Исследование и разработка систем весового дозирования мясного сырья для приготовления колбасного фарша и паштетной массы

Прорыв в экономике Российской Федерации невозможен без современных технологических линий и автоматизированных систем управления, в первую очередь, путём создания технологических линий приготовления колбасного фарша и паштетной массы с автоматизацией весового дозирования мясного сырья (измельчённая на волчке и посоленная говядина и свинина различных сортов при производстве варёных колбас или измельчённая и бланшированная печень, баранина, говядина при производстве паштетных консервов).

Роль мясоперерабатывающей промышленности, одной из ведущих отраслей пищевой индустрии, в снабжении населения мясом, колбасными изделиями, консервами и другими продуктами велика.

Крупные и средние предприятия мясной промышленности, в первую очередь, мясокомбинаты с их промышленными объемами производств постепенно начнут вытеснять с рынка малых мясопереработчиков. Не последнюю роль здесь сыграло увеличение поставок импортной мясной продукции [?2] *.

Мелкие бойни производительностью 1−2 т/смену оказались экономически заметно менее эффективными, чем убойные комплексы мясокомбинатов с их промышленными технологиями убоя и переработки скота. Причин тому несколько. Прежде всего — сложности с соблюдением санитарно-гигиенических норм при переработке скота, утилизацией сточных вод, костей и других видов отходов. К тому же на мелких бойнях отсутствуют мощные морозильники для замораживания мяса и достаточно вместительные холодильники для хранения туш и мясных блоков, что также снижает их эксплуатационные возможности.

По мнению специалистов Министерства сельского хозяйства Российской Федерации строительство предприятий малой мощности по переработке животноводческого сырья по ряду объективных причин, в том числе изза специфики производства, экономически нецелесообразно [Ш6] .

Наиболее массовой продукцией/выпускаемой колбасными цехами, являются сосиски, сардельки, варёные и ливерные колбасы, мясные хлебы и паштеты. Основную долю колбасных изделий по статистическим данным составляют варёные колбасы (44%% сосиски и сардельки (25%) и полукопчёные колбасы (18%)Д061.

Концепция государственной политики направлена на здоровое питание населения и, в первую очередь, на детское питание [?8.73] .

Совершенствование существующих технологий и техники в колбасном производстве осуществлялось в следующих направлениях: производство белкового обогатителя для приготовления колбас, производство варёных колбас заданного химического состава и производство варёных колбас на основе единого.

Актуальность работы. Дозирование является определяющим процессом для приготовления колбасного фарша и паштетной массы при взвешивании измельчённого мясного сырья (говядина, свинина, баранина, печень). Точность дозирования мясного сырья и производительность являются одними их основных показателей любой технологической линии.

Разработка технологических линий для приготовления качественного фарша варёных колбас и качественной паштетной массы при выработке консервов требует создания надёжной и гибкой системы дозирования мясного сырья, составляющего 90−95% себестоимости мясных продуктов .

Разработка автоматических систем управления и контроля весовыми дозаторами измельчённою мясного сырья с использованием высокоточных датчиков, весовых терминалов и микропроцессорных контроллеров назрела в связи с большим количеством применяемого оборудования, в том числе, мешалок и смесителей различной конструкции и производительности[29 б?, 69.

80ЖШ ^ L.

Автоматизация управления, повышающая быстродействие и создающая удобство обслуживания, приводит^ более строгому контролю за соблюдением, технологических требований по дозированию мясных компонентов при приготовлении колбасного фарша и паштетной массы.

Разработка совершенных автоматизированных технологических линий и функциональных схем автоматизации приготовления колбасного фарша и паштетной массы, отвечающих интересам многих предприятий мясной промышленности с регулируемой производительностью, а также представление алгоритмов в виде гибких технологических циклограмм, учитывающих дозы мясных компонентов (измельченной говядины, свинины и др.), дозы воды, а также режимы перемешивания компонентов и выгрузки приготовленного фарша — одна из актуальных задач мясной отрасли агропромышленного комплекса (АПК).

Объектом исследования является процесс весового дозирования измельченной на волчке и посоленной говядины и свинины при приготовлении фарта варёных колбас, а также процесс весового дозирования измельчённой и бланшированной печени, баранины, говядины и других мясных компонентов при приготовлении паштетной массы для консервов. Процессы весового дозирования мясных компонентов как при приготовлении колбасного фарша, так и паштетной массы при производстве консервов аналогичны^ 04⁰⁵^3 Jв Предмет исследованиясистема автоматического весового дозирования ценного и дорогостоящего мясного сырья (см. объект исследования), составляющего значительный процент себестоимости мясной промышленности. Система автоматического весового дозирования мясного сырья может быть использована как самостоятельно, так и преимущественно, в составе технологических линий в колбасном и консервном производствах.

Цель и задачи исследований. Цель исследований состоит в разработке.

Оборудования и гибкой системы управления, обеспечивающих высокое качество колбасных и консервных изделий за счет более точного соотношения мясных компонентов.

В связи с вышеизложенным в данной работе поставлены и решались следующие задачи:

— анализ современного состояния оборудования для комплексной механизации и автоматизации процессов дозирования измельченного мясного сырья при приготовлении колбасного фарша и паштетной массы- - выбор критерия управления циклическими технологическими линиями приготовления колбасного фарша и паштетной массы с использованием систем автоматического весового дозирования мясного сырья;

— обоснование динамики потока переменной массы при весовом дозировании мясного сырья и выбор математической модели весовой системы;

— разработка блок-схемы алгоритмов расчета различных систем управления- - разработка оборудования для технологических линий с гибкой системой ттоматшш на основе технологических циклогршм и блок-схем" алгоритмовоценка надёжности весов и весовых дозаторов^'.

