Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 7
ГЛАВА 1 ПРОЦЕСС ДОЗИРОВАНИЯ В СМЕСЕПРИГОТОВИ ТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТАХ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ 13
1.1 Технологическая значимость процесса дозирования в
производстве пищевых продуктов 13
1.2 Способы дозирования сыпучих материалов 15
1.3 Не стационарности процессов дозирования в системах не прорывного смесеприготовления
1.3.1 Погрешности при непрерывном дозировании 19
1.3.2 Частотные не стационарности в режимах работы дозирующей аппаратуры 24
1.4 Обоснование выбора объекта исследований. Влияние пульсаций питающих потоков на процесс непрерывного смесеприготовления 26
1.5 Математическое моделирование процессов дозирования и непрерывного смесеприготовления 32
ВЫВОДЫ 39
ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА МАТЕМАТРІЧЕСКИХ 41 МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССОВ ДОЗИРОВАНИЯ
2.1 Характеристика общей структурно-функциональной схемы смесеприготовительного комплекса 41
2.2 Описание дозирующих воздействий в смесительном агрегате и их параметризация 42
2.2.1 Формирование моделей сигналов мгновенной производительности дозаторов непрерывного действия (спирального и шнекового)
2.2.2 Модели расходовых сигналов порционных дозаторов 47
2.3 Оценка флуктуации материалопотоков на предсмеситель ной стадии 57
2.4 Время частотный анализ материалопотоковых сигналов на базе вейвлет-преобразований 60
2.4.1 Непрерывное вейвлет-преобразование 60
2.4.2 Алгоритм адаптивной аппроксимации материало потоковых сигналов средствами вейвлет-поиска 63
ВЫВОДЫ 69
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА И МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1 Описание исследовательского стенда 70
3.2 Дозировочное оборудование
3.2.1 Шнековый дозатор 72
3.2.2 Спиральный дозатор 73
3.2.3 Порционный дозатор 3.3 Центробежный смеситель непрерывного действия 77
3.4 Аппаратно - программный комплекс для регистрации, об- 79
работки материалопотоковых сигналов и управления смесеприготовительным агрегатом
3.4.1 Система управления динамикой текущих режимов работы дозирующих устройств
3.4.2 Первичные измерительные преобразователи для регистрации материалопотоковых сигналов
3.4.2.1 Пьезоэлектрические преобразователи 84
3.4.2.2 Тензометрические устройства 86
3.5 Методики определения погрешности дозирования и качества смесей 87
3.6 Физико-механические характеристики исследуемых сыпучих компонентов
3.7 Методика определения аналитических моделей сигналов 91
дозирующих устройств
ВЫВОДЫ 93
ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНРІЯ ДОЗИ РУЮЩИХ УСТРОЙСТВ, РАБОТЫ МОНИТОРИНГО ВОГО УПРАВЛЯЮЩЕГО КОМПЛЕКСА И МАШИН
НЫЙ АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ СМЕСЕПРИГОТОВИ ТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ 94
4.1 Исследование работы дозирующих устройств 94
4.1.1 Погрешность и производительность дозирования 95
4.1.2 Аналитические зависимости сигналов дозирующих устройств:
4.1.2.1 непрерывного действия 100
4.1.2.2 порционного типа 102
4.2 Методика обработки материалопотоковых сигналов, регистрируемых первичными измерительными устройствами 104
4.3 Модельные и экспериментальные осциллограммы блока дозаторов
4.4 Преобразование одномерных сигналов блока дозаторов в двумерные модифицированные переменные (координаты) 111
4.5 Способ управления динамикой процессов дозирования на основе время частотного представления материалопото-кового сигнала
4.6 Время-частотные отображения материалопотоков в подконтрольных точках смесительного агрегата
4.7 Частотное исследование систем непрерывного смесеприготовления
4.7.1 Влияние режимно-конструктивных параметров блока дозаторов на флуктуации материалопотока на пред смесительной стадии
4.7.2 Исследование влияния режимно-конструктивных параметров центробежного смесителя непрерывного действия на степень сглаживания пульсаций входного материалопотока
4.7.3 Определение рациональных режимов совместного функционирования блока дозаторов и центробежного смесителя непрерывного действия
ВЫВОДЫ 140
ГЛАВА 5 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ 141
5.1 Обоснование использования смесей сыпучих компонентов в производстве мучных кондитерских изделий в агрегатах непрерывного действия
5.2 Практические основы использования смесительного агрегата с управляемым дозированием при получении смесей сыпучих компонентов в производстве печенья
ВЫВОДЫ 152 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 155
ЛИТЕРАТУРА 156
ПРИЛОЖЕНИЯ 167
Приложение 1 Результаты экспериментальных исследований дозаторов
Приложение 2 Аналитические зависимости сигналов материалопотоков для непрерывных дозирующих устройств (спиральный и шнековой дозаторы).
