Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующих способов стабилизации влажности в маслоизготовителях непрерывного действия 12
1.1 Аппаратурно-технологическое оформление производства масла способом непрерывного сбивания сливок 12
1.2 Аппаратурно-технологические факторы, влияющие на содержание влаги в готовом продукте 17
1.3 Обзор методов и систем экспрессного контроля и стабилизации параметра влажности 24
2 Аппаратурно-параметрическии анализ процесса производства сливочного масла 31
2.1 Разработка параметрической схемы технологического процесса и анализ факторов, влияющих на влажность готового продукта 31
2.2 Выбор каналов внесения управляющих воздействий 45
2.3 Выбор способа стабилизации 51
3 Разработка математической модели процесса формирования влажности сливочного масла 55
4 Формирование структуры системы управления стабилизацией влажности сливочного масла 75
5 Экономическая эффективность внедрения системы стабилизации влажности сливочного масла 107
Литература 111
Приложения 126
Приложение 127
- Аппаратурно-технологические факторы, влияющие на содержание влаги в готовом продукте
- Обзор методов и систем экспрессного контроля и стабилизации параметра влажности
- Разработка математической модели процесса формирования влажности сливочного масла
- Формирование структуры системы управления стабилизацией влажности сливочного масла
Введение к работе
В технологических процессах производства сливочного масла основным параметром, определяющим качество готового продукта и степень использования исходного сырья при оптимальном уровне производительности оборудования и энергозатрат, является содержание влаги в готовом продукте. Высокая производительность современных линий по производству масла в сочетании с ростом производства сливочного масла в России, вырабатываемого способом непрерывного сбивания сливок (более 80 тыс. т в год) обуславливают необходимость повышения качества стабилизации влажности масла в технологическом потоке.
Для производства сливочного масла в стране используется более половины товарного молока. Из общего объема производства сливочного масла, составившего в 2007 году 246 тыс. т, методом непрерывного сбивания произведено более 30% масла. Наиболее востребовано масло с содержанием жира не менее 82,5% и 78 %.
Качественные показатели сливочного масла и, в частности, обеспечение содержания влаги на нормируемом уровне, определяется стабильностью физико-химических параметров сырья, поддержание которых в настоящее время затруднено из-за снижения числа крупных молочнотоварных производителей молока. Отличие физико-химических параметров сливок в подключаемом на сбивание очередном сливкосозревательном резервуаре по сравнению с параметрами сливок текущего резервуара может обусловить отклонение влажности готового продукта до 4%, что приводит к возникновению переходного режима работы маслоизготовителя.
Отмеченное усложняет процесс стабилизации влажности готового продукта в условиях переходных режимов работы маслоизготовителя, вызванных подключением очередных сливкосозревательных резервуаров. Это обусловило необходимость рассмотрения вопросов, связанных с оценкой
5 уровня влияния факторов на формирование влажности и выбором каналов управления для совершенствования процесса стабилизации влажности масла.
Существующие способы стабилизации влажности сводятся, как правило, к операторному управлению, используя штатные каналы маслоизготовителя - подачу нормализующего компонента и изменение частоты вращения мешалки сбивателя, а в ряде случаев и изменение частоты вращения шнеков маслообработника. Текущую информацию о влажности готового продукта оператор получает по результатам лабораторного анализа или, реже, по показаниям влагометрических систем. Длительность лабораторного анализа составляет до 20 минут, а применение влагометрических систем, как правило, зарубежного производства, имеют ограниченный диапазон измерения влажности.
Однако отмеченные способы стабилизации влажности не обеспечивают, особенно в условиях переменного состава сырья по физико-химическим параметрам, требуемой оперативности управления и, соответственно, заданного уровня влажности в допустимых отклонениях, а также они лишены возможности выбора оптимальных сочетаний каналов управления, позволяющих обеспечить другие качественные показатели готового продукта, например диспергирование влаги.
Практика эксплуатации маслоизготовителей непрерывного действия (МНД) показывает, что в целях перестраховки при операторном управлении занижение содержания влаги в масле по сравнению с нормированным значением может достигать 1,5%. Это приводит к экономическим потерям, связанным со снижением степени использования сырья, повышением энергозатрат и снижением производительности оборудования. При этом следует учитывать, что процесс сбивания является завершающей фазой формирования параметра влажности и возможность его исправления требует дополнительных затрат, как правило, ручного труда.
