В последние десятилетия все больше автоматизируются трудоемкие вычислительные процессы на различных этапах современных научных исследований. Коллектив кафедры автоматизации и вычислительной техники совместно с кафедрой технологии пищевых производств Мурманского государственного технического университета уже не одно десятилетие решает задачу разработки комплексной автоматизации научных исследований по технологии пищевых производств.
В результате были достигнуты большие успехи в области стерилизации пищевых продуктов от водных организмов. Большинство исследований в области консервирования направлено на повышение экономической эффективности процесса, сохранение микробиологической безопасности и органолептических качеств готовой продукции. В статье рассмотрены и проанализированы основные достижения научных исследований процесса стерилизации консервов. Также намечены планы дальнейших исследовательских работ.
Введение
В последние десятилетия все больше автоматизируются трудоемкие вычислительные процессы на различных этапах современных научных исследований. Это стало возможным благодаря интенсивному развитию вычислительной техники энерго-математического, имитационного и нейро-нечеткого моделирования. В целом комплексная автоматизация научных исследований сочетает в себе управление лабораторным оборудованием, измерение и регистрацию экспериментальных данных, сбор, хранение и обработку полученных данных. Несмотря на это, дальнейшая реализация комплексной автоматизации научных исследований весьма затруднительна.
Основными проблемами при этом являются: − разработка аппаратного и программного обеспечения, подходящего для конкретной области научных исследований и способного адаптироваться и настраиваться под изменяющиеся условия окружающей среды; − тенденция автоматизации разрушать творческий процесс в рамках научных исследований. Коллектив кафедры автоматизации и вычислительной техники (АиВТ) совместно с кафедрой технологии пищевых производств (ФПТ) Мурманского государственного технического университета (МГТУ) уже не один год решает задачу разработки комплексной автоматизации научных исследований по технологии пищевых производств. десятилетие. Наибольшие успехи достигнуты в области стерилизации пищевых продуктов от водных организмов. Далее рассмотрены и проанализированы основные достижения научных исследований МГТУ по процессу стерилизации консервов.
Основные достижения в области стерилизации консервов
Стерилизирующее оборудование Постоянное совершенствование процесса стерилизации обусловлено тем, что этот процесс имеет решающее значение для оценки качества готовых консервов из водных организмов. Большинство исследований в области консервирования направлены на повышение экономической эффективности процесса при сохранении микробиологической безопасности и органолептических качеств готовой продукции. Поскольку в конце 2007 года на рынке не было недорогого и эффективного отечественного стерилизационного оборудования, кафедры АиКЭ и ФПТ МГТУ остановили свой выбор на этом варианте. За несколько лет на базе медицинского стерилизационного оборудования ВК-30 был создан современный, энергоэффективный и недорогой стерилизационный аппарат АВК-30.
После проведения исследований по получению данных о работе установки был выявлен ряд недостатков, касающихся энергоэффективности. Основными из них являются наличие значительных тепловых потерь через стенки медицинского стерилизующего оборудования и необходимое уменьшение объема нагреваемой воды на начальном этапе. Установка в стерилизационное оборудование теплоизоляции и специального «экономайзера» позволила повысить энергоэффективность стерилизационной установки АВК-30 (рис. 1, патент на полезную модель № 94418, РФ). «Экономайзер» — сосуд высокого давления, предназначенный для накопления сред, используемых в камере автоклава на стадии охлаждения и последующего их использования при повторном нагреве.
Далее в отделе АиКП была разработана система управления стерилизационной аппаратурой АВК-30 на базе оборудования общепромышленной автоматизации отечественной компании ОВЕН и алгоритм ее работы. Таким образом, был создан и полностью интегрирован в стерилизационное оборудование комплекс МИСт (Моделирование, Идентификация, Стерилизация), представленный на рисунке 2, для проведения исследований и разработки оптимальной системы автоматического управления (АСУ) стерилизацией консервов из водных организмов в условиях 2011. Поскольку система управления построена на базе общепромышленной автоматики, имеющейся на большинстве российских предприятий, комплекс МИСт может быть использован для любого промышленного автоклава после предварительной настройки. Практически это означает, что экономически эффективная разработка АСУ для данного автоклава возможна.
В 2011 году начат поиск оптимального регулятора для разрабатываемой системы управления. В статье «Способ оптимального регулирования температуры в автоклаве на основе регулятора с прогнозированием» исследователи отдела АиЦЭ провели исследование оптимально настроенного пропорционально-интегрального регулятора. Проведенные на стерилизационной установке АВК-30 эксперименты и численное математическое моделирование стерилизации пищевых продуктов от гидробионтов привели к тому, что использование «прогнозируемого» алгоритма в работе АСУ экономит до 20 % сред по сравнению с традиционным методом контроля при требования режима стерилизации соблюдены [2].