Приложение 3 Зависимость коэффициента сглаживания пульсаций материалопотока дозаторного блока от ре жимно-конструктивных параметров центробежного смесителя непрерывного действия 181
Приложение 4 Результаты определения коэффициента неоднородности по ключевым компонентам в смесях для приготовления сахарного и сдобного печенья 183
Приложение 5 Акт промышленных испытаний 186
Введение к работе
ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
Обеспечение продовольственной безопасности государства является важной народнохозяйственной задачей. При этом разработка аппаратурного оформления процессов производства пищевых продуктов, основанных на переработке сухих сыпучих материалов, и его совершенствование является важным условием решения задач, определенных «Концепцией государственной политики в области здорового питания населения РФ до 2005 года».
Разработка технологий и пищевых продуктов нового поколения, в том числе функциональных, основано на использовании пищевых и биологически активных добавок. Важной особенностью их использования является заданная концентрация в пищевых продуктах, основанная на суточной дозе потребления.
При получении пищевых продуктов с заданными свойствами и безопасных в гигиеническом отношении, определенные трудности возникают на этапе дозирования добавок и их дальнейшего равномерного распределения при смешивании, что связано с высокими процентными соотношениями смешиваемых компонентов, существенными отличиями их гранулометрического состава и агрегатного состояния.
Особую значимость приобретает дозирование при механизированных способах производства многокомпонентных пищевых продуктов, основанных на использовании аппаратов непрерывного действия. Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов получения смесей на основе сыпучих компонентов, проведенных в России и за рубежом, показывает значительное преимущество смесеприготовительных агрегатов (СА) непрерывного действия по сравнению с периодическими.
Однако до последнего времени непрерывно-действующие смесительные аппараты не получили широкого применения в промышленности из-за нерешенности ряда вопросов. В частности, недостаточно изучен вопрос влияния входных сигналов, формируемых дозаторами различного типа, на структурные параметры выходных потоков, а также совместное влияние этих факторов и динамических характеристик смесителей непрерывного действия (СНД) на качество готовой смеси. Особенно это важно при получении комбинированных продуктов, когда соотношение смешиваемых компонентов составляет 1:1000 и выше.
В последние годы рядом российских и зарубежных ученых (Макаров Ю.И., Александровский А.А., Ахмадиев Ф.Г., Зайцев А.И., Иванец В.Н., Gi-bilaro R.G. и др.) опубликованы исследования в области разработки теории непрерывного смешивания. Однако разработке теоретических основ процесса дозирования посвящено сравнительно небольшое количество работ. Незавершенность подобных исследований сдерживает разработку новых, более универсальных, разновидностей СА, которые бы полнее удовлетворяли постоянно растущие требования к качеству готовых продуктов и условиям конкретного производства.
Кроме того, в настоящее время недостаточно развит системный подход к изучению процессов получения сыпучих смесей, который бы увязывал в единую цепочку процессы дозирования и смешивания с точки зрения кибернетических представлений о динамических системах смесеприготовления.
При этом широко используемые в составе смесительных агрегатов более простые в изготовлении и эксплуатации дозирующие устройства объемного принципа действия обладают в ряде случаев относительно большими погрешностями дозирования - в сравнении с весовыми, которые не всегда возможно сгладить при смешивании.