— автоматизированный учет работы и простоев технологического оборудования в колбасном производствевыявление суммарной погрешности весового дозирования мясных компонентов с целью обоснования класса точности весовых дозаторов для нормативно-технической документации.

Научная новизна работы. Предложена математическая модель процесса взвешивания мясного сырья в весовом бункере. в.

Экспериментально получены виброграммы весового дозирования измельчённой говядины и свинины на комплексе оборудования для фаршеприготов-ления и рассчитаны усреднённые значения показателей затухания колебательной системы.

Математическая модель системы с весовым бункером позволила определить передаточную функцию силоизмерительного тензорезисторного датчика (далее тензодатчика) и построить переходную характеристику тензодатчика. Обоснована конструкция тензодатчика и весового бункера. — - —;

Составлены алгоритмы гибкого автоматического управления весовым дозированием измельченного мясного сырья как при приготовлении колбасного фарша, так и паштетной массы.

В результате экспериментальных исследований фаршемешалки большой вместимости дежи, установленной на четырех тензодатчиках, пояучто ~ уравнение динамики, описывающее затухающий колебательный процесс изменение массы фарша при перемешивании.

Обоснована конструкция тензоопор и конструкция фаршемешалки вместимостью дежи 1200 л.

Определены сроки службы системы машин для дозирования и перемешивания мясных компонентов.

Построена номограмма для определения срока службы отдельных единиц оборудования и приборов.

Практическая ценность работы. Прикладная — ценность. полученных.

Леоретйчесю1ХИ, •* результатов заключается в том, что на основаШиТэкспериментальных исследований разработаны различные варианты весовых дозаторов с системами автоматизации, например, с использованием двух фаршевых насосов-питателей и одного весового бункера для колбасного производства или с использованием одного фаршевого насоса-питателя, переключателя потока и двух весовых бункеров для консервного производства.

Разработаны автоматизированные технологические линии приготовления фарша вареных колбас и паштетных консервов с микропроцессорными системами управления и более точным дозированием мясного сырья, повышающие качество продукции.

Составлены методики метрологической аттестации весов и весовых дозаторов (имеющие практическую значимость) для технической документации при внедрении автоматизированных технологических линий приготовления колбасного фарша и паштетной массы на предприятиях мясной промышленности.

Разработанные математические модели и алгоритмы систем автоматического дозирования позволили создать гибкое автоматизированное производство колбасного цеха с использованием весов и дозаторов.

Краткий обзор литературы. Существуют в основном два метода дозирования — весовой и объемный. Весовой метод получает все большее, практическое применение в колбасном и консервном производствах при приготовлении колбасного фарша и паштетной массы, так как он позволяет добиться более высокой точности по сравнению, с объемным методом в 3−5 раз и, кроме того, при весовом методе значительно прощо задавать и автоматически регулировать различные дозы[54J,.

Объемный метод дозирования мясного сырья был заложен в поточно-механизированной линии • ФЛПС-500 производства сосисок производительностью 500 кг/ч p1? J.

В отраслевом журнале «Мясная индустрия СССР» отмечены конструктивные недостатки линии ФЛПС-500, в основном, связанные с ограниченностью ассортимента и практически отсутствием дозирования и рекомендовалось разработать новые, более совершенные дозаторы (103J.

Весовой метод дозирования мясного сырья положен в основу работы комплекса оборудования (линии) для фаршеприготовления А1-ФЛВ при производстве вареных колбас, сосисок и сарделек разработки ВНИЭКИпродмаша. Во ВНИИМПе были разработаны линии приготовления ^ fo паштетной н пюреобразной массы Я8-ФПП, Я8-ФП2-П и Я8-ФЦП при производстве консервов.

Эти линии имеют преимущества по сравнению с существующим оборудованием [2?г59 760ьН0] I.

— обеспечивается автоматическое дозирование мясного сырья и жидких компонентов, их перемешивание и выгрузка;

— повышается качество вырабатываемой продукции;

— устраняется тяжелый физический труд;

— увеличивается эффективность применения новой техники.

Для комплекса оборудования А1 -ФЛВ • фаршеприготовления вареных колбас, сосисок и сарделек В1ЖЗКИпродмашем разработано устройство А!-ЕУД для. весового дозирования мятого сырья [IIOj.

Устройство А1-ЕУД выполнено в виде блока управления, конструктивно объединяющего блок выбора сырья и блоки задания доз трех компонентов мясного сырья.

Измерительная схема устройства А1-ЕУД собрана по элементной схеме линейного моста постоянного тока с использованием в качестве нуль-органа балансного реле БР-3.

Таким образом, устройство А1-ЕУД в совокупности с системой автоматики комплекса оборудования А1-ФЛВ обеспечивает выработку широкого ассортимента вареных колбас, сосисок и сарделек в автоматическом режиме и сравнительно быстрый переход с одного вида продукта на другой и последовательность подачи в весовой бункер и смеситель (фаршемешалку) сначала говядины, а затем свинины согласно требованиям технологий, а также задание требуемых доз мясного сырья с дискретностью 1 кг в интервале от 20 до 150 кг.

Однако, комплекс оборудования А1-ФЛВ для фаршеприготовления разработки ВНИЭКИпродмаша, выпускаемый серийно АО «Донецкий завод 'ПРОДМАШ'» в течение более 25 лет, не модернизируется. Предложения по совершенствованию как комплекса оборудования А1-ФЛВ для фаршеприготовления, так и комплекса оборудования А1-ФЛБ для посола мяса (последний включает много машин, используемых в комплексе оборудования А1-ФЛВ) опубликованы в печати [20²¹, 33J,.

