах, выход на стационарное решение.
Здесь же построено решение задачи идентификации параметров математической модели (коэффициентов теплопередачи) для шаровой, цилиндрической и прямоугольной форм мясных изделий,
В четвёртой главе полученные теоретические формулы расчёта параметров термопроцесса приводятся к виду, удобному для программирования. Описываются алгоритмы: расчёта параметров планируемого термопроцесса; идентификации коэффициентов теплопередачи; функционирования в реальном масштабе времени; общего функционирования системы.
Даны результаты численных экспериментов с использованием данных, близких к реальным и проводится анализ этих результатов. Основное назначение численных экспериментов состоит в том, чтобы убедиться в работоспособности предлагаемого алгоритмического и программного обеспечения и возможности его использования для расчета параметров термического процесса.
Пятая глава содержит анализ численных экспериментов, выполненных для 11 примеров, включающих следующие основные элементы реального термического процесса: изменение притока тепла к поверхности изделия, изменение свойств среды в процессе физико-химических превращений. На трех примерах приведен анализ идентификации коэффициентов температуропроводности.
Шестая глава посвящена расчету термических режимов с использованием реальных данных.
В заключении приводятся выводы к работе и перспектива развития данного направления.
Анализ существующих математических моделей термообработки
Выше описан технологический процесс термообработки мясных изделий. Вполне очевидно, что в целях увеличения выпуска мясных изделий с необходимым качеством продукта необходимы математические модели технологического процесса, адекватно моделирующие процесс термообработки. Опыт исследований и конкретной эксплуатации существующих установок выделяет следующие основные задачи: — разработка математических моделей теплопередачи от среды теплокамеры к поверхности изделия, далее — внутрь продукта; — формализация температурного поля в продукте и камере в начальный момент времени процесса термообработки (инициализация); — формализация процессов передачи тепла из среды термокамеры к поверхности изделия (краевые условия); — разработка математической модели от источника тепла в термокамеру; —разработка математических моделей определения коэффициентов теплопередачи (идентификация); — формализация моделей слежения за качеством продукции; — формализация условий управления технологическим процессом. Область тер мо процесса. Область, в которой реализуется термопроцесс, можно разделить на три части: —среда продукта; — тонкий пограничный слой у внешней поверхности изделия (пограничный слой), в котором проходит процесс испарения влаги из изделия; — основная часть термокамеры.
Моделирование в полном объеме затруднительно, ибо необходимы «быстрые» методы расчётов параметров режима, тем более использование их в реальном масштабе времени. Задача в третьей области обычно табулируется краевыми условиями, т.е. заданием режима температуры с допустимыми отклонениями 1С по температуре и 5% W по влаге. Задача решается технически - путём включения вентиляторов и управляется углами обдува изделий. Влажность регулируется расходом потока влаги в камеру.
Процессы в пограничном слое моделируются краевыми условиями на поверхности изделия, которые табулируют процессы испарения и потерю тепла простыми экспоненциальными формулами.
При таких предположениях термический режим рассчитывается для среды продукта. Эта область представляется для различных форм изделий в виде: цилиндра, шара, прямоугольника, тороида [64, 106].
Математические модели термообработки. Математические модели расчёта термического режима используют модель Фурье. Это уравнение теплопроводности в цилиндрической, сферической или декартовой системах координат (в зависимости от формы изделия). В сущности -закон сохранения энергии для рассматриваемых процессов.
Математическая модель линейная, имеет первый порядок производной по времени и второй — по координатам. Решение ищется в виде рядов спецфункций. Обычно эти ряды медленно сходящиеся. Используются преобразование Лапласа и др. [43, 56-59]. Как правило, используют постоянные коэффициенты теплопроводности и теплообмена, что сужает область исследований.
Реализацию этой модели приближёнными методами можно найти в работах [43,56-59,155]. Следует особо отметить численные методы с использованием конечных разностей. Они позволяют детализировать процесс термообработки (например, учесть нелинейные эффекты). Однако анализ возможен только посредством определённым образом обработки результатов численных экспериментов [106,124,153]. Сочетание достоинств аналитического вида решения и численного удаётся не всегда. Для детализации термического процесса необходима реализация модели с переменными по времени и координатам коэффициентам теплопередачи, ибо в них заложена неоднородность среды продукта и изменение их в процессе термообработки. Это повысит степень адекватности расчётных данных фактическим. Однако увлечение детализацией имеет разумные границы. Измерять параметры можно только в центре изделия, на его поверхности и в термокамере, т.е. детализировать процесс возможно только определением технологических параметров через фактические данные , и их всего три.
