Совершенствование процесса аппаратурно-технологической стабилизации влажности при производстве сливочного масла способом непрерывного сбивания

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 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. 1.

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 влажности сливочного масла в системе сливкосозревательный резервуармаслоизготовитель 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 управляющеговоздействия 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 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 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 260 600 «Пищевая инженерия» и 220 300 «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 изобретёния.

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.