Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса и постановка задач исследования 12
1.1 Классификация энергетического оборудования мясоперерабатывающих предприятий 12
1.2 Описание технологического процесса изготовления вареных колбасных изделий 18
1.3 Определение уровней энергопотребления оборудования, оказывающего влияние на энергетическую эффективность технологического процесса 22
1.4 Физико-химические изменения при термической обработке колбасных изделий 30
1.4.1 Анализ физико-химических изменений при варке колбасных изделий 30
1.4.2 Анализ особенностей процесса охлаждения колбасных изделий 34
1.5 Дефекты колбасных изделий, вызванные нарушением режимов термообработки 36
1.6 Перспективы использования тепловизионного метода диагностики для оптимизации тепловых технологических процессов 39
1.6.1 Основы метода 39
1.6.2 Актуальность применения метода для диагностики состояния и оптимизации тепловых технологических процессов 42
1.7 Состояние разработок в области реализации систем тепловизионной диагностики 45
1.7.1 Общие сведения об объекте разработки 45
1.7.2 Анализ разработок в области создания и использования систем тепловизионной диагностики 49
Выводы по главе 55
2. Экспериментальные исследования процесса термовлажностной обработки кобасных изделий 56
2.1 Описание экспериментальной установки 56
2.2 Имитационное моделирование аэродинамических процессов в термокамере 60
2.3 Проведение экспериментальных исследований процесса нагрева колбасных изделий 66
2.3.1 Исследование процесса нагрева колбасных изделий методом тепловизионной диагностики 67
2.3.2 Изучение кинетики процесса нагрева колбасных изделий 74
Выводы по главе 84
3. Определение критериев оптимизации процесса нагрева колбасных изделий 85
3.1 Многофакторный статистический анализ процесса нагрева колбасных изделий 85
3.1.1 Обоснование выбора и пределов изменения вводных факторов 85
3.1.2 Выбор оптимальных решений задачи нагрева колбасных изделий 93
3.2 Исследование влияния оптимизации процесса на качество готовой продукции 99
3.2.1 Исследование на показатели безопасности 100
3.2.2 Исследование физико-химических показателей 101 Выводы по главе 104
4. Математическое моделирование процессов нагрева и охлаждения колбасных изделий 105
4.1 Постановка задачи 105
4.2 Математическое моделирование процесса нагрева колбасных изделий 106
4.3 Математическое моделирование процесса охлаждения колбасных изделий 109
4.4 Алгоритм и текст программы 112
4.5 Результаты моделирования процессов термообработки колбасных изделий 118
4.6 Сопоставление и анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований 123
Выводы по главе 126
5. Практическая реализация научых исследований 128
5.1 Проектирование и изготовление промышленного универсального комплекса обработки информации 128
5.1.1 Разработка конструкции промышленного универсального комплекса обработки информации 128
5.1.2 Разработка эскизно-конструкторской документации на промышленный универсальный комплекс обработки информации 133
5.1.3 Изготовление промышленного универсального комплекса обработки информации 134
5.2 Разработка математического, программного и информационного обеспечения системы тепловизионной диагностики 138
5.2.1 Формирование требований к разрабатываемой системе 138
5.2.2 Подсистема сбора и обработки данных 138
5.2.3 Подсистема формирования отчетности 139
5.2.4 Подсистема хранения данных 140
5.2.5 Подсистема взаимодействия с пользователем 141
5.2.6 Разработка математического обеспечения системы 141
5.2.7 Разработка программного обеспечения системы 142
5.2.8 Разработка информационного обеспечения системы 143
5.2.9 Разработка алгоритмического обеспечения системы 147
5.3 Разработка конструкции универсальной термокамеры для варки и охлаждения колбасных изделий 149
5.3.1 Разработка модуля теплового контроля 149
5.3.2 Разработка конструкции и принципа функционирования универсальной термокамеры с увеличенными показателями энергоэффективности 152
5.3.3 Разработка схемы автоматизированного управления универсальной термокамерой 160
5.4 Оценка интенсификации аэродинамических потоков в модернизированной термокамере на основе имитационного моделирования 164
5.5 Определение экономической эффективности 172
Основные выводы и результаты 175
Список используемой литературы 177
- Определение уровней энергопотребления оборудования, оказывающего влияние на энергетическую эффективность технологического процесса
- Имитационное моделирование аэродинамических процессов в термокамере
- Исследование влияния оптимизации процесса на качество готовой продукции
- Математическое моделирование процесса охлаждения колбасных изделий
Определение уровней энергопотребления оборудования, оказывающего влияние на энергетическую эффективность технологического процесса
В случае необходимости, размораживание осуществляется до достижения температуры в толще блока не ниже минус 1 С при температуре среды от 18 до 22 С.