В настоящее время решения по стабилизации влажности основаны на субъективных действиях оператора путем изменения частоты вращения
мешалки сбивателя, а также внесения нормализующего компонента только в режиме повышения влажности и в пределах, ограниченных технологическими инструкциями. Отмеченный способ обеспечивает допустимое качество и оперативность стабилизации влажности готового продукта только в условиях эксплуатационного режима работы маслоизготовителя.
В условиях переходного режима, связанного, с подключением очередного сливкосозревательного резервуара, оператор вынужден из-за значительных отклонений влажности готового продукта при внесении стабилизирующих воздействий выходить за технологически разрешенные пределы подачи нормализующего компонента и частоты вращения мешалки сбивания. Технологически разрешенные пределы изменения частоты вращения мешалки сбивателя ограничены из-за возможного нарушения
синхронизации процесса маслоизготовления, обуславливающего, в
( частности, повышенный уход жира с пахтой.
В условиях переходного режима при операторном управлении не обеспечивается оперативность и качество стабилизации влажности готового продукта, зависящие от действий оператора, так как отсутствует возможность предвычисления ожидаемых отклонений влажности готового продукта и ограничено количество каналов управления. При этом следует отметить, что снижение оперативности процесса стабилизации влажности обусловлено не только временем поступления данных, затраченных на лабораторный анализ, но и временем запаздывания аппаратурно-технологической системы сливкосозревательный резервуар — маслоизготовитель.
Учитывая, что существующими способами стабилизации влажности готового продукта не обеспечивается качество и оперативность управления в условиях переходных режимов работы маслоизготовителя, связанных с колебаниями физико-химических параметров сырья, требуется совершенствование процесса аппаратурно-технологической стабилизации
7 влажности сливочного масла в системе сливкосозревательный резервуар -маслоизготовитель непрерывного действия, что обусловливает актуальность работы.
Для решения задач совершенствования системы стабилизации влажности, требуется разработка способов обеспечения оперативности управления на основе возможности предвычисления ожидаемых отклонений влажности готового продукта при подключении очередного сливкосозревательного резервуара и повышения качества стабилизации путем увеличения числа каналов управления.
Для решения задач совершенствования системы стабилизации влажности, связанных с оперативностью и качеством стабилизации, необходимо, на основе исследования аппаратурно-технологических факторов, формирующих влажность готового продукта обеспечить возможность предвычисления ожидаемых отклонений влажности и увеличить количество каналов внесения управляющих воздействий, что обусловит снижение времени запаздывания, увеличение уровня управляющего- воздействия и обеспечит возможность работы каналов управления в пределах и режимах, рекомендованных технологическими инструкциями.
Таким образом, целью настоящей работы является совершенствование процесса аппаратурно-технологической стабилизации влажности при повышенной величине возмущающих воздействий, обеспечивающего оперативное внесение управляющих воздействий, направленных на сокращение времени стабилизации влажности и снижение амплитуды ее отклонения при режимах работы каналов внесения управляющих воздействий в технологически разрешенных пределах.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
- анализ аппаратурно-технологических факторов процесса производства сливочного масла и их классификация с точки зрения вида и
8 характера потенциальной управляемости и уровня влияния на формирование параметра влажности;
формирование многоканальной системы стабилизации влажности сливочного масла с внесением управляющих воздействий по величине отклонения влажности масла от номинального значения, обеспечивающей, тем самым, возможность повышения качественных показателей процесса стабилизации при имеющих место в процессе маслоизготовления внешних и внутренних возмущающих воздействиях;
разработка математической модели процесса формирования влажности готового продукта, ориентированной на предвычисление ожидаемого значения влажности масла и вычисление величины управляющих воздействий с дифференцированным выбором сочетаний каналов управления с учетом технологически разрешенных пределов;
разработка структуры и алгоритма управления процессом стабилизации влажности сливочного масла обеспечивающих формирование многоканальной системы управления, включающей возможность стабилизации влажности по ожидаемым и текущим её отклонениям в условиях работы каналов управления в аппаратурно и технологически разрешенных пределах.