«Модернизированный» режим стерилизации консервов
В рамках НИР по повышению энергетической эффективности термических процессов пищевых продуктов в 2011 г. был предложен «модернизированный» режим стерилизации консервов из гидробионтов, представленный на рисунке 3 (Изобретение № RU2471387С1 «Способ управления процессом стерилизации консервов на основе F- эффект»). Этот режим основан на оптимальной формуле стерилизации с расчетом фактического стерилизующего эффекта (F-эффекта). АСУ процесса стерилизации в стерилизационной установке АВК-30 использует его в качестве контролируемого параметра. Это позволяет добиться экономии электроэнергии до 30 % по сравнению с традиционным режимом стерилизации и сократить продолжительность работы стерилизационного оборудования на 9 % [3, 4]. Одним из недостатков метода является необходимость измерения температуры внутри консервов и расчета F-эффекта в реальном времени. В связи с возможностью внедрения нового режима стерилизации консервов было решено изменить наименование стерилизационного оборудования на АВК-30М.
Программный комплекс
В 2011 году сотрудники отдела АиЦЭ выбрали направление исследований в направлении разработки специального программного комплекса для стерилизации консервов из водных организмов. Такой комплекс позволяет получить адекватные температурные модели процесса стерилизации и в дальнейшем использовать их при оптимизации параметров режима стерилизации по заданным критериям качества или F-эффекту готового продукта. К 2019 году завершилась разработка программного комплекса TPM & PRSC.
Программный комплекс для получения режима стерилизации консервов из гидробионтов на этапе предварительного отбора состоит из двух программ: TPM и PRSC. Для начала работы с программным обеспечением TPM пользователю необходимо открыть файл с зарегистрированными данными терморегистраторов. Далее выберите желаемый температурный профиль продукта, тип и порядок тепловой модели продукта. Затем пользователю необходимо нажать кнопку «Идентификация модели» и сохранить выбранную модель продукта и режим стерилизации в файлы для программного обеспечения PRSC, где выполняется дальнейшее математическое моделирование [6]. В 2011 году начата разработка программного обеспечения ПРСК в интегрированной среде программирования (IDE) Lazarus с целью математического моделирования режима стерилизации консервов из гидробионтов.
Данная программа позволила найти оптимальные по нормативному стерилизующему эффекту, температуре стерилизации и длительности технологических стадий параметры режима стерилизации консервов адаптивным симплексным методом [7]. На первом этапе оптимизации строится симплекс по заранее известным координатам. Далее выбирается точка симплекса с полученным наихудшим результатом. Затем координаты этой точки зеркально отражаются относительно противоположной грани симплекса. Худшая точка заменяется результирующей и получается новый симплекс, направленный на улучшение результата оптимизации. В полученной точке проводится новый эксперимент и результат снова сравнивается с другими точками симплекса.
Итак, вот как симплекс движется по поверхности отклика. Процесс повторяется до тех пор, пока не будет достигнута оптимальная область. Это область, где поступательное движение симплекса прекращается и симплекс вращается вокруг одной из вершин (зацикливание). Параметры конечного симплекса в оптимальной области сохраняются для следующих расчетов. Это обеспечивает накопление информации об исходных параметрах объекта оптимизации для следующего применения симплексного метода. Расчет каждой модели процесса с новыми коэффициентами или параметрами режима стерилизации проводится с использованием классического метода численного интегрирования Рунге-Кутты четвертого порядка. Этот метод позволяет рассчитать модель изделия или процесс стерилизации с точностью до 10-5. Подробное описание функций программного комплекса TPM & PRSC и пример его использования при решении реальной задачи приведены в статье.
В результате исследований, проведенных с использованием программного комплекса TPM&PRSC, сотрудники отдела A&CE пришли к выводу, что за счет моделирования и оптимизации процессов с использованием компьютерных технологий [8] можно существенно сократить разработку новых режимов стерилизации изделий. и ускорить ввод в эксплуатацию нового стерилизационного энергоэффективного оборудования. Это оборудование, вероятно, улучшает качество и безопасность конечного продукта.
Экономический метод разработки режимов стерилизации
В 2015 году использование программного комплекса совместно со стерилизатором АВК-30М позволило реализовать экономичную методику разработки режимов стерилизации консервов для промышленного автоклава. Все исследования при разработке новых режимов стерилизации консервов проводились с использованием промышленного автоклава АСКАМАТ-230. Это связано с тем, что в 2015 году поступила заявка от рыбопромысловых предприятий Мурманской области на разработку режимов стерилизации для данного типа автоклавов.
Суть метода, предложенного научной группой кафедр АиКЭ и ФПТ, заключается в оперативной перенастройке алгоритмов работы АСУ в стерилизационной аппаратуре АВК-30М на любом этапе стерилизации для имитации режима промышленной автоклавной стерилизации в соответствии с поставленной задачей. Использование АВК-30М привело к экономии электроэнергии до 85 % и расходу сырья на одно испытание в автоклаве до 90 % [9]. Основной сложностью широкого внедрения этого метода остается наличие правильного температурного профиля автоклава, выбранного для выбора режима стерилизации консервов. Это происходит из-за неравномерности температурного поля в стерилизационных камерах промышленных автоклавов на этапах нагрева и охлаждения.