Задание теоретических значений параметров — ограничивает используемые методы расчёта. Необходим инструмент (математическая модель), использующий в полной мере всю информацию с объекта (фактические данные). Отметим, многие исследователи используют приближённый метод решения путём осреднения производной по времени на определённых интервалах времени технологического процесса [15, 19]. Это упрощает задачу, сводя её к решению обыкновенного уравнения второго порядка по координате. При этом в решение входит безразмерный коэффициент ВІ (коэффициент Био), по величине которого определяют стадии процесса.
Общее — это реализация заданного термического режима на всём периоде (на всех стадиях) термообработки, т.е. поддержание заданного режима с допустимыми отклонениями 1С по температуре, 5% W по концентрации влажности и дыма за счёт вентиляции (важен угол обдува изделий) и регулирование концентрацией влажности [33,49, 51].
Оперативное управление заключается в изменении температурного режима в камере и увеличении (уменьшении) концентрации влажности и дыма при достижении на поверхности изделия определённой температуры или при достижении в центре изделия заданной температуры. Это оперативное управление, ибо в целях избежания брака (разрыв оболочки, перегрев, качество цвета среды изделия и т.д.) требуется автоматизированное вмешательство в процесс. Критерии (величины температур) широко используются в исследованиях и на практике [56-59].
Идентификация. Использование математических моделей требует задания величин её параметров: коэффициентов теплопередачи, коэффициента а в формуле (1.1). Обычно это теоретические значения [56-59]. В ряде работ [15, 16, 39 ] используют поправки (временные, пространственные), что повышает степень адекватности моделей.
Автоматизированного вычисления величин параметров (идентификация) на информационной базе фактических данных в литературе не встречается (в данной отрасли). Попытка ликвидировать этот пробел приводится в настоящей работе. Технические средства сбора и обработки информации позволяют частично решить проблему идентификации на множестве фактических данных с использованием аналогичных исследований в других отраслях народного хозяйства [66].
Следует отметить, что исследования термического процесса в целях увеличения выпуска продукции до удовлетворения ею потребностей населения с требуемым качеством далеки от завершения. Критерии качества исследованы недостаточно полно, работы по исследованию микропроцессов (особенно физико-химические процессы) весьма редки. Информационное обеспечение и компьютерная реализация (моделирование и контроль режима) зависит от используемых математических моделей. Существующее математическое и программное обеспечение не моделирует технологический процесс термообработки достаточно полно. Как следствие - нет программ (учебных тренажёров) для повышения уровня квалификации специалистов и эффективного освоения новых видов изделий.
В литературе отсутствуют формализованные постановки задач общего функционирования термических промышленных установок, описывающих полный цикл термообработки, включая приведение в начальное состояние, с формализацией всех технологических задач. На практике это восполняется инструкциями по эксплуатации и должностными инструкциями.
Формализация постановки задачи термообработки и её декомпозиция
Общая постановка задачи. Формализуем задачу термообработки, физическая сущность которой и требования изложены выше. Это позволит, используя метод исследования «больших систем» [25,39,66], целенаправленно решать сопутствующие задачи, последовательно достигая поставленные цели.
Требуется разработать технологические режимы работы термокамеры стадий: подсушки, обжарки, варки, сушки. Температурные режимы нагрева поверхности изделия задаются технологией для каждой стадии ТІ (t). Аналогично задаются необходимые уставки по доставке в камеру паров влажности при обжарке и варке, концентрации дыма на стадии копчения изделия. Технические возможности установки позволяют реализовать заданный режим.
Соотношения (2.3) будут даны ниже. Задача многокритериальная с определённой оптимизацией, поэтому её следует отнести к классу задач кибернетики. Критерии (1-12) не всегда выполнимы, поэтому там, где необходимо, вводятся оценки предпочтения. Наиболее используемый метод решения близкого к оптимальному «от хорошего к более лучшему».
Выполнение п.п. (1, 2, 4, 5) обеспечивается задачей идентификации параметров технологических процессов термообработки. Условие (2.8) должно выполняться для любого допустимого режима (в сущности, это один из критериев с выполнением (2.9), определяющих допустимый режим). Требования (2.1), (2.7), 2.4), (2.9 - 2.11) служат для выбора оптимального режима. Требования п.п. 10 — 13 должны выполняться всегда, также как пункт качества (2.8.)
В физическую постановку задачи следует включить параметры оперативного управления, т.е. смену режима Г? (і) (включения вентиляторов, увеличения концентрации влажности, дыма; изменения температуры Тз) при достижении на поверхности и в центре изделия определённых величин температуры. Влияние угла обдува потоком изделий на режим T(t) должен отразиться в идентифицируемых параметрах процесса.
