В статье описана модель тепловых процессов в автоклаве, которая используется для моделирования процесса стерилизации консервов. В основе симулятора лежит имитационная модель, которая адекватно описывает реакцию автоклава на действия системы управления и оператора стерилизационной установки. Параметры модели были получены путем обработки экспериментальных данных. Описана компьютерная программа «autoclave Model» для моделирования процесса стерилизации в пароводяной среде. Приведены примеры моделирования процесса стерилизации консервов с ручным управлением.
Результаты численного математического моделирования процессов стерилизации консервов в автоклаве показали высокую степень аппроксимации реализованных технологических моделей. Расчетные схемы, полученные в результате создания математических моделей, были использованы при разработке программно-аппаратного комплекса симулятора процесса стерилизации. В результате внедрения тренажера процесса стерилизации в учебный процесс будет обеспечено повышение уровня подготовки специалистов по проведению процесса стерилизации консервированных продуктов. Как следствие, ожидается сокращение производственных дефектов и повышение качества консервированных продуктов.
Введение
Продовольственная безопасность страны в нынешней ситуации должна быть обеспечена на самом высоком уровне, в то время как правила поставок зарубежной рыбной продукции были изменены. Одним из важнейших технологических процессов является стерилизация консервов. Здоровье потребителей рыбной продукции напрямую зависит от качества технологических процессов. Исследования в области стерилизации пищевых продуктов являются одним из ведущих направлений научной группы кафедры автоматики и информатики Мурманского государственного технического университета.
Поиск моделей процессов стерилизации консервированных продуктов привлек многих ученых и исследователей конца двадцатого века [1-12]. Одним из самых известных исследователей в этой области является Джулио Р. Банга, который предложил методы улучшения обработки пищевых продуктов с использованием современных методов оптимизации [13]. Он предложил методы и модели, применяемые в пищевой промышленности. Также он рассмотрел особенности внедрения широко распространенных процессов оптимизации и моделирования. Более полное рассмотрение методов оптимизации процессов термообработки приведено в книге Ф. Эрдогду «Оптимизация в пищевой инженерии» (2008) [14].
Работа автоклава для процессов в паровой или водной среде исследуется исследовательской группой кафедры автоматизации и вычислительной техники МГТУ с 2008 года. Разработаны энергоэффективный и ступенчатый режимы стерилизации рыбных консервов в паровой и водной среде. Было составлено математическое описание автоклава и исследован процесс разогрева различных видов рыбных продуктов в консервных контейнерах популярных размеров [15]. Большое значение имеет сокращение временных и энергетических затрат на процесс и сохранение максимального количества питательных веществ в продукте. Поэтому был также разработан метод стерилизации, основанный на F-эффекте.
В результате этих исследований был разработан программно-аппаратный комплекс MIST (Модернизация и инновации в стерилизации). Он позволил повысить эффективность процесса стерилизации консервов в автоклаве. В состав MIST входит система автоматического управления процессом стерилизации. Данная система построена с использованием современного отечественного оборудования для промышленной автоматизации. Имеются программные модули, позволяющие настроить систему управления под конкретный тип продукта.
Это позволяет снизить затраты ресурсов на процесс и облегчает работу разработчика режимов стерилизации. Исследование процесса стерилизации позволило приступить к разработке симулятора процесса стерилизации. Важность этого симулятора в последнее время стала осознаваться достаточно остро. Он обеспечивает высокий уровень подготовки в областях «Автоматизация технологических процессов и производств», «Технологические машины и оборудование». Таким образом, целью данной работы было создание предпосылок для устойчивого развития и совершенствования лабораторной базы промышленных учебных заведений, повышение качества лабораторных занятий и учебных тренажеров для процесса стерилизации консервированных продуктов.
Методы
Тренажер основан на имитационной модели. Данная модель достаточно адекватно описывает реакцию автоклава на действия системы управления и оператора. Ранее были разработаны модели стерилизационной камеры автоклава с использованием метода “черного ящика”. Эти модели предназначены для стадий продувки, нагрева и стерилизации. Их можно было бы использовать при настройке системы управления автоклавом. Но они не подходят для реализации в вышеупомянутом симуляторе.
Учитывая тот факт, что в качестве основной вычислительной платформы симулятора предполагается использовать недорогой, надежный и универсальный микроконтроллер, большой объем вычислений неприемлем. В противном случае это запрещает жесткий режим реального времени.
Поэтому возникает необходимость в создании совершенно новой модели автоклава. Она должна отвечать реакции на действия системы управления и оператора. Также в ней должен использоваться метод “черного ящика” и зависимости параметров процесса. Модель должна быть оптимальной с точки зрения соотношения качества и эксплуатационных затрат.
Объектом математического моделирования является автоклав N2-ITA-602. Система управления автоклавом включает в себя дискретные выходные датчики: верхнего уровня воды; наличия подачи воды; наличия подачи пара; наличия подачи сжатого воздуха; состояния крышки (открыта или закрыта). Приводами системы управления являются: клапан подачи пара; клапан подачи охлаждающей воды; сливные клапаны (верхний и нижний); клапан подачи воздуха.