В технической характеристике созданных линий для приготовления фарша и паштетной массы отсутствуют такие технические данные, как погрешность и производительность узлов дозирования ценного и дорогостоящего мясного сырья, а также отсутствуют пределы задания доз (кроме устройства А1-ЕУД), дискретность доз, циклограммы работы оборудования в автоматическом режиме.

В технической документации линий отсутствует методика и программа исследовательских испытаний динамики процесса весового дозирования мясного сырья, а также методика метрологической аттестации процесса дискретного весового дозирования мясного сырья с учетом свойств различного сырья, параметров оборудования и системы управления. Кроме того, устройство А1-ЕУД для дозирования мясного сырья, входящее в состав комплекса оборудования А1-ФЛВ для фаршеприготовления, требует замены по следующим причинам:

— задание доз мясного сырья от 20 до 150 кг с дискретностью 1 кг не удовлетворяет потребности отрасли, ибо максимальная доза может быть 180 кг (при вместимости весового бункера 200 кг), а дискретность должна составлять 0,5 кг вместо 1 кг, что наглядно видно на примере приготовления фарша варенойколбасы «Докторская^где дозы говядины высшего сорта и полужирной свинины могут составлять соответственно 62,5 и 175 кг;

— система управления весовым дозированием мясного сырья построена на большом количестве релейно-контактных элементов, так, например, только в устройстве А1-ЕУД использовано 27 реле, что снижает надежность системы управления.

Поэтому использование микропроцессорного программного управления оборудованием линий позволит повысить производительность, обеспечить гибкость управления, упростить обслуживание и увеличить надежность работы.

Одними из основных элементов электронных весовых дозаторов являются датчики силы (веса), преобразующие силу (вес) в нормативный электрический сигнал. В последние десятилетия в мире в результате сравнительно свободной конкуренции различных методов сидскзмереиия с использованием тензорезисторных, индуктивных, емкостных, магнитсупругих, вибрационно-стержиевых и других датчиков доминирующее положение в весовой технике занял тензорезисторный метод (о примереvs-pm фольге^ых тензорезисторов). Это связано с малой погрешностью теизорездеторных датчиков и большим, по сравнению с другими методами силоизмереиия, выбором упругих элементов, используемых в них. Применение теизодятчжков позволяет сократить в конструкциях весов и весовых дозаторов число движущихся частейр^О^Ш Ш}^.

В книге В .Д. Косого «Совершенствование процесса производства вареных колбас» представлены результаты научных исследований и их производственных проверок, проектные и инженерные решения, касающиеся оптимизации и совершенствования основных технологических процессов, связанных с фаршеприготовлением и получением готовой продукции: посола мяса, тонкого измельчения на различных машинах, шприцевания, формования, дозирования, транспортирования фарша в трубопроводах, тепловой обработки, традиционными и новейшими методами. Поскольку колбасный фарш является пластично-вязким телом, а процессы переработки связаны с его движением в рабочих органах машин, большое внимание уделялось реологическим методам и приборам. Однако процессы дозирования рассматриваются только при шприцевании и формовании колбас [74,75].

В МГУ прикладной биотехнологии под руководством В. Д. Косого проводился анализ экспериментальных данных по химическому составу дисперсионной среды (фарш без шпика) и суспензии (фарш со шпиком) и предложен ускоренный экспресс-метод определения жирности дисперсионной среды и суспензии фарша сырокопченых колбас рб]. Кроме того, доказана перспективность использования пенетрометров для оценки консистенции фарша сырокопченых колбас (ML.

Основы. расчета трубопроводов приведены в монографии «Технологические трубопроводы мясокомбинатов» (авторы: А. В. Горбатов, Я. И. Виноградов, В. Д. Косой, А.В. Горбатов). — М.:Агропромиздат, 1989? И^В этой монографии авторами приводятся математические зависимости, связывающие геометрические, кинематические и динамические факторы с приложенными извне давлениями на дисперсные системы. Используя математические зависимости, авторы предложили блок-схему расчета фаршепровода с учетомвыхода на стандартные диаметры трубопровода и влияния внутреннего давления на изменение плотности дисперсионной 'системы, -С целью увеличения точности расчета потерь давления авторами использован интегральный метод определения этой величины, который реализован с помощью блок-схемы алгоритма потерь давления в трубе на базе ЭВМ.

Исследование структурно-Механических свойств фаршевой и паштетной массы при их транспортировании посвящена работа Л. В. Ефимова, В. П. Филипенко и В. А. Белухина. Исследование реологических свойств рецептурных масс проводились применительно к консервам типов: «Фарш свиной сосисочный», «Паштет печеночный», «Паштет степной» и «Паштет мясной» методами ротационной и капиллярной вискозиметрии. В результате произведенных исследований получены кривые течения, которые аппроксимированы усредненными зависимостями ?58]%.

Теоретические основы проектирования автоматизированных систем управления предприятием мясной промышленности и характерные особенности их разработки впервые изложены в монографии «Автоматизированная система управления предприятием мясной промышленности» под редакцией доктора технических наук, профессора Е. А. Михайловского (издательство «Пищевая промышленность», 1974 г.). Среди авторов книги: В. И. Беляков, Ю. А. Ивашкин, А. Е. Гаврилин, В. И. Усков, Н. А. Рогов и другие [1 ] #.