При решении поставленных задач были проведены теоретические и экспериментальные исследования. Задача получения модели формирования параметра влажности готового продукта решалась на основе представления процесса производства масла способом непрерывного сбивания сливок как совокупности действия аппаратурно-технологических факторов на стадиях созревания сливок и маслоизготовления. При исследовании влажностных характеристик сливочного масла применялся метод пассивного эксперимента. При обработке результатов экспериментальных исследований применялись традиционные статистические методы регрессионного анализа.
Научная новизна работы заключается в следующем.
Определены основные аппаратурно-технологические факторы, формирующие влажность сливочного масла с учетом оценки возможности их потенциальной управляемости и уровня влияния на стадиях созревания сливок и маслоизготовления.
Предложен способ стабилизации влажности масла с подключением дополнительного канала управления температурой сливок, поступающих на сбивание, обеспечивающего повышение суммарного уровня стабилизирующего воздействия и снижающего, тем самым, время стабилизации и величину отклонения влажности в переходном режиме.
Предложена процедура предвычисления ожидаемого отклонения влажности масла, обусловленного внешними неуправляемыми возмущающими воздействиями, при подключении очередного сливкосозревательного резервуара.
Разработана математическая модель процесса формирования влажности, обеспечивающая предвычисление ожидаемого отклонения влажности масла с учетом воздействия управляемых и неуправляемых факторов на стадиях созревания сливок и маслоизготовления.
Предложена многоканальная структура и разработан алгоритм управления, обеспечивающие стабилизацию влажности в операторном (автоматизированном) режиме по соответственно текущему или предвычисляемому значению влажности в условиях работы каналов управления в технологически разрешенных пределах.
Практическая значимость работы заключается в разработке аппаратурно-технических решений, обеспечивающих стабилизацию влажности готового продукта в непрерывном потоке при обеспечении установленной производительности оборудования.
Для переходного режима предложена процедура предварительного вычисления ожидаемого отклонения влажности, позволяющая сократить
10 время запаздывания и, тем самым, улучшить качественные характеристики
процесса стабилизации влажности.
Многоканальный способ стабилизации позволяет обеспечить условия для работы каналов управления на режимах близких к средним аппаратурно и технологически разрешенным режимам работы маслоизготовителя, как в эксплуатационном, так и в переходном режиме, для которого разработана процедура предварительного вычисления ожидаемого отклонения влажности.
Разработанные многоканальная структура и алгоритм управления дают возможность реализовать поставленные задачи с перспективой совершенствования системы стабилизации в плане увеличения количества каналов управления.
Материалы исследований и результаты их практической реализации переданы для использования в научной деятельности Государственного научного учреждения «Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики», а также внедрены в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий по направлениям 260600 «Пищевая инженерия» и 220300 «Автоматизированные технологии и производства».
По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено два патента РФ на изобретения.
Основные результаты докладывались на научно-технических конференциях в Санкт-Петербургском университете низкотемпературных и пищевых технологий (2005-2008 гг.), на XI Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (СПб, 2005 г.), на 1-й Российской конференции по проблемам управления (СПб, 2006 г.), на III Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (СПб, 2007 г.).
Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы. Основное содержание работы изложено на 143 страницах машинописного текста, включая 15 таблиц, 23 рисунка, список литературы из 133 наименований, 7 приложений.
Основные положения, выносимые на защиту.
Результаты исследований аппаратурно-технологических факторов, формирующих параметр влажности на стадиях созревания сливок и маслоизготовления.
Обоснование многоканального способа стабилизации влажности сливочного масла на основе анализа аппаратурно-технологических особенностей процесса.
Обоснование предварительного вычисления уровня потенциально ожидаемого отклонения влажности масла, обусловленного подключением очередного сливкосозревательного резервуара.
Математическая модель процесса формирования влажности сливочного масла.
Структура и алгоритм управления многоканальной системой аппаратурно-технологической стабилизации влажности сливочного масла в непрерывном потоке.
Аппаратурно-технологические факторы, влияющие на содержание влаги в готовом продукте
В технологическом процессе производства сливочного масла способом непрерывного сбивания для задач настоящих исследований предпочтительно рассматривать операции, в процессе которых не только формируется содержание влаги готового продукта, но и обеспечивается потенциальная возможность ее управляемой стабилизации. К ним относятся операции созревания сливок, сбивания сливок и маслообработки (рис. 1.1).