Декомпозиция общей постановки задачи. Декомпозируем задачу на подзадачи с условием, что определённая композиция их решений реализовывает общую задачу. Декомпозиция неоднозначна. В нашем случае удобно расщепление по технологическим стадиям процесса, т.е. по ходу времени технологического процесса. Этот вариант «естественно» удобен, ибо он расставляет приоритеты выполнения критериев и требований п.п. 1 - 13, значимость которых на каждой стадии своя.
Процессы, протекающие в области D3, характеризуются температурой Т, концентрацией влажности W и концентрацией дыма Сг т.е. в качестве основных характеристик в области Пз служит тройка (Т, W, Сг). Равномерное распределение этих параметров в области D3 обеспечивают вентиляторы. Отклонения значений указанных параметров находятся в пределах ±1С, ±5% W, ±5% С. соответственно. Выбор и расположение вентиляторов представляет собой инженерно-техническую задачу, которая здесь не рассматривается. Здесь же рассматривается более сложная задача, а именно задача обеспечения заданного нестационарного термического режима в камере при соблюдении определённых требований по отклонениям параметров Т, W, Сг. Обычно математическая модель для области D$ состоит в задании соотношений, связывающих параметры Р, Т, W, Сг, где параметр Р означает величину давления в области Дз. Величина давления Р необходима при исследовании изделий на брак (разрыв оболочки изделия происходит, если перепад давления ЛР = Pi Pj в изделии Dj и в камере Dj больше допустимой величины), а также при исследовании процессов обезвоживания продуктов. Эти вопросы в данной работе также не рассматриваются.
Вторая область Д?, называемая пограничным слоем, представляет собой тонкий слой вокруг продукта, т.е. у поверхности изделия. В нём происходят процессы испарения влаги из изделия через его поверхность. При этом температура понижается, что предотвращает преждевременную обжарку. Если процесс обжарки начался, то повышенная влажность в пограничном слое замедляет его, что необходимо для поддержания физико-химических свойств в продукте. Давление у поверхности ниже, чем в продукте, за счёт испарения. Это вызывает уменьшение влажности в изделии за счёт поверхности, где происходит испарение или стекание жидкой массы. Обычно исследователи эту область соединяют, т.е. рассматривают совместно, а процессы в ней моделируют граничными условиями.
Наконец, первая область / представляет собой мясное изделие — продукт, в котором происходят термические, физико-химические процессы. Будем считать, что физико-химические процессы задаются технологическим циклом и определяются термическим режимом. Рассмотрим мясные изделия (продукты) наиболее распространённой геометрической формы: цилиндрической, шаровой и формы параллелепипеда. Последнюю форму в дальнейшем для краткости будем называть прямоугольной.
Математические модели процессов термообработки мясных изделий различной формы
Второе граничное условие представляет собой соотношение связи параметров Т, W, С на границе областей D3UD2. В области D3, т.е. в термокамере, считаем, что параметры имеют заданные значения T(t), W(t), C(t) с незначительными отклонениями вплоть до границы пограничного слоя D3UD2 (r = rm). На стыке (на поверхности изделия) накладывается условие непрерывности этих функций Т, W,C,
Пограничный слой D2 сохраняем, а протекающие в нём процессы заложим в коэффициенты С/, С2 и Сз. Имеются два пути определения коэффициентов С/, С2 и Сз : первый — с помощью исследования микропроцессов в пограничном слое D2 и их моделирование; второй — эмпирический подход с помощью идентификации. Последний метод получил широкое распространение в различных отраслях [1, 2, 8 ].
Моделирование термического процесса будем проводить с использованием обобщённой постановки задачи (3.7), (3.15), (3.16). Параметры формы изделия, а также характеристики, учитывающие изменение физико-химических свойств среды (продукта), будем считать, что они содержатся (заложены) в коэффициентах а и /?, которые подлежат идентификации.
Датчики измерения температуры располагаются: один на внешней поверхности изделия, другой вводится в центр продукта в конце стадии процесса обжарки. Следовательно, для идентификации коэффициентов а и /? и контроля температуры можно получить данные с трех точек. Третьим значением является температура в камере Дз. Значение температуры на поверхности отличается от значения температуры в камере, тем более от температуры в центре изделия. Поэтому область пограничного слоя сохраним, а характеристики технологического процесса включим в коэффициенты а и /? как распределённые параметры, повышающие степень адекватности.
