МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПАСТЕРИЗАЦИИ МОЛОКА - Студенческий научный форум

IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПАСТЕРИЗАЦИИ МОЛОКА

 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Современное молочное производство - это масштабное производство, которое имеет в своем составе, в ряде случаев, несколько десятков пастеризаторов. При традиционных системах управления с децентрализованным контролем для обслуживания такого количества установок требуется большой штат оперативного персонала, то есть существует проблема автоматизации процессов пастеризации. При управлении пастеризационной установкой необходимо с заданной точностью поддерживать температуру в секции пастеризации. Но контролировать только температуру оказывается недостаточно, так как на большинстве предприятий подогрев идет с помощью пара от парогенераторов, а величина его давления не постоянна, что вносит дополнительное возмущение. Кроме того, инерционность процесса различна для разных видов продукта (сливки, молоко, ...), а значит после настройки системы управления на один продукт возникнет потребность в ее перенастройке на другой [1].

В этих условиях возникает необходимость в построении системы управления установки для пастеризации молока, обеспечивающей изготовление конечного продукта с заданными качественными показателями при различных условиях реальной работы. Необходимо автоматизировать процесс пастеризации, с учетом всех возможных режимов и условий его работы. Это возможно путем моделирования его функционирования в предполагаемых ситуациях с учетом изложенных особенностей.

Рассмотрев преимущества и недостатки всех пастеризаторов [2-11], я пришел к выводу, что наибольший интерес представляет ИК-пастеризатор.

Результаты исследования молока инфракрасным излучением в кварцевых камерах указывают, что облучение снижает количество микроорганизмов на 98,9%, кислотности 1-2°Т, но какие-либо органолептические и физико-химические показатели не изменяются. Каждая составляющая молока имеет свой, присущий только ей, спектр поглощения ик-излучения. Следовательно, учитывая разрушающее действие ИК излучения на органические компоненты молока (жиры, белки, углеводы и т. д.), можно проводить целенаправленную обработку молока, селективно воздействуя на определённые составляющие. Из этого следует, что селективно разрушая определённые химические связи можно влиять на качество пастеризованного молока. Например, понижать влагоудерживающую способность белков, что важно при производстве сыров и творога, снижать или повышать сквашиваемость, что важно при производстве питьевого молока или кисломолочных продуктов и т.д., что в свою очередь приводит к улучшению качества конечного продукта (сыр, творог и т.д.), сохраняя при этом такие компоненты как жиры, белки, витамины и микроэлементы.

При инфракрасном облучении не требуются котлы-парообразователи, топливо, отдельные помещения и исключается опасность взрыва. Внедрение этого способа пастеризации повысит культуру производства и увеличит использование электроэнергии, отпускаемой хозяйствам по сниженным тарифам.

Основными задачами исследования данного процесса являются:

  1. Разработка системы управления пастеризационной установки с целью модернизации - замены морально и физически устаревших средств контроля и управления, преобладающих на большинстве предприятий этой отрасли в нашей стране.
  2. Достижение оптимального соотношения цены и качества.
  3. Уменьшение численности рабочего персонала.
  4. Увеличение точности поддержания параметров.
  5. Повышение надежности работы оборудования
  6. Построение подробной математической модели с целью проведения теоретических тестов и отображения преимуществ данной технологии и ее оптимизации
  7. Создание программного обеспечения с помощью одного из объектно-ориентированных языков программирование, которое даст возможность оператору контролировать и управлять всем циклом пастеризации молока, наблюдать тренды изменения технологических параметров, формировать и хранить архивы.

На данный момент разработана математическая модель камеры инфракрасного нагрева пастеризационной установки.

Выполнен анализ контура регулирования температуры молока на выходе камеры инфракрасного нагрева, так как этот параметр во многом будет определять качество изготавливаемой продукции.

Структурная схема объекта ик-нагревателя будет выглядеть следующим образом (рисунок 1):

Пастеризатор является сложной динамической системой с распределенными параметрами. Поэтому динамика состояния температуры, как объекта регулирования, может рассматриваться как процесс последовательного преобразования температуры в секции пастеризации. При этом, значение параметра в одной точке (на выходе из секции пастеризации), достаточно характеризует состояние процесса пастеризации.