Содержание жира в сливках, поступающих на сбивание в соответствии с рекомендациями технологических инструкций составляет 38-45% [91]. При этом следует учитывать, что с изменением содержания жира в сливках изменяется содержание влаги в масляном зерне (рис. 1.3), что соответственно окажет влияние на изменение влажности готового продукта [34, 39].
В процессе созревания сливок происходит фазовый переход жидкого молочного жира в твердое состояние, что создает условия для последующего процесса сбивания сливок в маслоизготовителе. Созревание сливок происходит в сливкосозревательных резервуарах как правило в течение 5-7 часов при технологически рекомендованной температуре 4-7 С в зависимости от физико-химических характеристик сырья.
Каждой температуре созревания соответствует максимально возможная степень отвердевания жира, при которой наступает равновесное состояние между жидким и твердым жиром в сливках. По данным Твердохлеб Г.В. [98] степень отвердевания жира в сливках должна составлять 30-35% от общего объема жира в сливках. Технологически обоснованная температура созревания сливок по окончании процесса созревания должна обеспечить перевод указанного количества молочного жира в твердое состояние. Имеющиеся исследования показывают, что температура в процессе созревания сливок (рис. 1.4), обусловливает изменение содержания влаги в масляном зерне [99]. При этом изменение влажности масляного зерна в пределах от 24,1 до 25,1% в зависимости от температуры созревания сливок приводит в конечном итоге к изменению содержания влаги в готовом продукте от 15,8 до 16,1% [11]. Таким образом, температуру созревания сливок необходимо учитывать как фактор формирования влажности сливочного масла.
Для сливок, поступающих на сбивание, технологическими инструкциями установлены требования к их кислотности. В указанных пределах изменения содержания жира в сливках кислотность сливок может изменяться от 15,6 до 14,3 Т.
С изменением значения йодного числа в весенне-летний и осенне-зимний периоды изменяется соотношение содержания высокоплавких глицеридов в составе молочного жира и соответственно изменяется продолжительность наступления равновесного состояния между твердой и жидкой фазами молочного жира, что определяет характер изменения влаги в масляном зерне и, соответственно, в готовом продукте в зависимости от сезона [38]. Вызванное таким образом изменение соотношения фаз молочного жира определяет содержание влаги в масляном зерне и соответственно в готовом продукте. С увеличением йодного числа улучшается способность молочного жира к связыванию влаги. Поэтому в весенне-летний период легче вырабатывать масло с повышенным содержанием влаги, чем зимой. И наоборот, в осенне-зимний период легче вырабатывать масло с пониженным содержанием влаги. Таким образом, йодное число влияет на изменение содержание влаги в готовом продукте в зависимости от сезона [9].
К факторам, влияющим на содержание влаги в масле, относится также продолжительность созревания сливок. В соответствии с технологическими инструкциями в весенне-летний продолжительность созревания сливок составляет не менее 5 часов, а в осенне-зимний - не менее 7 часов. Этот период времени необходим для установления равновесного состояния между жидким и твердым жиром в сливках. Каждой температуре созревания сливок соответствует максимально возможная степень отвердевания молочного жира. Рекомендованная степень отвердевания молочного жира в сливках должна составлять 30-35% от общего объема жира в сливках [66, 96].
Получение требуемого соотношения твердого и жидкого жира в сливках, являющегося основной целью процесса созревания сливок, определяется технологическими параметрами, характеризующими процесс созревания. Такими параметрами, одновременно влияющими на содержание влаги в готовом продукте, являются: содержание жира в сливках, температура созревания и кислотность сливок, йодное число молочного жира, продолжительность созревания сливок. Следовательно, влияние этих параметров необходимо учитывать в процессе производства сливочного масла, а также при выборе способов стабилизации влажности готового продукта [12].
На стадии маслоизготовления, включающей операции сбивания сливок и маслообработки, факторами, влияющими на процесс формирования влажности в масле являются скорость подачи сливок в сбиватель, температура сливок, поступающих на сбивание, частота вращения мешалки сбивателя, ширина зазора между краями лопастей и стенками цилиндра сбивателя, температура сбивания сливок, уровень пахты в первой камере шнекового текстуратора, частота вращения шнеков текстуратора, подача нормализующего компонента и конструктивные особенности маслоизготовителя [16].