Система уравнений (3.17), (3.18) аппроксимирует уравнение (3.15) с точностью О(Ат ), где Лг = г о - о Вид этих уравнений свидетельствует о том, что параметр а должен отражать процесс выпаривания, а параметр fi характеризует тепло физические свойства пограничного слоя и среды продукта. Разбиение области на большее количество зон увеличит точность решения, которой для наших целей вполне достаточно, но повысит порядок системы, что значительно усложнит теоретические исследования и затруднит физическое толкование составляющих решения.
Тогда первые два уравнения решаются независимо. По форме, включая начальные и граничные условия, они совпадают с задачей для цилиндрической и шаровой структуры изделия (продукта), т.е. совпадают с задачами (3.26)-(3.28) и (3.30) - (3.32). Лишь необходимо уточнить расчёты температуры Т в условных точках (x2,y2)eD2.
Элементы базы данных, используемых при расчете термопроцесса
Опишем укрупнённый алгоритм расчёта планируемого термического режима работы термокамеры, блок-схема которого приведена на рис.4.1. Термический режим термокамеры T$(t) либо задан, либо находится в БД (по типу или марки изделия), либо рассчитывается (корректируется) с помощью данного алгоритма. Если информация о термопроцессе данного изделия есть в БД, то там же должны быть все исходные данные. Кратко опишем алгоритм по блокам, которые соответствуют блок-схеме (рис.4.1). 1. Начало работы программы (ввод операционной системы, системы отображения, печати, выделения необходимого объема памяти). 2. Ввод исходных данных (из БД или с пульта): /, га,у , у2, Г0\ 0 t - ч » % О » » 1( » 1 00» "» » 1 01 ( J 3. Вычисление параметров постоянных в планируемом процессе: rot=(7-r0, A2V 4J2, 4)І Дг (по формулам 4.10). 4. Вычисление начальных параметров я0, я,0, с0 (по формулам (4.1),(4.3),(4.10)) 5. Вычисление: а а2, т, Т{!, с[ = Ґц (по формулам (4.1), (4.3), (4.10)). 6. Вычисление параметров критерия летальности микрофлоры: Л(г„,(Д (ГрїДЛ ,/,) (по формулам (3.81)). 7. Вычисление температурного поля 7 (г4, ) rte/3,u/)2 для отображения на дисплее (по формулам (4.10)) 8. Отображение на экране T{rkj() с основными параметрами термического процесса tt, Агт(гй), АЦг), Л (0), глМ, /, ,, л, t,4 9. Сравнение: если 7 Г0 , то разовое сообщение о завершении подсушки, увеличения % влаги в обдуваемом потоке; если 7 " Т управление на блок 11. 10. Сообщение о завершении подсушки, отображение на экран основных параметров термопроцесса, запись параметров для формирования заключительного Протокола термообработки изделий. 11. Сравнение: если Г0 йГ", то разовое сообщение о параметрах процесса, увеличения % влаги в потоке; еслиГ0 Г0\ то управление на блок 13. 12. Сообщение на экран с записью параметров для формирования выходного документа. 13. Сравнение: если Т Т", то разовое сообщение на экран с записью параметров для формирования выходного документа; если Тц Т , то управление на блок 15. 14. Сообщение на экран параметров процесса. 15. Сравнение: если Гч й Т", то сообщение на экран о завершении термопроцесса; если Ґц Т", то управление на блок 20 16. Сообщение на экран параметров процесса. 17. Формирование выходных документов. 18. Печать выходных документов. 19. Конец термообработки. 20. Сравнение: если /(. tk то далее; если t, tk, то управление на 5, т.е. завершение термопроцесса возможно при достижении в центре изделия температуры Т" или по истечении времени tk. 21. Сообщение на экран, отображение параметров на экран, запись информации для формирования выходного документа. Процесс можно продолжить, если откорректировать значение tt и передать управление на блок 5.