Для написания математической модели объекта необходимо ввести следующую систему допущений:

  • считаем емкость объектом с сосредоточенными координатами;
  • пренебрегаем потерями тепла из потока через стенки трубопровода в окружающую среду
  • инерционность канала регулирования считаем пренебрежимо малой по сравнению с инерционностью объекта;
  • запаздыванием при передаче управляющего воздействия пренебрегаем.

Исходя из этого, динамические свойства температурного состояния пастеризатора, отражающие зависимость управляемого параметра от факторов, обусловливающих его изменения, в общем виде могут быть определены уравнением теплового баланса

Для составления уравнения статики объекта приравниваем левую часть уравнения (1) к 0.

С учетом уравнений (1), (2), (3), (4), (5) и начальных условий, получим математическую модель динамики объекта.

В синтезируемой САР температуры заданное значение температуры поддерживается изменение расхода молока, подаваемого в пастеризатор.

Кроме объекта регулирования САР влажности содержит первичный преобразователь, ПИ-регулятор и исполнительное устройство в виде клапана рисунок 2.

 

ОР - объект регулирования (ик-нагреватель);

ПП - первичный преобразователь;

Р - регулятор (ПИ-регулятор);

ИУ - исполнительное устройство (клапан);

x(t) - объемный расход молока на входе в ик-нагреватель;

y(t) - температура молока (регулируемый параметр);

Y(t) - приведенная температура молока (обезразмеренная величина 0...1)

u(t) - управляющее воздействие (0...1);

z(t) - изменение температуры окружающей среды (возмущающее воздействие).

Инерционность первичного преобразователя бесконечно мала по сравнению с инерционностью объекта. На выходе первичного преобразователя имеется электрический сигнал. Электрический сигнал может быть по току, по напряжению, с разными диапазонами, цифровой и т.д., но в любом случае минимальному значению измеряемой величины соответствует минимальное значение выходного сигнала, а максимальному - максимальное значение выходного сигнала. Для единообразия модели выходной сигнал в модели представляется безразмерной переменной, изменяющейся в пределах от 0 до 1.

Зависимость, по которой выходной сигнал ПП  преобразуется в регулирующее воздействие , называется законом регулирования.

Управляющее воздействие регулятора определяется законом регулирования.

Подробно см. файл PDF

Библиографический список

  1. Дудников Е.Г. Основы автоматического регулирования тепловых процессов / Е.Г. Дудников. - М.: Госэнергоиздат,1956. - 110 с.
  2. ГОСТ 3623 - 73 Молоко и молочные продукты. Методы определения пастеризации. - М.: Изд-во стандартов, 1973.
  3. Ведищев С.М., Милованов А.В. - Технологии и механизация первичной обработки и переработки молока, Тамбов, Изд-во ТГТУ, 2005
  4. Бредихин, С.А.       Технология и техника переработки молока / С.А. Бредихин, Ю.В. Космодемьянский, В.Н. Юрин. - М.: Колос, 2003.
  5. Твердохлеб Г.В. Технология молока и молочных продуктов / Г.В. Твердохлеб. - М.: Агропромиздат, 1991.
  6. Патент: 2030888. Класс(ы) патента: A23L3/00. Номер заявки: 92010844/13
  7. Голубева Л.В. Проектирование предприятий молочной отрасли с основами промстроительства // Л.В. Голубева, Глаголева Л.Э. - СПб., ГИОРД, 2006г.
  8. Исаев В.Н. Пластинчатые теплообменники пищевой промышленности: Учеб. Пособие / В.Н. Исаев, Е.В. Гусев; Под ред. В. Я. Лебедева. Иван. гос. хим. - технол. академия; Иваново, 1997.
  9. http://www.ecomash.ru/
  10. Ковалев Ю.Н. Молочное оборудование животноводческих ферм и комплексов: справочник - М, Россельхозиздат, 1987
  11. Курочкин А.А., Ляшенко В.В. Технологическое оборудование для переработки продукции животноводства (Под редакцией В.М. Баутина), Москва, колос, 2001.
  12. Бгедихин С.А., Космодемьянский Ю.В., Юрин В.Н. Технология и техника переработки молока, Москва, колос, 2001.
  13. Глушков А.М., Юдаев И.В. - Светотехника и электротехнология часть II.I «Электротехнология»: Электротермия, Волгоград, 2008, стр 28
Просмотров работы: 212