С изменением скорости подачи сливок в сбиватель изменяется производительность маслоизготовителя и размер масляного зерна. При увеличении производительности маслоизготовителя получается мелкое масляное зерно, которое легко отдает влагу во время обработки. При этом увеличивается степень заполнения первой шнековой камеры маслом, повышается прессующее давление шнеков, ускоряется выпрессовывание пахты, что приводит к уменьшению содержания влаги в масле. С уменьшением производительности маслоизготовителя, наоборот, получается крупное масляное зерно, степень заполнения шнековой камеры маслом уменьшается, в результате чего снижается прессующее давление шнеков, замедляется выпрессовывание пахты и содержание влаги повышается. Однако при изменении производительности маслоизготовителя нарушается синхронизация его работы, что может потребовать дополнительных настроек оборудования, а также привести к повышению содержания жира в пахте. Таким образом, изменение подачи сливок в сбиватель необходимо учитывать при формировании параметра влажности готового продукта [25].
Обзор методов и систем экспрессного контроля и стабилизации параметра влажности
Принудительная стабилизация параметра влажности сливочного масла на нормируемом уровне должна обеспечиваться наличием информации о текущих значениях параметра влажности готового продукта.
Определение содержания влаги в масле осуществляется в соответствии с действующим в настоящее время ГОСТ 3626-73, предусматривающим определения текущего значения влажности готового продукта в лабораторных условиях гравиметрическим методом, основанном на высушивании навески исследуемого продукта [47]. При этом для контроля содержания влаги в течение всего периода работы маслоизготовителя необходим периодический отбор проб готового продукта. По результатам анализа оператор вносит необходимые стабилизирующие воздействия, используя, как правило, канал изменения частоты вращения мешалки сбивателя или внесения нормализующего компонента. Промежуток времени от 20 до 40 минут, затраченного на отбор проб, процедуру анализа и принудительную стабилизацию, зависящую от квалификации оператора, снижает оперативность внесения управляющих воздействий, что обуславливает выпуск ненормированной по влажности продукции.
Выпускаемый в настоящее время в России анализатор влажности «Элвиз-2» применяется на ряде маслозаводов (ОАО «Вимм-Билль-Данн», ОАО «Лактис», ОАО «МК «Орловский» и др.). Принцип работы анализатора - термогравиметрический экспресс-метод, высушивание пробы масла обеспечивается инфракрасным излучением. Применение анализатора «Элвиз-2» позволяет сократить время измерения влажности образца до 5 минут. Однако наличие ручных операций, связанных с отбором пробы в сочетании с промежутком времени, необходимым для измерения влажности образца, не позволяют оперативно принимать решения для внесения управляющих воздействия по каналам управления [104].
Повышение производительности маслоизготовителей, разнообразие поступающего сырья, повышение требований к качественному составу готового продукта обусловили необходимость разработки влагометрических систем для автоматического контроля влажности готового продукта в непрерывном потоке. Сравнительные характеристики существующих систем автоматического контроля влажности сливочного масла приведены в таблице 1.1.
Приведенные системы относятся к классу индикаторов влажности и не могут быть использованы для аттестации продукции и применяются только для задач стабилизации влажности. Аттестация продукции в соответствии с требованиями приводится с использованием стандартизованного лабораторного анализа. На базе влагометрических систем контроля, разработаны влагометрические системы для автоматического управления процессом стабилизации влажности сливочного масла [1, 2, 3].
Применение влагометрических систем автоматического контроля сокращает время стабилизации, но качественные показатели процесса стабилизации, особенно в условиях переходного режима, продолжают зависеть от субъективности оператора, ограниченного числа каналов управления, отсутствия системного предвычисления ожидаемых отклонений влажности, а также значительной погрешности существующих влагомеров непрерывного действия.