Разделка, обвалка, жиловка. Разделка, обвалка и жиловка мяса осуществляется в производственных помещениях с температурой воздуха от 10 до 12 С и относительной влажностью воздуха не выше 75 %. На разделку подается мясное сырье с температурой в толще мышц: - охлажденное - от нуля до плюс 4 С, - размороженное сырье - от минус 1 до плюс 1 С; - парное - с температурой в толще мышц не ниже 35 С. Говядину жилуют и выделяют говядину жилованную без видимых включений жировой и соединительной ткани, с массовой долей жировой и соединительной ткани не более 6 %.
Шпик со свиных полутуш снимают единым пластом перед разделкой и выделяют нежирную свинину с содержанием жировой ткани не более 10 %. Затем свинину жилуют на свинину жилованную полужирную с массовой долей жировой ткани от 30 до 50 % и свинину жилованную жирную с массовой долей жировой ткани от 50 до 85 %.
По окончании обвалки мясо направляют на измельчение и посол. Измельчение и посол сырья. Перед посолом жилованное мясо взвешивают. Посол и выдержку сырья производят в соответствии с ГОСТ: - в кусках массой до 1 кг в течение 48-72 часов; - в шроте (мясо, измельченное на волчке через решетку с диаметром отверстий 16-25 мм) в течение 24-48 часов; - в мелком измельчении (через решетку с диаметром отверстий 3-6 мм) в течение 12-24 часов [43]. Допускается исключение процесса выдержки мяса в посоле. Подготовка немясных ингредиентов, пряностей и пищевых добавок. Подготовку сои, крахмала, муки, молока, фосфатов, чеснока и других материалов, предусмотренных рецептурой, проводят в соответствии с технологическими инструкциями по их применению. Приготовление фарша. Выдержанное в посоле, предварительно измельченное на волчке мясное сырье поступает на смешивание и тонкое измельчение.
При приготовлении фарша в соответствии с рецептурой в куттере вначале обрабатывают нежирное сырье (говядину, мясо птицы в кусках или шроте, свинину нежирную), добавляя комплексные фосфатосодержащие добавки или пищевые фосфаты и часть воды (льда); затем вносят раствор нитрита натрия (если он не был добавлены при посоле), поваренную соль, белковые препараты в гидратированном виде, чеснок, вареную шкурку, эмульсию из свиной шкурки, мясо механической обвалки.
После этого вводят жирное сырье, сухое молоко, муку или крахмал оставшуюся воду (лед) и обрабатывают до получения однородного тонкоизмельченного фарша. Температура готового фарша должна быть не выше 12 С.
При использовании белковых препаратов в сухом виде сначала в куттере проводят их гидратацию, затем закладывают и обрабатывают сырье в последовательности, приведенной выше.
При применении каррагинанов и красителей их вводят на первом этапе куттерования. При использовании нитритной соли взамен поваренной соли и нитрита натрия их вносят на том же этапе куттерования, что и поваренную соль. Коптильные препараты добавляют в соответствии с технологическими инструкциями по их применению.
После куттера фарш бесструктурных колбасных изделий допускается обрабатывать на машинах тонкого измельчения, при этом продолжительность куттерования сокращается на 3-5 мин. При приготовлении структурных колбасных изделий фарш готовится в две стадии: 1 стадия - приготовление тонкоизмельченного фарша в соответствии с выше описанным порядком внесения ингредиентов; 2 стадия - подготовленный тонкоизмельченный фарш перемешивают со структурными мясными компонентами и наполнителями, приготовленными заранее, до их равномерного распределения в фарше [49]. Температура готового фарша не должна превышать 12 С. При измельчении шпика на куттере его вносят на последнем этапе приготовления фарша (за 2-4 минуты до конца куттерования) и продолжают обработку до получения кусочков размером не более 6 мм (для шпика).