Поэтому разработка, совершенствование и исследование технологических способов смесеприготовления, методов автоматизированного контроля и управления динамикой смесеприготовительного агрегата на базе теоретических и экспериментальных исследований процессов дозирования и смешивания, создание теории и методики их расчета с использованием математических моделей смесеприготовления, реализуемых на компьютерной основе, является актуальной задачей, представляющей научный и практический ин 9 терес для перерабатывающей промышленности агропромышленного комплекса.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами НИР по грантам Министерства образования РФ на 2003-2004гг.: 1) ТО2-06.7-1238 «Научно-практические основы разработки непрерывно-действующих смесителей центробежного типа с регулируемой инерционностью для получения сухих и увлажненных композиционных материалов», научный руководитель - Иванец В.Н.; 2) ТО2-03.2-2440 «Система технологического мониторинга и автоматизированного управления динамикой непрерывных технологических процессов в агрегатах для производства пищевых дисперсных композиций на базе всплесковых преобразований», научный руководитель - Федосенков Б.А.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
Цель работы - разработка теоретических и экспериментальных аспектов смесеприготовления в агрегатах непрерывного действия в режиме автоматизированного управления динамикой процессов дозирования.
В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решались следующие задачи:
- разработка и анализ математических моделей процессов непрерывного и дискретного дозирования;
- исследование влияния различных режимов работы дозаторов непрерывного и дискретного действия на погрешность дозирования сыпучих материалов;
- разработка аппаратно-программного комплекса, способов идентификации и контроля текущих режимов работы дозирующих устройств с использованием математического подхода на основе вейвлет-преобразований; - создание векторной автоматизированной системы управления процессами дозирования с обратной связью по двумерным время-частотным координатам;
- формирование математической модели СА и разработка метода ее исследования, позволяющего на интерактивном уровне рационально согласовать режимные параметры работы блока дозирующих устройств (БДУ) и смесителя непрерывного действия для получения смесей требуемого качества;
- проверка разработанных математических моделей на адекватность реальному процессу дозирования.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ
Созданы математические модели процессов дозирования в непрерывно-действующих смесеприготовительных агрегатах, позволяющие анализировать возможности получения смесей заданного качества; получены экспериментальные данные исследований дозирующих устройств, дающие возможность - в совокупности с математическим подходом на базе вейвлет-преобразований - контролировать и идентифицировать текущие режимы их работы; разработан способ мониторинга и автоматизированного управления динамикой технологических процессов дозирования, обеспечивающий коррекцию последних в реальном времени и непрерывный структурный анализ материалопотоковых сигналов дозирующих устройств; разработаны математические модели СА непрерывного действия с различными конфигурациями БДУ и смесителей непрерывного действия, позволяющие на основе их анализа реализовывать новые технологические способы получения смесей заданного качества путем структурной организации материалопотоков блока дозаторов, а также ре-циркуляционных и согласно-параллельных каналов смесительного оборудования; выявлены качественные и количественные закономерности сглаживания входных сигналов смесителями непрерывного действия, обладающими разными инерционными свойствами.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ
Разработка теоретических и экспериментальных аспектов процессов дозирования и смешивания в СА непрерывного действия позволила усовершенствовать работу БДУ (уменьшить погрешность дозирования сухих сыпучих материалов устройствами объемного типа на 15-20%) и использовать в его составе более простые по конструкции (менее инерционные) центробежные СНД для получения смесей высокого качества; разработана автоматизированная система управления процессом дозирования, дающая возможность повысить качество готовых смесей по ключевым компонентам на 10- -15%; предложен способ производства сахарного печенья с приготовлением теста на смеси сыпучих компонентов, полученной в смесеприготовительном агрегате непрерывного действия, техническая новизна которого подтверждается заявкой на патент; приведенные в диссертационной работе материалы внедрены в научно-учебные комплексы кафедр «Процессы и аппараты пищевых производств» и «Автоматизация производственных процессов и АСУ» Кемеровского технологического института пищевой промышленности, и используются при подготовке бакалавров, инженеров и магистров.
АВТОР ЗАЩИЩАЕТ
1. Математическое описание процессов дозирования на основе комплексного использования кибернетического подхода и алгоритмов вейвлет-анализа, позволяющих обеспечить способ автоматизированной идентификации и контроля текущих режимов работы дозирующего оборудования; 2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов дозирования устройствами непрерывного и дискретного действия;
3. Способ и автоматизированная система управления и синхронизации рабочих режимов дозаторов с целью стабилизации их рациональных параметров;
4. Результаты цифрового интерактивного моделирования процессов в СА непрерывного действия с целью выявления рациональных режимов функционирования его фрагментов (БДУ, СНД).