Из приведенных влагометрических систем наибольшее распространение на предприятиях отечественной маслодельной отрасли получил созданный в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории при Ленинградском технологическом институте холодильной промышленности (ЛТИХП) влагомер ВСМ-1, предназначенный для непрерывного измерения влажности сливочного масла на выходе МНД [4]. Этим прибором было оснащено более 500 маслоизготовителей страны, находящихся в эксплуатации. Широкому внедрению влагомера способствовал большой диапазон измерения влажности, малая величина погрешности измерения, автоматическая корректировка «мешающих факторов» и возможность санитарной обработки первичного преобразователя в режиме безразборной мойки. Первичный преобразователь влагомера устанавливается на выходном патрубке маслоизготовителя, обеспечивая интегральную оценку влажности всего потока готового продукта (рис. 1.5).
На базе влагометрической системы ВСМ-1 Отраслевой научно-исследовательской лабораторией ЛТИХП разработана система автоматического регулирования влажности сливочного масла РСВМ-НС/1. Эта система вносит управляющие воздействия только по каналам изменения подачи нормализующего компонента и частоты вращения мешалки сбивателя в зависимости от рассогласования влажности от заданного значения [31]. По диапазону регулируемых параметров и показателям качества стабилизации система РСВМ-НС/1 превосходит известные зарубежные системы [66]. Однако, оперативность управления в условиях поступления внешних возмущающих воздействий связанных с изменением
Разработка математической модели процесса формирования влажности сливочного масла
Аппаратурно-технологический анализ технологического процесса непрерывного сбивания сливочного масла в маслоизготовителе подтвердил многофакторность зависимости содержания влаги в готовом продукте, выявил уровень влияния ступенчатых возмущающих воздействий, способных привести к отклонению влажности до 4% и показал возможность обеспечения сохранения на нормированном уровне содержания влаги в масле, жира в пахте и необходимой диспергированности распределения влаги в готовом продукте в процессе производства.
При этом возникает необходимость контроля параметров технологических и аппаратурных факторов процесса производства масла с перспективой контроля содержания жира в пахте, с целью реализации комбинированного принципа управления, сочетающего в себе возможность управления по текущему и ожидаемому отклонению влажности масла. Выполнение такой задачи может быть обеспечено включением в состав системы управления управляющего комплекса на базе микропроцессорного блока, обеспечивающего реализацию поставленных условий работы маслоизготовителя и системы управления на основе специально разработанного программного обеспечения.
Для создания программного обеспечения, отвечающего отмеченным условиям, а также реализации перспективных возможностей управляющего комплекса, касающихся подключения дополнительных каналов управления, контроля и управления другими качественными показателями готового продукта, необходимо установить зависимости между аппаратурно-технологическими факторами процесса и содержанием влаги в сливочном масле.
В исследованиях УКРНИИмясомолпром в качестве входных параметров были выбраны частота вращения мешалки сбивателя Scg, количество подаваемых сливок QCJl и величина зазора между лопастями мешалки сбивателя и стенкой цилиндра 8 [68]. Выходной параметр -содержание влаги вырабатываемого масла W. Вырабатывалось масло с содержанием влаги от 20 до 26%. При этом пределы изменения входных параметров составили: Sc6 = 24,17-27,50 с"1; QCJ1 = 3,6-4,4 м3/час; = 4,2-6,2 мм. Для установившегося режима получены следующие уравнения: =2,45 -36,5; W = 54 - l$Qcn\ W=3S,6 - 3d. Однако применение указанных зависимостей только для одного режима работы маслоизготовителя, использование ограниченного числа каналов внесения управляющих воздействий и узость пределов изменения входных параметров существенно ограничили применение результатов исследований. А отсутствие зависимости суммарного влияния каналов управления на содержание влаги в масле и невозможность оперативного внесения управляющих воздействий по каналу изменения величины зазора между лопастями мешалки сбивателя и стенкой цилиндра, не позволили создать многоканальную систему управления, обеспечивающую оперативные и качественные показатели стабилизации параметра влажности готового продукта.
Более обобщенная модель, характеризующая зависимость между факторами процесса и параметром содержания влаги в масле исследованы в работе Пилипенко Н.И. [84]. Автор представил описание пускового, установившегося и переходного режимов работы маслоизготовителя применительно к переработке однородной партии сырья при отсутствии ступенчатых возмущающих воздействий.
В пусковом режиме, при пуске маслоизготовителя в течение первых 30-40 минут, когда идет заполнение рабочего объема МНД, отклонение текущего значения влажности, масла от номинального может составлять 1-2%. Основными возмущающими воздействиями считаются параметры: содержание жира в сливках Жсл, кислотность сливок Ксл, температура сливок, поступающих на сбивание tcnc и частота вращения мешалки сбивателя Sc6.