При приготовлении фарша к массе куттеруемого сырья добавляют воду (лед), рекомендованное количество для вареных колбас составляет от 15 до 43 %, при использовании полиамидных оболочек количество добавляемой воды уменьшают на 5-10 %. Подготовка к термической обработке. Подготовку колбас к термической обработке проводят в соответствии с ГОСТ. Наполнение полиамидных оболочек производят при переполнении по диаметру в соответствии с технологическими инструкциями по их применению, утвержденных в установленном порядке. Термическая обработка вареных колбас. Варку колбасных изделий проводят в соответствии с ГОСТ. Процесс протекает при температуре греющей среды (пар, воздух) 80-82 С до достижения температуры в центре батона 70-72 С [4, 5].
Имитационное моделирование аэродинамических процессов в термокамере
С целью получения достоверных результатов при термографическом обследовании тепловых объектом необходимо выполнить ряд условий.
Измерения следует производить при перепаде температур между измеряемым предметом и окружающей средой, превосходящим минимально допустимый, который определяется по формуле: С Ч- (2.8) где в - предел чувствительности тепловизора, С; W 0 - проектное сопротивление теплопередаче, мС/Вт; а - коэффициент теплоотдачи; г - относительное сопротивление теплопередаче исследуемого участка, не более 0,85.
Термографию следует проводить на работающем оборудовании, что способствует появлению необходимого перепада температур и будет удовлетворяет условию (2.5). При инфракрасной съмке внутри аппаратов следует особое внимание обратить на экранирование источников света и тепла, расположенных вблизи объекта термографии.
Если имеет место аэродинамическая нагрузка, то необходимо измерить ее параметры для дальнейшей корректировки измеренных значений температур. Сила и направление потока могут оказывать существенное влияние на теплоотведение с наружной поверхности исследуемого объекта.
В случае, если исследуемый объект не помещается в поле визирования тепловизора, съмку следует производить покадрово. По завершении съмки оператор осуществляет перемещение тепловизора таким образом, чтобы объект измерения находился под углом наблюдения не менее 60 для исключения зависимости излучательной способности от угла наблюдения. В диапазоне от 60 до 90 при приближении к 90 коэффициент отражения будет возрастать, а излучательная способность соответственно падать. Исходя из вышесказанного следует, что надо стремиться к тому, чтобы тепловизор был направлен по нормали к исследуемому объекту.
Для определения масштаба при обработке результатов измерений на обследуемом объекте следует выбрать геометрическую реперную точку, в качестве которой могут быть использованы типовые элементы с известными линейными размерами.
Перед началом работ тепловизор устанавливают в контрольной точке и выставляют необходимый температурный диапазон, чувствительность, верхнюю и нижнюю границу измеряемых температур. Выбирается коэффициент теплопроводности исследуемого материала. На следующем этапе необходимо добиться устойчивого и чткого теплового изображения на экране видеоконтрольного устройства посредством регулировки фокуса, яркости и контраста.
Все значения температур, которые будут использоваться, предварительно корректируются с учтом излучательной способности объекта. При первом исследование нового объекта рекомендуется произвести корректировку коэффициента излучательной способности на месте съмки. Для этого с помощью контактного термометра определяется истинная температура исследуемого объекта, в ручном режиме проводится корректировка тепловизора, задается равенство tизм и tрад. Значение коэффициента излучательной способности, установленное при достижении указанного равенства будет являться истинным.
В качестве контрольного по возможности выбирают участок, размером больше двух толщин объекта и имеющий равномерное температурное поле. Этот участок должен быть выполнен из того же вещества, что и исследуемая поверхность с температурными аномалиями. Его температурное поле должно соответствовать минимальному выходному сигналу тепловизора.
Сравнивая термограммы исследуемого и контрольного участков, выявляют места с повышенными теплоотдачей. Участок с температурными аномалиями подвергаются детальной термографии с минимально возможного расстояния. Параллельно с измерениями необходимо провести визуальный осмотр исследуемого участка, чтобы исключить возможность искажения тепловой картины в следствии, например, локального загрязнения и соответствующего изменения излучательной способности. По окончании съмки можно приступить к количественной оценке результатов измерений и компьютерной обработке. 2.3.1.2 Результаты тепловизионного исследования
Метод ИК-термографии по своей природе имеет ряд ограничений в использовании, одним из которых является необходимость прямого визирования тепловизором исследуемого объекта. Это связано с физической сущностью лучистого теплообмена. Поскольку тепловизор «видит» распределение тепловых полей на поверхности объекта, нахождение между ним и исследуемым объектом дополнительной среды затруднит или полностью исключит возможность использования метода.