Машинно-технологическое отделение мясоперерабатывающего предприятия представлено в виде комплекса параллельно работающих технологических линий, предназначенных для приготовления фарша, шприцевания и формования колбасных изделий. Производительность каждой линии определяется видом i-го продукта и оболочкой, в которую он расфасован.

Анализ технологических процессов как объектов управления, в частности управление производством вареных колбас, приведен в книге «Автоматизированные системы управления технологическими процессами в мясной и молочной промышленности» издательства «Агропромкздат», 1985 год (авторы В. А. Граф, Н. А. Рогов, Ю.Г. Стегаличев)[£].

Колбасное производство рассматривается как объект автоматизированного управления, представляющий собой систему высокой степени сложности, что определяется многофакторностью технологического процесса, разнородностью применяемого оборудования и наличием значительного ассортимента [2] «.

Исследования технологического процесса производства вареных колбас, проведенные Н. А. Роговым, и Ю. Г. Стегаличевым, показали, что наиболее существенное возмущающее воздействие возникает на участке приготовления фарша [?]".

Н. А. Роговым и Ю. Г. Стегаличевым предложена структурная схема массо-дозирующего комплекса с использованием чувствительных элементов, установленных под опорами мешалки, измерительных преобразователей, сумматора, цифрового прибора и устройства управления с выводом данных в ЭВМ о массе замеса [2].

Автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУТП) колбасного производства классифицируется как АСУ дискретным технологическим процессом, многоуровневая, малая по информационной мощности со средним уровнем функциональной надежности и как советующая АСУТП [2].

Критериями функционирования АСУТП являются: повышение эффективности производства за счет лучшего использования сырья, производственных мощностей, более совершенного управления процессами, а также максимизации выхода продукции с. нормализованнымхимическим составом и гарантированным качеством за. счет автоматизированного управления и дозирования компонентов фарша [23 *.

По мнению Ю. А. Ивашкина, сложность задач оптимального планирования многоассортиментного производства мясных продуктов с учетом неравномерности поступления сырья в различные периоды года, разброса его параметров и свойств, колебаний спроса на готовую продукцию, а также перестройки технологической структуры производства в зависимости от характеристик и состава биосырья обуславливает необходимость широкого использования современных математических методов и вычислительных машин на всех уровнях управления [6i9&5]*.

Моделированию технологических процессов мясной и молочной промышленности на ЭВМ посвящено учебное пособие, написанное Ю. А. Ивашкиным и И. И. Протороповым по разделу «Теоретические и методологические основы моделирования» jjbVJ.

В этой работе отмечается сложность и интенсивность технологических процессов отрасли, что находит свое выражение в количественном росте величин технологических параметров, увеличения их числа и поддержания параметров в узких пределах. По мнению авторов, в основе эффективного функционирования систем автоматического управления (САУ) и автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) лежит математическое описание или математическая модель технологических процессов.

Реализация соответствующих моделей технологических процессов дает инструмент для анализа и поиска наиболее обоснованных проектных решений и рабочих режимов эксплуатации объектов. Создание и развитие методов моделирования для решения на ЭВМ различного рода технических и экономических задач относятся к числу наиболее' быстро развивающихся научных направлений {б4] •.

По характеру материального потока процессы весового дозирования мясного сырья относятся к дискретным или периодическим технологическим процессам, так как материальный поток прерывается во время заполнения мешалок, перемешивания и выгрузки конечных продуктов, например, колбасных фаршей и паштетной массы. По окончании выгрузки мешалки и ее повторной загрузки процесс повторяется снова. Таким образом, периодический процесс весового дозирования мясного сырья и перемешивания компонентов характеризуется тем, что все его стадии протекают в одном месте (в одной мешалке), но в разное время B&J*.

Метрологическое обеспечение производств мясной и молочной промышленности приведено в одноименной книге под редакцией В .И. Ускова издания «Агропромиздат"[82]Лаучной основой метрологического обеспечения является метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

В сборнике «Надежность и техническая диагностика оборудования перерабатывающих отраслей АПК» под ред. Т. В. Чижиковой представлены научные разработки, выполненные за последние годы. В этом сборнике заслуживает внимание статья Л. Г. Кошелева «Надежность комплекса технических средств информационной системы» и статья Ю. А. Ивашкина «Структурно-параметрическое моделирование и диагностирование аномальных состояний в сложных технологических системах» ?62,7?]/.

Закономерности строения, функционирования и развития технологического потока как системы ' процессов раскрыты В .А. Панфиловым для технологических линий пищевых производств, где большое внимание уделено методам повышения точности, устойчивости и надёжности функционирования технологических линий [9?)J*.

Книга В .А. Панфилова и О. А, Уракова о создании технологического потека для технологических линий пищевых производств является логическим продолжением учебника В. А. Панфилова «Тешологические линии пищевых производств» (теория технологического потока). В книге В .А. Панфилова и О. А. Уракова вопросы разработки прогрессивной технологии, проектирования линий, конструирования машин и аппаратов, а также вопросы автоматизации технологических процессов рассматриваются как единая проблема повышения уровня целостности технологической системы{34,]".

В книге О. В. Большакова изложен системный подход и описаны пути комплексной механизации и автоматизации производства, а также тенденции в развитии новой техники мясной промышленности. Анализ закономерности смены поколений технической базы необходим для того, чтобы предвидеть период ускоренного морального старения системы, определить период перехода ее на новый качественный уровень и стратегию развития. В книге О. В. Большакова сделан анализ изменений основных производственных фондов. Аппроксимация данных изменений основных производственных фондов позволила выявить математическую зависимостьГ4−6] ¦

Процессы дозирования и перемешивания относятся к механическим и процессайРсвязаны с изменением формы и размеров продуктов. Следует учитывать, что процессы дозирования происходят при реализации транспортных операций с использованием насосов, транспортеров и другого подъемно-транспортного оборудования [34,32,422 J •.