Фактические параметры термического режима 7 ,7 ,7 либо заданы (моделирование), либо снимаются с датчиков (реальный масштаб времени). Кратко опишем алгоритм по блокам, которые соответствуют блок-схеме (рис.4.2). Для примера рассматриваются цилиндрические формы изделий. Принципиально алгоритмы не меняются для шаровой и произвольной форм. 1. Начало работы программы (ввод операционной системы, подключение периферийных устройств, распределение памяти, подключение системы сбора информации). 2. Ввод исходных данных (из БД или с пульта); / - длина изделия, гд - радиус изделия, начальные данные Уоі» У К ті К ты h - время завершения работы программы І ґ 3. Вычисление: =—/ 0, Ar = r0 -rlt r0i=g-r0, д = —. Определение 3 гй начальных значений а,аі,с по формулам (4.8 - 4.9). 4. Программа опроса датчиков, контроль реальных данных Г0р ТІ, ТцУ (если датчик подключен). Данные привязываются ко времени опроса tt с начала процесса. Контроль данных на : числовую или символьную информацию, диапазон, наличие. Если датчик в центре изделия подключен, то вырабатывается сигнал Sj, 5. Блок управления вычислительным процессом: если сигнал есть, то переход на блок 7; если нет — на блок 6. 6. Вычисление: Дг, = ti tlAtaf02,7і/ по формулам (4.3). 7. Вычисление: : &t. =t, -fM, 7]1 по формуле (4Л1). 8. Та и другая ветвь приходит на сравнение го -7J г3. 9. Делить на ноль нельзя, поэтому полагаем а[ а\ \ . 10.Деление допускается, а , с вычисляется по формулам (4.12). 11 .Две ветви приходят на блок управления по условию т -70 є3. 12.ПрисВ0ЄНИЄ а - а1 1. 13.Вычисление а " по формуле (4.12). 14.Две ветви приходят на программу отображения на дисплей п п f 7 T J" Т Т4 " t " t "її С » on J0» 1l 1ц ll 15.Запись в БД информации для формирования заключительного Протокола термопроцесса. Архивирование. Іб.Блок управления завершения идентификации. Если t, Ztk, если t, tk, то управление на блок 4 (следующий шаг по времени). 17.Подготовка выходных документов. 18.Печать выходных форм документов 19.3авершение работы программы. Алгоритм может работать в режиме моделирования (идентификации \а \ {а{}, \с }, если задать Щі\ \fa} (м)-
Под общим алгоритмом функционирования будем понимать использование информационной системы (БД) и описанных выше алгоритмов для моделирования термопроцессов и их реализации с соблюдением условий качества (2.7)-(2.9). В процессе выбора (моделирования) режима термообработки минимизируются критерии (2.4),(2.10)-(2.11). Кратко опишем возможности алгоритма используя «меню». 1. Информационно-поисковая система. 2. Моделирование планового режима работы термокамеры. 3. Моделирование (идентификация) свойств среды изделия при термообработке. 4. Моделирование реальных термопроцессов. Информационно-поисковая система. Из БД по ГОСТу, названию изделия можно взять информацию: о составе среды изделия, физические и геометрические параметры, возможные режимы термообработки: {г0 ря ,а,\с ,г(}, содержание влаги {ff ,/,}, концентрацию дыма {с, tt}t параметры управления во времени.
Параметры термопроцесса можно корректировать. С другой стороны, в случае «успеха» реализации режима, его параметры можно включить в БД (самообучение ИПС).
Моделирование планового режима. Исходные данные (из БД, откорректированные или вновь введённые) передаются в программу «моделирование планового режима». В процессе работы программы её можно остановить на любом шаге /,, вернуться на несколько шагов At{ назад, провести корректировку исходных данных и продолжить счёт. Параметры среды {а ,а[, с } считаются заданными, но также возможна их корректировка. Используя корректировку параметров, можно оптимизировать технологический процесс (улучшение критериев (2.4), (2.10-2.11).
Моделирование (идентификация) свойств среды изделия при термообработке. Если данных о \i\a\,с ,/,}, в БД нет, возникает необходимость их идентифицировать, используя реальные данные {ГорГо, }. Это необходимо для расчёта параметров планового режима, выявления причин отклонений от него во избежание брака (ухудшение критериев (2.7-2.П)). В процессе моделирования возможна корректировка исходных данных.
В процессе моделирования реальных термопроцессов можно провести анализ (экспертизу) выбранного для реализации режима термообработки с возможной корректировкой его параметров с целью улучшения значений критериев качества. Этот режим может быть использован при реализации термопереноса. Выводы к главе
1. Приведены к виду, удобному для программирования, теоретические формулы расчёта параметров термического процесса: температуры в пограничном слое и среде изделия, коэффициентов температуропроводности, модель аппроксимации расчётных и реальных данных для отображения информации термопроцесса на дисплее.
2. Построена информационно-поисковая система (в части информации расчёта термической обработки колбасных изделий). Система позволяет: по ГОСТу, наименованию выбрать параметры термического режима (если допустимый режим содержится в БД); дополнять БД информацией о параметрах возможных режимов для реализации (элемент самообучения системы).
3. Построен алгоритм расчёта параметров планируемого режима работы термокамеры с учётом технологических и вычислительных особенностей метода. Алгоритм включает: контроль информации; непрерывное отображение во времени термопроцесса идентифицированных коэффициентов теплопередачи; возможность остановить вычислительный процесс, вернуться на несколько временных шагов назад, провести коррекцию данных, продолжить вычислительный процесс.