Предлагается математическое описание автоклава как системы, состоящей из следующих объектов: корпуса аппарата, консервированного продукта, воды, пара и воздуха. Подразумевается, что вода представляет собой смесь конденсата, стерилизационной воды (для стерилизации в водной среде) и воды для стадии охлаждения. Пар и воздух образуют паровоздушную смесь. Корпус устройства всегда принимает участие в расчетах. Наличие других элементов зависит от состояния устройства, а также от действий оператора и системы управления.
Для простоты каждая часть расчетов представлена в виде объекта с концентрированными параметрами. Исключением является стерилизационная камера, поскольку она, естественно, имеет геометрические размеры. Каждый объект также представлен температурой, массой и теплоемкостью. Параметры модели рассчитываются с использованием временной выборки с учетом теплообмена между объектами.
Для изучения и оптимизации расчетной схемы была использована свободно распространяемая интегрированная среда разработки Lazarus и язык программирования Free Pascal. Таким образом, была создана программа «Модель автоклава». Она позволяет моделировать взаимодействие оператора со стерилизационной установкой. Для управления процессом стерилизации в данной модели автоклава предусмотрены приводы, описанные выше. Имеются окошки управления, которые позволяют помещать продукт в стерилизационную камеру и закрывать или открывать крышку аппарата. Модель также выдает данные о модели датчика температуры, “установленного” на определенной высоте в стерилизационной камере, и датчике давления.
Результаты, основанные на численном моделировании, показали, что следующая схема расчета имеет наилучшее соотношение качества и эксплуатационных затрат. Существуют отдельные программные модули для расчета параметров каждой среды (пара, воздуха и воды), которая может присутствовать в стерилизационной камере автоклава.
При избыточном давлении в автоклаве программа проверяет состояние продувочного клапана, обоих сливных клапанов, состояние крышки. В том случае, когда любой из этих элементов подключен к атмосфере, масса пара уменьшается на величину расхода в единицу времени, рассчитанную по формуле (1). Единственным исключением является случай, когда в аппарате имеется определенное количество воды и открыт нижний сливной клапан, и пар не проходит по этому каналу пропускания.
Если температура и масса пара были изменены в результате тепло- и массопереноса, его парциальное давление пересчитывается в соответствии с формулами (3) и (4). Также его температура пересчитывается в соответствии с известными зависимостями (функция давления для насыщенного пара) на основе значения давления.
Модуль для расчета параметров воды аналогичен. Разница заключается лишь в наличии пара в аппарате. Когда вода подается в стерилизационную камеру, рассчитывается теплообмен между холодной водой и горячим паром (образуется конденсированный пар). Это обеспечивает адекватность расчетной схемы на этапе охлаждения при стерилизации консервов в паровой среде. Также уровень воды в стерилизационной камере и зоны теплообмена для воды–корпуса, воды–продукта, паровоздушной смеси-корпуса, паровоздушной смеси–продукта, паровоздушной смеси -воды рассчитываются с использованием значений уровня воды и геометрических размеров корпуса автоклава и консервные банки.
При открытой крышке масса воздуха в аппарате может изменяться в соответствии с формулой (1) в зависимости от величины избыточного давления. При давлении ниже атмосферного учитывается приток окружающего воздуха с параметрами помещения. Затем по формуле (5) рассчитывается температура корпуса автоклава за счет теплообмена с окружающей средой помещения.
Имитационная модель автоклава “оснащена” датчиком температуры. Металлический корпус автоклава обладает определенной тепловой инерцией. Таким образом, температура, которую выдает датчик, рассчитывается с использованием метода Эйлера для линейного дифференциального уравнения 1-го порядка с постоянной времени 10 секунд и коэффициентом пропускания 1 (что близко к экспериментальным результатам). Выбор метода Эйлера обусловлен его относительной простотой вычислений. Когда уровень воды в аппарате превышает высоту установки датчика температуры (корпус датчика находится в воде), в качестве входного значения для расчетов берется температура воды. В противном случае показания датчика рассчитываются на основе температуры паровоздушной смеси.
Давление в аппарате равно сумме парциальных давлений воздуха и пара (если таковые имеются). Автоклав может быть полностью заполнен водой, которая считается несжимаемой жидкостью. В этом случае давление там определяется состоянием клапанов подачи, отвода и слива воды.
Приведенная выше схема расчета основана на ряде допущений. Теплопередача и особенности транспортировки пара, воды и воздуха рассматриваются в упрощенном виде. Процессы тепло- и массообмена в стерилизационной камере рассматриваются как не одновременные и дискретные по времени. Особенности теплопередачи через пленку конденсата к корпусу аппарата и продукту не учитываются. Влияние температуры на теплоемкость предметов, находящихся в стерилизационной камере, не учитывается. Зависимость между параметрами насыщенного пара и теплотой испарения также не используется. Пар всегда считается сухим насыщенным со степенью сухости, равной 1. Продукт считается однородным. Фазовые превращения содержимого банок и т.д. отсутствуют.