В диссертации А. С. Гомцяна на соискание ученой степени кандидата технических наук рассматривалась система управления процессом комбинационного дозирования крупнокусковых продуктов. К таким продуктам относятся конфеты, пряники, фрукты и т. д. [56].

Методы комбинационного дозирования, основанные на принципе подбора массы дозы путем составления комбинации из. некоторого числа заранее взвешенных порций продукта, позволяют достигать гораздо 'более высокой точности.

Комбинационные дозаторы обладают более высокой производительностью, ¦ они легко встраиваются в технологический процесс. Однако, в диссертации А. С. Гсмцяна рассматривается оперативный контроль процесса расфасовкакрупнокусковых продуктов.

Немецкие ученые Я. Вробель и И, Хоббеызифхен опубликовали в российском журнале «Мясная индустрия» в 1998 году серию статей об эффективности управления производством на компьютерной основе.

Фирма &bdquo-С$ 3 -System (Германия) являет собой успешный пример де ~ ятельности опытной команды программистов и экспертов мясоперерабатывающей промышленности, насчитывающей более 200 сотрудников. На фирме разработаны управляющие вычислительные устройства для производственных цехов и участков, позволяющие производить постоянное наблюдение и управление весами, транспортными и конвейерными системами.

Однако, в упомянутых статьях немецких ученых Я. Вробеля и И. Хоббензифкен не раскрыты схемы автоматизированной системы интеграции производства (АСИП) с использованием конкретного технологического оборудования, весов, весовых дозаторов, а также автоматизированных линий.

Научно-практические основы оптимизации технологий производства мясных и молочных продуктов изложены в автореферате И. И. Протопопова на соискание учёной степени доктора техничемких наук [100].

Вопросы компьютерной диагностики производства отражены в одноимённых работах Й. И. Протопопова [88 f 9 9],.

В рассматриваемой диссертационной работе на тему" Исследование и разработка систем весового дозировании мясного сырья для приготовления колбасного фарша и паштетной массы" используется мясное сырьё, измельчённое на волчке (говядина, свинина для приготовления колбасного фарша) или измельчённое и бланшированное мясное сырьё на волчке-бланшировате-ле (печень, мясная и баранья массы для консервного производства).

Диссертационная работа состоит из четырёх глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений.

ШВА1. ДИНАМИКА ДОЗИРОВАНИЯ ИЗМЕЛЬЧЕННОГО МЯСНОГО СЫРЬЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЕСОВОГО БУНКЕРА.

Исследования показали, что весовые дозаторы дискретного действия представляют собой сложную колебательную систему, зависящую от ряда внешних воздействий. Наличие таких колебательных процессов значительно влияет на погрешность силоизмерительного тензорези-сторного датчика (далее тензодатчика). В связи с этим основная задача при разработке таких весовых систем заключается в повышении точности измерения величины. r 1 массы и сведения погрешности измеряемой*к минимальному значению LcOj.

В литературе известны основы теории точности измерительных устройств. Однако, эта теория требует дальнейшего рассмотрения с точки зрения не только первичных преобразователей (датчиков), но и всей системы автоматического дозирования (САД) в целом[40.5^|,.

В весовых дозаторах дискретного действия контролируемая масса измельченного мясного сырья является функцией' времени. В связи с этим возникает задача правильного описания динамических' процессов, иримегоггекшо к л сырья, особекио-тш весового дозирования измельченного мяеяогд^пЬядики, сзини.

Hbi)H6i. 4 ¦•.

На ркс.| изображена функциональная схема автоматизации весового дозирования измельченного мясного сырья. Рассматриваемая весовая система состоит из волчка, фаршевого насоса (насоса-питателя), фарше^провода, весового бункера, подвешенного на тензодатчике, смесителя со шнековыы выгружателег! и системы управления. Таким образом, в рассматриваемую колебательную систему входит силовой элемент, выполненный в виде тензодатчика. При подаче.

Рис Л. Функциональная схема автоматизации весового дозирования измельченного мясного сырья: I — волчок- 2 — фаршевый насосу 3 — весовой бункер- 4 ~ смеситель измельченного на волчке мясного сырья фаршевым насосом в весовой бункер осуществляется деформация тензодатчика.

Систему компенсации погрешности весового дозирования измельченного мясного сырья (иными словами, повышение точности измерения) можно осуществить на основе динамических процессов автоматических весовых дозаторов.

1Л МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЕСОВОЙ СИСТЕМЫ С УЧЕТОМ ДИНАМИКИ ПОТОКА ПЕРЕМЕННОЙ МАССЫ.

С позиции математического моделирования конструктивные параметры, влияющие на существо процесса весового дозирования, подразделяют на геометрические и структурные.

Под геометрическими параметрами понимают численные характеристики аппаратурного оформления технологических процессов дозирования и перемешивания (дозы мясных компонентов, сечение 'фаршепровода, вместимость дежи смесителя или фаршемешалки).

Под структурными параметрами понимают описательные характеристики технологических процессов, не имеющие численного выражения (описание движения рабочих сред, перемешивания компонентов и выгрузхи).