При этом расход сливок в сбиватель QCJli частота вращения шнеков маслообработника SUiH и уровень пахты в шнековой камере Ln принимаются постоянными, а расход нормализующего компонента FHK принимается равным нулю. Регрессионное уравнение имеет вид где Со, Сі, с2, с3, с4 - параметры модели для пускового режима.
В установившимся режиме работы маслоизготовителя, при отсутствии значительных возмущений, связанных с изменением параметров сливок, поступающих на сбивание, отклонение текущего значения влажности масла от номинального составляет 0,2-0,4% и обуславливается, в основном, возмущениями, возникающими в самом аппарате. При этом принимаются постоянными характеристики сырья F , Жсл, Ксл, tcnc и FHK. Регрессионное уравнение этого режима принимает вид где do, di, d2, d3 - параметры модели для установившегося режима.
В переходном режиме работы для оценки отклонения от номинального значения параметра влажности использована аппроксимирующая зависимость где jua (т) - отклонение содержания влаги в масле от номинального значения; Ка - коэффициент передачи для данного канала управления; Та - постоянная времени; ха — время запаздывания. При этом автор делает вывод о том, что численные значения коэффициентов передачи переходных характеристик маслоизготовителя по исследованным каналам и характер их изменения в основном совпадают с численными значениями и характером изменения коэффициентов влияния математической модели установившегося режима.
Следует отметить, что принятая классификация режимов работы МНД в цикле переработки однородной партии сырья не в полной мере отвечает результатам принятого в данной работе структурного анализа аппаратурно-технологических факторов процесса. Существенный разброс параметров сливок, поступающих на сбивание, диктует необходимость их оперативного учета в системе стабилизации во всех режимах работы. Кроме этого возмущения могут исходить не только от технологических, но и от аппаратурных факторов, что должно быть учтено при разработке модели процесса.
Формирование структуры системы управления стабилизацией влажности сливочного масла
В существующих маслоизготовителях аппаратурно не предусмотрено оперативное управление превышением температуры сливок, находящихся в сбивателе, обусловленном их нагревом вследствие сбивания. Нагрев сливок связан с изменением режима работы маслоизготовителя, например, с изменением частоты вращения мешалки сбивателя, или с подключением очередного сливкосозревательного резервуара со сливками отличающимся физико-химическими свойствами, что приводит к изменению затрат энергии на сбивание и, соответственно, выделению тепла.
Анализ результатов исследований, представленных на рис. 4.1 и приведенная ниже аналитическая зависимость (4.1) подтверждают, что затраты энергии и сопутствующее выделение тепла в процессе сбивания сливок, определяется, в частности, содержанием жира в сливках, поступающих на сбивание и сезоном года [75] где: Ау - удельная энергия сбивания сливок, кДж/кг;
С - коэффициент, характеризующий состав молочного жира (кДж/кг): -содержание жира в сливках;
С изменением энергии, затраченной на сбивание, изменяется температура сливок в технологической зоне сбивания, что может привести к отклонению влажности масла.
Кроме этого особое значение стабилизации прироста температуры сливок в процессе сбивания обусловлено предложенным в работе многоканальным способом стабилизации с предвычислением ожидаемого отклонения влажности, так как внесение стабилизирующих воздействий предусмотрено по каналу температуры сливок, поступающих на сбивание. Использование этого канала для внесения стабилизирующих воздействий, приводит к изменению прироста температуры сливок в сбивателе, что, учитывая результаты проведенного в работе анализа, оказывает значительное влияние на влажность масла и диктует необходимость стабилизации превышения температуры сливок в сбивателе.
Структурная схема предлагаемого способа стабилизации прироста температуры (рис. 4.2.) предусматривает внесение стабилизирующих воздействий по данным визуального контроля показаний температуры сливок, а в автоматизированном режиме по сигналу микроконтроллера. Предусмотрен контроль температуры сливок, поступающих на сбивание из теплообменника и контроль температуры масляного зерна на выходе обивателя. Поддержание температуры сливок, находящихся в сбивателе с рекомендованным превышением по отношению к температуре сливок, поступающих на сбивание обеспечивается изменением подачи воды в рубашку сбивателя по разности температур.