Результаты
Параметры модели были получены с помощью компьютерного моделирования и сравнения его результатов с экспериментальными данными. Пример моделирования процесса стерилизации консервированных продуктов в среде пара в разработанной программе «autoclave Model» показан на рисунке 4. Процесс управления моделью стерилизационной установки в ручном режиме можно описать следующим образом.
Показанный процесс начинается с загрузки консервов в машину. Затем закрывается крышка и открываются подача пара и оба сливных клапана. Начинается этап продувки устройства паром. Через пять минут после начала процесса обдува стерилизационная камера тщательно прогревается до 100°C. Воздух из аппарата выходит наружу, усиливая процессы теплообмена. Затем оператор закрывает оба дренажных клапана. Это означает начало процесса нагрева. На этом этапе температура в стерилизационной камере достигает уровня стерилизации (120°C на рис. 4). После этого начинается этап стерилизации. На этом этапе температура в автоклаве поддерживается на уровне, определенном рецептурой стерилизации, в течение определенного времени. После завершения этапа стерилизации начинается этап охлаждения. На этом этапе в аппарат подается охлаждающая вода. Холодная вода отводит избыточное тепло от продукта и автоклава. Это снижает температуру до значений, при которых продукт может быть извлечен из стерилизационной камеры (приблизительно 60°C). Кроме того, на этапе охлаждения в стерилизационную камеру подается сжатый воздух. Это предотвращает резкое падение давления из-за конденсации пара.
Пример моделирования процесса стерилизации консервов в водной среде показан на рисунке 5. Перед началом процесса стерилизации в автоклав наливают воду до уровня двух третей от общего объема автоклава (рис. 5) и нагревают до температуры стерилизации 60°С.
Процесс начинается с загрузки консервов в машину. После этого закрывается крышка и открывается паровой клапан. Затем начинается нагрев водной среды с продуктом. Через двадцать пять минут после начала этапа нагрева температура в аппарате достигает заданного уровня (115°C в показанном режиме стерилизации). Затем начинается этап стерилизации, во время которого температура в автоклаве поддерживается на заданном уровне в течение определенного времени.
После этапа стерилизации следует этап охлаждения. В аппарат подается вода, температура которой снижается до безопасного уровня, чтобы продукт можно было вынуть из автоклава. В дополнение к воде на этапе охлаждения в установку подается сжатый воздух, чтобы предотвратить резкое падение давления в установке.
Обсуждение
Результаты численного математического моделирования процессов стерилизации консервов в автоклаве показали высокую степень аппроксимации реализованных технологических моделей. Расчетные схемы, полученные в результате создания математических моделей, были положены в основу программного обеспечения симулятора процесса стерилизации. Аппаратная часть тренажера основана на микроконтроллере Microchip PIC18F2520. Это устройство выполняет множество функций для тренажера. Оно обеспечивает ввод управляющих сигналов от системы управления: переключение клапанов автоклава. Он также рассчитывает параметры процесса в соответствии с приведенной выше моделью в режиме реального времени. Микроконтроллер также генерирует выходные сигналы: температуру и давление в стерилизационной камере, уровень воды и состояние предохранительного клапана. Программный код написан на языке макроассемблера MPASM. Этот язык часто используется для разработки критически важного программного кода для микроконтроллеров, производимых компанией Microchip.
Имитационная модель с системой управления представлена на рисунке 6. Корпус модели выполнен с использованием технологий 3D-печати FDM/FFF. Тренажер позволяет имитировать нештатные ситуации, такие как отказ приводов, путем отсоединения от модели соединителя клапана, который обеспечивает связь с системой управления.
Тренажер предоставляет возможность изменять тип изделия, используя параметр C в формуле (6) для различных вариантов учебного задания. Это делается путем указания соответствующего кода с помощью переключателя.
Система управления процессом стерилизации является оригинальной разработкой кафедры автоматики и информатики МГТУ им. Н.Э. Баумана. Она построена на базе программируемого логического контроллера SPK-207, осуществляющего обмен информацией с оператором через сенсорный экран. Процесс стерилизации контролируется с помощью HMI. Разработка алгоритмов системы управления осуществлялась в 3S CoDeSys.
Заключение
В ходе разработки тренажера была создана комплексная модель автоклава. Она демонстрирует высокий уровень схожести реакций на действия оператора и системы управления. В настоящее время тренажер процесса стерилизации с системой управления используется в учебном процессе Мурманского государственного технического университета. Это помогает повысить уровень подготовки за счет изучения этапов процесса стерилизации консервов. Ожидается, что это позволит сократить количество брака на производстве и повысить качество консервированной продукции. Вышеупомянутый симулятор также может быть использован вместо “настоящего” автоклава на этапах разработки системы управления процессом стерилизации и настройки коэффициентов.