На основе анализа функциональной схемы автоматизации весового дозирования измельченного мясного сырья (рис.) уравнение динамики весовой системы с учетом потока мясного сырья с переменной массой можно представить в виде дифференциального уравнения (з4|? ' v dtz ' m{t) пг{Т) d, с = 1 гз где X ~ перемещение (деформация) грузоприемного упругого элемента, иными словами, текущая координата, зависящая от времени процесса, мt — время ^ с *.

С — жесткость тензодатчика, Н/м;

171 (С) — переменная масса измельченного мясного сырья в весовом бункере при движении колебательной системы, кг (где L — длительность заполнения весового бункера) — — динамическая сила, зависящая от параметров потока и возникающая при заполнении весового бункера мясным сырьем, Н;

6 — положительный малый параметр, который физически характеризует малые нелинейные колебания, возникающие при заполнении весового бункера мясным сырьем-, , r/v 1. у 1/ 11 /к «* vy vjr «л.

I 1 — функция, зависящая от координаты Д и скорости. ? ill. CL1.

Решение дифференциального уравнения (J J весовой системы рассматривается в виде гармонического и затухающего колебаний, которые накладываются друг на друга, а фаза затухающего колебания понижается по экспоненте, ' •.

При этом рассматривают весовую систему с упругим сидоизмерителем, тлеющим жесткость С, и полагают, чтото есть масса//! меняется медленно в зависимости от времени 1Ч Поэтому окончательное уравнение, описывающее имеет вид: динамику работы весовой системы, 2 ^ «у / ^ ^ частота колебаний, с /72 — масса измельченнЬго мясного сырья в весовом бункере, кг.

Данная математическая модёль (2) представляет собой дифференциальное уравнение с малой нелинейной зависимостью, находящейся в правой части уравнения (2.) 7 в виде.

Уравнение (2) решается методом асимптотического приближения «» ' разложением функции? р (х? нл?) в ряд по степеням малого параметра.

I120J. at/.

Предполагается, что решения уравнения (2) являются аналитическими функциями параметра при достаточно малых значениях с при условии, что* непрерывная по времени t9 аналитически зависит от аргументов Л и области, где эти переменные меняются.

В этом случае одно из решений уравненияХ^?)можно рассматривать в виде суммы степенного ряда, разлагаемого по степеням малого параметраа (Гя?) = Хл (Г) +? X/7″ 1^, r.

V (t, s)=xa (t)+E + xn (t)9 (3) где X^X^X^.,. Хд-текущие координаты при соответствующих малых параfi с п метрах С? С, с «* с С/ «.

На основании модели весовой системы дозирования с достаточной точностью менее 1% можно ограничиться двумя членами ряда из уравнения (Ъ поэтому можно записать:. Л ia)^)(0(i) + SY4(t). (М.

В данном выраженииX0f^{представляет} решение линейного однородного дифференциального уравнения, поэтому функцию нелинейности колебаний можно принять равной? — ,.

В связи с этим ищем периодическое решение уравнения (Z)в виде суммы членов ряда. После дифференцирования этого выражения до второй производной получаем:

А dt t, s.) = dtc/Xo. , ixi dt dt.

0, p d-^A dt2 +.

5) o! x,.

Подставляя полненные выражения (5) для И &).

Л ь 0,1 в основное уравнение{с), получаем:

Сравнивая коэффициенты при одинаковых степенях? в левой и правой частях уравнения Сб)? получаем систему дифференциальных уравнений вида: о f j- +W X0(t) = у^-Рдт.

1 cL dxy dt.

A J /.

Решение первого уравнения системы (7) имеет вид: j yt) = Ci COS lift ~rCz$itlUftf jkrPjlHH tit.

B) где C.

Введем вместо постоянных Cj и новые произвольные постоянные и по формулам? fv4 St/г У7 и Ci^AcqS 7 9 а также, используя формулу преобразования тригонометрических функций суммы, уравнение ($) преобразуем к виду:.

ХМ sin (wt + f) + jh-Рмн (9).

При малой величине динамической силы/^ш*5^ имеет место чисто гармоническое колебание с периодом колебаний, частотой VJ, начальной амплитудой, А и начальной фазой^Р гармонических колебаний. Амплитуда и начальная фаза определяется из начальных условий при у м ах / с[х0 t-о X/ t=o.

Тогда подставляем начальные условия, получаем уравнения:.

X=As/n (Uft+{P)-i-~-PAm.

Auscosiwt + ^+jr dt m dt.

10).

Далее получаем: х0^AsinTг щ~Рм d at.

Откуда, .л?4/ п, / Lbm ' тмщ.

А, < me и> г ^ аглин -/1 UJ COS у —.

Ха f.f. it iv Ж ы i vmi iJ ^ |.

-rt, i jl / /.

3 «-'"-'"¦• lytf»" V V*.

I, ^ i 'Л-' Гл..

U I га.

1 MM.

Ш).

1Ш.

Ш).

Если/^/jT^, то для чисто гармонического колебания амплитуда и фаза имеют вид: А.

V 2 ¦ ахЛг / агсЦ tit. Jw*.

Si dt (15).

Далее переходим к решению второго уравнения системы (, то есть имеем следующий вид второго уравнения: ffi + rfX/t^F^), (16).

Параметр нелинейностиуравнения молено изменить в форме степенной зависимости: где $ — показатель 3 а г колебательной системы-.

Г — коэффициент внутреннего трения при перемещении измельченного мясного сырья, причем знак «минус» в уравнении означает то, что сила трения направлена против движения. На основании экспериментальных данных, показывающих, что масса из-мельченного мясного сырья после отключения насоса-питателя несоизмеримо мала, при этом можно считать, что 0, поэтому получим:.