В частности, при применении тепловизионной техники внутри работающего аппарата, каким является термокамера, существует возможность затруднения диагностирования. Связано это с нахождением в воздухе взвешенных частиц, которые по сути своей являются микроскопическими излучательными поверхностями, шум от которых может полностью перекрыть излучение исследуемого объекта.
Примером такого источника шума может служить дым. После сгорания, в результате конвективного движения воздушных масс, микроскопические частицы пепла попадают в дым, неся за собой собственное тепловое излучение. В связи с этим, при нахождении между источником инфракрасного излучения, сколь бы мощным он не был, и тепловизором «густого» дыма, получить термограмму исследуемого объекта практически невозможно, на изображение будет виден лишь тепловой шум. Учитывая факт того, что рабочей средой в термокамере является паровоздушная смесь, существует вероятность проявление описанного выше эффекта.
Исследование влияния оптимизации процесса на качество готовой продукции
На основе центрального композиционного ротатабельного униформпланирования выбран полный факторный эксперимент. Посредством таблицы случайных чисел порядок опытов был рандомизирован, что исключило влияние неконтролируемых параметров на результаты эксперимента [66]. При обработке результатов эксперимента были применены следующие статистические критерии: проверка однородности дисперсий - критерий Кохрена, значимость коэффициентов уравнений регрессии - критерий Стьюдента, адекватность уравнений - критерий Фишера.
В результате математической обработки эксперментальных данных получены уравнения регрессии, адекватно описывающие процесс под влиянием исследуемых факторов: Значимость коэффициентов в уравнении регрессии возможно оценит с критерия Стьюдента. Адекватность оценивается по критерию Фишера. Уровень значимости оценивает ошибку прогноза , т.к уравнение регрессии, построенное по отдельным выбранным данным, может отличаться от уравнения, полученного по всей совокупности экспериментальных точек, что приводит к ошибкам прогноза.
Поэтому, задавая изначально уровень значимости, корректируют точность получения уравнения. Чем уровень значимости меньше тем кривая более близка к исходным экспериментальным точкам, но это увеличивает сложность расчетов и количество знаков после запятой, что не всегда оправдано. Основываясь на чем, нами был принят уровень значимости 0,05. В уравнении регрессии для продолжительности нагрева, при уровне 0,05, все коэффициенты оказались значимыми. В уравнении для удельных затрат энергии при уровне значимости 0,05 незначимыми оказались коэффициенты при х22 и х32. Исключив которые, получим уравнение вида y2- = (256,461 + 2,183х 1 + 1,60х2 + 4,50х3 - 4,741х4 + + 0,212х 1 х2 + 1,112х 1 х3 -0,150х 1 х4 + 0,275х2х3 + 1,712х2х4 - 0,237х3х4 - 0,151х 12 + 0,112х42)10-3.
Из уравнения для удельных затрат энергии, нами сознательно небыли исключены указанные незначимые коэффициенты, с целью получения в более точного математического описания и результатов. А также построения по ним достоверных кривых равных значений, несущих смысл инженерной интерпретации особенностей протекания исследуемого процесса.
Из 3.3-3.4 возможно выделить факторы, оказывающие наибольшее влияние на рассматриваемый процесс.
На продолжительность варки колбасы наибольшее влияние оказывает температура паровоздушной среды в термокамере, наименьшее - содержание жира в колбасе. Степень влияния параметров относительно друг друга 4=1,952. Знак плюс перед коэффициентом при линейных членах указывает на то, что при уменьшении входного параметра значение выходного параметра увеличивается, а знак минус - уменьшается [86, 87, 88, 89].
На удельные энергозатраты, наибольшее влияние оказывает содержание жира в фарше, наименьшее - массовый расход пара, подаваемого в термокамеру.
Отношение коэффициентов, стоящих перед линейными членами, показывающие степень влияния параметров относительно друг друга, оказались равными: Ъ4: Ъ2 = 2,964.
Таким образом, установленные уравнения 3.3 и 3.4 являются нелинейными. В результате экспериментальных исследований (включающих 31 опыт) построена математическая модель процесса, получена информация о влиянии факторов. Математическая модель позволяет рассчитать продолжительность варки и удельные энергозатраты на килограмм готовой продукции в рамках выбранных интервалов варьирования входными факторами. На рисунках 3.1 - 3.12 приведены зависимости продолжительности варки и удельных энергозатрат от основных факторов: температуры паровоздушной среды в термокамере tc, С, массового расхода пара G„, подаваемого в термокамеру, относительной влажности паровоздушной среды в термокамере р, содержании жира в фарше Ж, влияющих на процесс нагрева колбасного изделия.