Предусмотренное в процессе стабилизации изменение температуры сливок, поступающих на сбивание как стабилизирующего воздействия, обуславливает необходимость соблюдения превышения температуры сливок, находящихся в сбивателе над температурой сливок, поступающих на сбивание в пределах 2-3 С с погрешностью ±0,25 С. Учитывая, что изменение температуры сливок, поступающих на сбивание на 1 С приводит к изменению влажности масла на 2,5%, несоблюдение требований стабилизации прироста температуры в указанных пределах, рекомендованных технологическими инструкциями, может вызвать нарушение технологического режима и обусловить выпуск готовой продукции с ненормированным содержанием влаги. Результаты анализа показывают, что определенное сочетание суммарного влияния неуправляемых факторов может обусловить, отклонение влажности готового продукта до 4%, а потенциальный уровень влияния управляемых факторов может обеспечить принудительное изменение влажности в пределах до 15% влажности. Учитывая, что потенциальный уровень суммарного воздействия управляемых факторов, более чем в два раза превышает уровень воздействия неуправляемых факторов, возможно обеспечить гарантированную компенсацию отклонения влажности готового продукта, вызванное возмущающими воздействиями в эксплуатационном и переходном режимах работы маслоизготовителя.
Реализовать функциональные операции, связанные с выполнением основной задачи позволяет разработанная структурная схема, представленная на рис. 4.3. Она обеспечивает контроль, сбор и обработку аппаратурных и технологических параметров процесса, предвычисление потенциально ожидаемых отклонений влажности и формирование управляющих воздействий на основе предвычисленных и текущих отклонений влажности готового продукта на выходе маслоизготовителя. Кроме операций, реализующих многоканальный принцип стабилизации влажности масла, предложенная схема предусматривает реализацию способа стабилизации
Структурная схема стабилизации, основу которой составляет управляющий комплекс (УК), обеспечивает выполнение операций, связанных со стабилизацией влажности, следующим образом. В эксплуатационном режиме работы маслоизготовителя при отклонении влажности масла от заданного значения управляющий комплекс по сигналу первичного преобразователя влажности (W) формирует стабилизирующие воздействия одновременно по каналам температуры сливок, поступающих на сбивание tcnc, изменения частоты вращения мешалки сбивателя S и подачи нормализующего компонента FHK, При этом стабилизирующее воздействие по каналу FHK практически без запаздывания восстанавливает влажность масла на выходе и по истечении времени запаздывания эквивалентное воздействие по каналам SC6 и tcnc «вытесняют» стабилизирующее воздействие по каналу FHK до рекомендуемого технологическими инструкциями уровня.
В переходном режиме работы маслоизготовителя по результатам предварительного анализа технологических параметров процесса содержания жира в сливках Жсл и температуры созревания tcc сливок в очередном для подключения сливкосозревательном резервуаре, а также аппаратурных параметров - температуры сливок, поступающих на сбивание tcnc, частоты вращения мешалки сбивателя SC6 и подачи нормализующего компонента FHK управляющий комплекс предвычисляет ожидаемое отклонение влажности масла и формирует необходимые стабилизирующие воздействия по каналам управления температурой сливок, поступающих на сбивание tcnc и частотой вращения мешалки сбивателя Sce с опережением на время запаздывания. Циклограммы процесса стабилизации влажности в переходном режиме работы маслоизготовителя для существующей и предлагаемой систем стабилизации представлены на рисунках 4.4-4.7.
Начало переходного режима работы маслоизготовителя определяется моментом подключения на сбивание очередного сливкосозревательного резервуара со сливками, отличающимися своими физико-химическим параметрам от сливок текущего сливкосозревательного резервуара, что обуславливает возникновение возмущающих воздействий. Положительное возмущающее воздействие приводит к повышению влажности масла, отрицательное, наоборот, к его снижению. Возмущающие воздействия вызывают отклонение влажности масла от заданного значения с задержкой на 200-250 с, обусловленной временем запаздывания аппаратурно-технологической системы сливкосозревательный резервуар -маслоизготовитель. Окончание переходного режима определяется моментом стабилизации влажности масла на заданном уровне.