Температурное поле и математическая модель промышленного автоклава
В 2017 году сотрудники отделов АиКЭ и ФПТ провели исследование температурного поля стерилизационной камеры промышленного автоклава АСКАМАТ-230. Данный автоклав был получен от одного из предприятий Мурманской области с целью устранения указанной выше основной сложности хозяйственного метода. Параметры температурного поля определяли по специальной методике исследования температурного поля греющей среды периодического оборудования для стерилизации консервов [10]. Для этого внутри стерилизационной камеры автоклава были размещены шесть регистраторов температуры Thermochron серии DS1922.
Первый устанавливался на место установки штатного термометра. Второй, третий, пятый и шестой из них располагались соответственно в центре и на периферии нижней и верхней частей стерилизационной камеры автоклава. Четвертый располагался в центре средней части стерилизационной камеры автоклава. Измерение температуры в жестяных банках с продуктом осуществлялось термологгерами Ellab TrackSense PRO. Логгеры устанавливались в жестяных банках, расположенных вверху и внизу стерилизационной камеры автоклава. Корректность и точность значений температуры логгеров Thermochron и Ellab соответствуют требованиям, предъявляемым к техническим средствам измерения температуры при термической обработке продукции в автоклаве. На основании полученной информации построены температурно-временные зависимости процесса стерилизации характерных точек автоклава и сделан вывод об однородности температурного поля промышленного автоклава АСКАМАТ-230. На этапе стерилизации температурное поле можно считать однородным (разница температур не более 1°С в разных зонах автоклава и консервных банок с продуктом).
На этапе охлаждения оно неравномерное из-за подачи охлаждающей воды сначала в нижнюю часть автоклава. Это конструктивная особенность автоклава АСКАМАТ-230 [10]. По результатам исследования даны некоторые рекомендации по использованию промышленного автоклава АСКАМАТ-230:
− консервные банки с продукцией рекомендуется размещать в нижней корзине автоклава для поддержания заданного температурно-временного режима на этапе охлаждения. при разработке новых режимов стерилизации;
− размещение регистраторов температуры в нижней и верхней частях автоклава является оптимальным способом поддержания температуры на заданном значении на этапе стерилизации при создании АСУ автоклава;
− Разница F-эффектов в верхней и нижней корзинах автоклава в процессе стерилизации консервов составляет не менее 10%. К 2018 году на основе этих рекомендаций была получена численная математическая модель промышленного автоклава ASCAMAT-230 и предложен вариант модернизации существующей АСУ.
Математическое описание стерилизационной камеры автоклава представлено с использованием передаточной функции второго порядка, при этом максимальное отклонение численной математической модели от реального значения температуры не превышало 2°С [12]. Полученный результат может быть использован для модернизации существующей АСУ автоклава ASCAMAT-230 с оптимальными параметрами регулятора. Для этого необходимо внести следующие изменения:
— заменить заводской микропроцессорный контроллер на отечественный программируемый контроллер для реализации алгоритма управления практически любой сложности, программной калибровки датчиков и расчета необходимых параметров;
− заменить клапаны с ручным управлением на электромеханические для автоматизации операций на этапе охлаждения;
− установить блок управления симисторами и тиристорами вместо контакторов для повышения точности регулирования и снижения энергозатрат;
− обеспечить возможность подключения СКУД к компьютеру для записи, обработки и анализа данных.
Симулятор процесса стерилизации консервов
Одной из наиболее перспективных разработок отдела АиКП является симулятор процесса стерилизации консервов в комплексе с АСУ процесса стерилизации. АСУ создано на базе современного отечественного оборудования для автоматизации производства объединения «ОВЕН». СКУД размещается в контроллере панели СПК-207 и подключается к автоклаву-имитатору посредством модулей ввода/вывода. В САУ поступают дискретные сигналы верхнего уровня, воды, пара, воздуха и открытия крышки. Затем он формирует сигналы для клапанов подачи охлаждающей воды, воздуха, пара и клапанов сброса и слива.
Программная модель автоклава реализована внутри имитатора процесса стерилизации консервов (свидетельство о регистрации программного обеспечения № 2015663349, РФ). Он рассчитывает параметры процесса в режиме реального времени в соответствии с параметрами питательных сред, продукта и воздействия на окружающую среду. Тренажер позволяет моделировать нештатные ситуации (отказ исполнительных механизмов) путем отключения клапана от САУ с помощью специальных разъемов на симуляторе. В настоящее время симулятор процесса стерилизации консервов является учебно-лабораторным стендом для обучения студентов направления «Автоматизация технологических процессов и производств» и служит для демонстрации подходов к проектированию АСУ.
Заключение
Авторы статьи рассчитывают, что наличие запатентованных разработок в области аппаратного и программного обеспечения, а также большого количества разработанных и апробированных режимов стерилизации консервов для промышленных автоклавов будет способствовать созданию автоматизированной исследовательской системы стерилизации пищевых продуктов от гидробионтов. в ближайшем будущем. Также совершенствование функциональности программного комплекса TPM&PRSC позволит создать систему автоматизированного проектирования режимов стерилизации консервов из гидробионтов на предварительном этапе выбора режимов. Это позволит существенно сократить сроки разработки нового или коррекции существующего режима стерилизации консервов.