Согласно виброграммам весового дозирования измельченного мясного сырья, представленный на рис.^, получаем усредненные значения показателей нелинейности: для говядины O^—Upi^ и для свинины (fc.

Виброграммы (рис2) были сняты экспериментально на осциллографе и записаны на светочуствительной бумаге. Виброграммы представляют собой графики зависимости массы (говядины-высшего со^та 50 кг и нежирной свинины 140 кг) от времени при приготовлении фарша вареной колбасы «Докторская»..

• «л. ..

Измельченное мясное сырье транспортировалось поочередно, сначала говядина, а затем свинина насосами-питателями по фаршепроводам в один весотут 1 ti.

I* fi t-y^' «!.

Tj j у Ж Л лгу?/.

ML..

Ты/I.

•iil iMaanimsR «¦» «да д.

Лгр.

1 г'!.

4'fl iMi’tilid I «rib.

I m l rs tfft 'i Wr u ii| ж* шмг{ HP bjr l*.

B5.

Рис. 2. Виброграммы весового дозирования при. приготовлении фарша вареной колбасы «Докторская»: адля дозы говядины высшего сорта 50 кгб — для дозы нежирной свинины 140 кг.

Ф г t вой бункер с промежуточной разгрузкой дозы говядины из весового бункера в смеситель для приготовления фарша..

Из полученных виброграмм видно, что с увеличением секундного расхода насоса-питателя говядины в сравнении с насосом-питателем свинины, амплитуда колебаний уменьшается быстрее и время переходного процесса сокращается..

Таким образом, учитывая вышеизложенное, в расчетах можно считать, что и поэтому уравнение (46) принимает вид: сю.

Решение данного уравнения имеет вид: к где ^ и/ ^ «И Л f — pjfi.

И, таким образом, имеем затухающие гармонические колебания с перио т". O-r/fCt -'йг-А/~ A — - /&bdquo-ж //О к иягтптпи Ш — в Li J —ьх. ямттпитулпи Н* liz 4 дом / й- /-Ж/lU и частотой .-л*, амшшудой/цВ (где /Ь.

-начальная амплитуда) и начальной фазой f^. Мн ожительт5сара-стеризует быстроту затухания колебательного процесса..

Окончательное решение дифференциального уравнения (Р.) молено записать в следующем виде: ¦ с) ==Аsin (urt-tЮ-^FAH+A, tеsin {vjU%) (s-t).

Следовательно, решение уравнения (?)представляет совокупность гармонического колебания и гармоник затухающего колебания. Начальная амплитуда^! и начальная фаза ^ для составляющей затухающего гармонического колебания определяется из начальных условийX о и ч, dhl = t lt=o dt.

CiX^sJ. v ^.

— 4-A.f A IP.

1 1/ 2.

22).

— ft КалА’Г-К/ arcs иг f «/vjj, l{ v a i.

Проведенный анализ показывает, что весовая система является колебательной системой, подвергаемой в процессе работы ряду возмущающих воздействий. Возникающие при этом колебания системы нежелательны, так как они приводят к увеличению погрешности. Задача компенсации этой погрешности решается различными способами в зависимости от вида весового устройства..

В силоизмерительных тензорезисторных датчиках с упругим элементом ввиду малости постоянного времени колебательной системы в незначительности амплитуды применение фемпфера неэффективно..

Рассмотрев весовую систему с учетом динамики потока, можно перейти к математическому описанию системы автоматического дозирования (САД) мясного сырья в целом (на примере дозирования мясных компонентов при приготовлении колбасного фарша) с использованием передаточных функций отдельных весовых и дозирующих устройств и передаточной функции САД..

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1 .За счёт более точного весового дозирования мясных компонентов (говядины, свинины, баранины, печени) реализована поставленная цель — повышение качества варёных колбас и паштетных консервов при приготовлении фарша и паштетной массы. Относительная погрешность систем весового дозирования измельчённого мясного сырья с использованием новых российских высокоточных теизодатчиков и микропроцессорных весовых терминалов фирмы «ТензоМ» составляет ± 0,5% вместо ± 1,5% для существующих украинских тензометрических весовых устройств, применяемых в комплексах оборудования А1-ФЛБ для посола мяса и А1-ФЛВ для фаршеприготовления..

2.Проведён анализ систем весового дозирования измельчённого мясного сырья при приготовлении колбасного фарша на Могилёвском и Жлобинском мясокомбинатах в Белоруссии, Останкинском мясоперерабатывающем комбинате в г. Москва и при приготовлении паштетной массы в консервном цехе Готнянского мясокомбината в Белгородской области. В результате проведённого анализа составлена методика метрологической аттестации дозирования измельчённого мясного сырья с использованием весового бункера, имеющая практическую значимость для технической документации при внедрении технологических линий приготовления фарша варёных колбас. Разработана методика определения интенсивностей отказов системы управления весовым дозированием мясного сырья для технологической линии приготовления паштетной массы при производстве консервов..

3.На примере проведённых виброграмм дозирования измельчённой говядины высшего сорта и нежирной свинины выявлены усреднённые значения показателей нелинейности колебательной системы весового бункера..

4.Математическая модель дозатора с использованием весового бункера представлена в виде дифференциального уравнения. Предложенная математическая модель позволила определить жёсткость тензодатчика и выбрать его конкретный тип. Теоретически обоснована динамика потока переменной массы при дозировании измельчённого мясного сырья в весовом бункере на базе математической модели..