Математическое моделирование процесса охлаждения колбасных изделий
Подсистема хранения данных предназначена для оперативного и долговременного хранения информации в структурах, нацеленных на принятие решений и формирование отчетности, должна обеспечивать выполнение следующих функций: - хранение в течении заданного периода актуальных данных; - помещение в архив данных потерявших свою актуальность. С точки зрения эффективности работы системы осуществляется разбиение хранилища на два непересекающихся подмножества: - основное или оперативное хранилище - для показаний, используемых часто в текущих расчетах; - архивное хранилище или история - для показаний, используемых крайне редко.
Принимаемые данные от источника после проверки изначально попадают в оперативное хранилище. Спустя период времени, после которого они теряют свою актуальность для процесса управления, данные автоматически переносятся в архивное хранилище. При переносе в архивное хранилище производится процесс прореживания, в результате которого можно сократить информационный объемы без существенной потери в качестве. Процесс переноса данных в архивное хранилище инициируется системой самостоятельно на основе факта утери актуальности данных.
Математическая модель рассматриваемого процесса приведена в соответствующей главе. Здесь будет рассмотрен алгоритм осуществления расчета показателей (критериев), которые используются подсистемами формирования отчетности и хранения данных (рисунок 5.7). Для расчета значения критерия - температуры в некоторой точке необходимо использовать уравнение теплопроводности Фурье и начальное условие, которое хранится в базе данных.
Разработка программного обеспечения системы При разработке программного обеспечения системы используется следующий перечень независимых программных средств: - открытая реляционная система управления базами данных PostgreSQL 9.2.0; - открытая операционная среда DebianGNU/Linux 6.0 («Squeeze»); - открытая платформа разработки JavaSE 1.7. PostgreSQL - свободная объектно-реляционная система управления базами данных, которая существует в реализациях для множества UNIX подобных платформ, включая используемую DebianGNU/Linux. Используемыми особенностями в данном проекте являются: - поддержка базы данных размера, ограниченного физическим размером хранилища; - надежные механизмы транзакций и репликации; 143 - расширяемая система встроенных языков программирования, среди которых PL/pgSQL, PL/Perl и PL/Python. - поддержка возможностей наследования и процессов сравнительно простой расширяемости. Debian - операционная система, состоящая из свободного программного обеспечения с открытым исходным кодом. Debian используется в данном проекте в качестве операционной системы сервера. Debian имеет наибольшее среди всех дистрибутивов хранилище пакетов, готовых к использованию программ и библиотек необходимой ARM-архитектуры. Для работы с вышеупомянутым хранилищем разработаны разные средства, в данном проекте используется AdvancedPackagingTool (APT).
Java - это одновременно язык программирования и платформа, представляет собой высокоуровневый объектно-ориентированный язык программирования. При компиляции, которая выполняется один раз во время сборки приложения, код на Java преобразуется в код на промежуточном языке (байт-код). В свою очередь, байт-код анализируется и выполняется (интерпретируется) виртуальной машиной Java (JVM). Все реализации Java, включая 1.7, должны эмулировать JVM, чтобы создаваемые приложения могли выполняться на любой системе, включающей виртуальную машину Java.
Ниже приводятся требования к составу, структуре и способам организации данных в системе. Исходя из высокого информационного потока между компонентами интеллектуальной системы, выдвигается требование централизации хранения данных: это означает, что оперативные и долговременные данные должны располагаться в центральном хранилище. Система должна иметь трехуровневую архитектуру (рисунок 5.8), обусловленную различными техническими средствами связи между функциональными блоками и протоколами обмена данных. Первый уровень (функциональный блок) 144 источник оперативной термографической информации, второй - хранилище оперативных и долговременных данных, третий - блок принятия решения, визуализации и генерирования статистической отчетности.
С точки зрения информационного обмена между компонентами предъявляются следующие требования: - в качестве протокола взаимодействия между блоками хранения информации и принятия решения на транспортно-сетевом уровне необходимо использовать протокол TCP/IP; - ввиду особенностей технической реализации источника данных работа с ним должна осуществляться по протоколу UDP; - для организации информационного обмена между компонентами и доступа пользователей к отчетности должны использоваться протоколы прикладного уровня HTTP и HTTPS.