5.Система автоматического дозирования (САД) мясного сырья представлена в виде совокупности связанных динамических звеньев, построенная и рассчитанная с учётом оценки погрешности измерения массы в весовом бункере..

6. Разработан алгоритм управления фаршемешалкой большой геометрической вместимости дежи 1200 л на тензоопорах, позволяющий определить массу продукта в процессе перемешивания по изменению амплитуды вынужденных колебаний..

7.Выявлены сроки службы основных фондов, в частности, системы машин для дозирования и перемешивания мясных компонентов при приготовлении колбасного фарша, рассчитанные по формуле Домара и зависящие от коэффициентов выбытия оборудования в год и среднегодового коэффициента прироста фондов. Предложенная номограмма позволяет определить сроки службы отдельных единиц оборудования с учётом эксплуатации оборудования для весового дозирования измельчённого мясного сырья при приготовлении колбасного фарша на ряде предприятий мясной промышленности..

8. По известной логистической зависимости Перла выявлена техническая база обновления применяемого оборудования для весового дозирования измельчённого мясного сырья при приготовлении колбасного фарша..

9. По полученным результатам разработаны варианты систем весового дозирования мясного сырья:.

— с использованием двух фаршевых насосов — питателей и одного весового бункера для комплекса оборудования приготовления колбасного фарша при производстве вареных колбас-.

-с использованием одного фаршевого насоса-питателя, переключателя потока и двух весовых бункеров для технологической линии приготовления паштетной массы при производстве консервов..

10.На базе систем автоматического дозирования (САД) мясного сырья созданы автоматизированные технологические линии приготовления колбасного фарща для варёных колбас и паштетной массы для консервов с гибкой микропроцессорной системой управления..

11. При разработке автоматизированных технологических линий использован метод технологических и логических циклограмм, позволяющий создать надёжные электрические схемы. Разработаны технологические циклограммы для приготовления фарша варёных колбас «Любительская» и «Докторская», а также технологическая циклограмма приготовления паштетной массы для консервов «Паштет степной». При построении технологических циклограмм предложены рациональные режимы и определены производительности линий приготовления колбасного фарша и паштетной массы..

12. На основании технологических циклограмм получены алгоритмы управления линиями приготовления колбасного фарша и паштетной массы..

13. Проведена оценка надёжности технологического потока систем управления весами и весовыми дозаторами в колбасном и консервном производствах. На характеристиках потоков отказов представлен поток отказов как случайный процесс, а также функция потока отказов и интенсивность потока отказов с учётом программного обеспечения ..

4о.

14. Внесены изменения в конструкциях машин в модернизированном автоматизированном комплексе оборудования для фаршеприготовления при производстве варёных колбас:.

— в фаршевом насосе А1-ФЛБ/3 изменён рабочий орган насоса-вытесни-теля, выполненный в виде коловратного механизма, состоящего из корпуса и двух трёхзубчатых роторов-.

— для определения давления измельчённого мясного сырья на фарше-проводах после подачи сырья фаршевыми насосами в весовой бункер установлены манометры с мембранными разделителями, причём давление измельчённой говядины и свинины на выходе из фаршепровода колеблется в пределах 0,3 — 0,4 МПа-.

— увеличена вместимость дежи смесителей с 340 до 400 л и изменена конструкция рабочих органов смесителей, а именно вместо спиральных рабочих органов предложены Zобразные, осуществляющие перемешивание фарша в углах дежи смесителей, что важно для полной выгрузки приготовленного фарша..

15. По результатам исследований и разработок опубликовано более 90 печатных работ, среди которых 3 учебных пособия:.

Подъёмно-транспортное оборудование предприятий мясной промышленности. — М.: МГУПБ, 1998. — 167 с.(авторы: В. А .Белухин, В. А. Катюхин, О.И.Якушев)..

Насосы и передувочные баки предприятий мясной промышленности. -М.: МГУПБ, 1999. — 76 с. (авторы: В. А. Белухин, В. А. Катюхин, О.И.Якушев)..

Механизация погрузочно-разгрузочных, транспортных и складских работ на предприятиях мясной и молочной промышленности. — М.: МГУПБ, 2001. — 173 с. (авторы: О. И. Якушев, В.А.Белухин)..

Эти учебные пособия используются при чтении лекций, проведении практических занятий, а также при разработке курсовых и дипломных проектов. В этих учебных пособиях приведены расчёты технологического оборудования, а также отражены разработки автора диссертационной работы, например:.

-функциональная схема автоматизации весового дозирования мясного сырья с использованием шнекового распределителя-.

— схемы эскцентриково-лопастного и коловратного насосов-.

-функциональная схема автоматизации процессов тонкого измельчения и деаэрации паштетной массы-.

— функциональная схема автоматизации управления насосомдозатором-.

— формы шнеков-.

— схема пульсирующего конвейера с возвратно-поступательным движением-.

— типы роботов и манипуляторов и тенденции применения роботов и манипуляторов в отрасли..

16. Разработана блок-схема гибкого автоматизированного производства (I «АЛ) на примере колбасного цеха с использованием электронных весов и весовых дозаторов, весовых терминалов, роботов, манипуляторов, микропроцессорных контроллеров и ЭВМ. Блок-схема ГАП колбасного цеха используется при чтении лекций..

17. Проведённые патентные исследования показали, что в СССР и Российской Федерации осуществлялось совершенствование линий приготовления фарша и паштетной массы и систем управления линиями. В диссертационной работе использовано 7 авторских свидетельств и 3 патента, внедрённые на предприятиях мясной промышленности с участием автора..