РАЗРАБОТКА  СПОСОБА  АВТОМАТИЧЕСКОГО  УПРАВЛЕНИЯ  ПРОЦЕССОМ  ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО  КОПЧЕНИЯ  ПРОДУКТОВ  С  РАЗВИТОЙ  СТРУКТУРОЙ  В  РЕГУЛИРУЕМОЙ  СРЕДЕ  С  ИНДУКТИВНЫМ  ПОДВОДОМ  ЭНЕРГИИ  ПРИ  ДЫМОГЕНЕРАЦИИ

Попова  Виктория  Николаевна

студент  2  курса,  кафедра  машин  и  аппаратов  пищевых  производств  ВГУИТ,  РФ,  г.  Воронеж

E-mail: 

Сухарев  Игорь  Николаевич

студент  5  курса,  кафедра  технологии  продуктов  животного  происхождения  ВГУИТ,  РФ,  г.  Воронеж

Е-mail :  luckyshax@mail.ru

Шахов  Сергей  Васильевич

научный  руководитель,  д-р  техн.  наук,  професссор  ВГУИТ,  РФ,  г.  Воронеж

Е-mail :  s_shahov@mail.ru

Недостатком  известных  способов  автоматического  управления  процессами  копчения  является  отсутствие  контроля  и  регулирования  начальной  влажности  опилок,  основных  технологических  параметров  их  пиролиза  в  процессе  дымогенерации,  что  может  приводить  к  появлению  в  составе  получаемого  дыма  опасных  канцерогенных  веществ,  не  производится  стабилизация  температуры  коптильного  дыма,  подаваемого  в  камеру,  что  может  привести  к  нарушению  технологического  режима  и  снижению  качества  продукции,  а  также  к  недостаткам  можно  отнести  и  тот  факт,  что  момент  окончания  процесса  копчения  определяется  только  по  времени  без  учёта  концентрации  дымовоздушной  смеси  в  ходе  процесса.  Кроме  этого  известные  способы  не  обеспечивают  высокую  эффективность  коптильного  оборудования,  из-за  малой  скорости  свободного  осаждения  коптильных  компонентов  на  поверхность  продукта  и  поэтому  не  могут  быть  реализованы  для  технологии  электростатического  копчения. 

Поэтому  для  устранения  вышеназванных  недостатков  и  с  целью  повышения  качества  готовой  продукции,  в  результате  получения  дыма  с  заданными  свойствами  предложена  схема  (рис.  1)  способа  автоматического  управления,  которая  включает  установку  для  осуществления  процесса  копчения  в  электростатическом  поле  содержащую  компрессор  1,  нагреватель  2,  баромембранный  аппарат  3,  дымогенератор  4  имеющий  барабан  5,  с  размещенными  внутри  него  теплопередающими  элементами  в  виде  ферромагнитных  металлических  стержней  6  (или  в  виде  тепловых  труб),  центральной  трубой  7,  запирающей  заслонки  8  и  питателя  9. 

Барабан  5  в  зоне  дымогенерации  (сухой  перегонки  опилок)  имеет  индуктор  10.  Дымогенератор  4  имеет  регулируемый  привод  11  вращения  барабана  5,  заслонку-диафрагму  12  с  приводом  13,  разгрузочную  камеру  14  с  заслонкой  на  входе  холодного  воздуха  15.  Установка  для  осуществления  процесса  копчения  в  электростатическом  поле  также  включает  циклон  16  с  насосом  17,  фильтр  18  с  насосом  19  успокоительную  камеру  20,  эжектор  21,  камеру  ионизации  дыма  22,  снабженную  коронирующими  электродами  23,  подключенными  к  высоковольтному  генератору  24,  а  также  коптильную  камеру  25.  На  коптильной  камере  25  вертикально  расположен  коэкструдер  26  для  подачи  в  нее  продукта,  который  имеет  центральный  канал,  где  соосно  установлен  нагнетающий  шнек  27  с  возможностью  вращения  от  привода  28.  При  этом  ниже  нагнетающего  шнека  27  в  центральном  канале  соосно  ему  размещены  вставка  28  и  проходящий  через  нее  патрубок  29  подачи  дымовоздушной  смеси.  При  этом  центральный  канал,  ограниченный  корпусом  экструдера  26  и  вставкой  28  образуют  выходное  кольцевое  отверстие.  В  коптильной  камере  25  вокруг  выходного  кольцевого  отверстия,  вертикально  расположенного  устройства  подачи  продукта  в  коптильную  камеру  в  виде  коэкструдера  26  установлена  насадка  30  в  форме  сопла  Лаваля,  обеспечивающая  создание  парового  затвора,  разделяющего  зоны  подачи  продукта  в  вакуум  и  его  копчение.  Коптильная  камера  25  снабжена  конденсатором  31  с  вакуум-насосом  32.  Непосредственно  за  насадкой  30  у  нижней  части  коптильной  камеры  25  установлено  делительно-упаковочное  устройство  33.

Схема  (рис.  1),  реализующая  предлагаемый  способ  автоматического  управления  также  включает  линию  34  подачи  свежего  воздуха  в  компрессор  1,  линию  35  нагнетания  подогретого  воздуха  в  баромембранный  аппарат  2,  линию  36  подачи  обедненной  кислородом  смеси  в  дымогенератор  4,  линию  37  подачи  древесных  опилок  в  дымогенератор  4,  линию  38  удаления  влажной  воздушной  смеси  из  зоны  подсушки  древесных  опилок,  линию  39  подачи  воды  для  предотвращения  возгорания,  линию  40  удаления  дымовоздушной  смеси  из  дымогенератора  4,  линию  41  подачи  дымовоздушной  смеси  в  коптильную  камеру  25,  линию  42  подачи  исходной  смеси  продукта  в  коптильную  камеру  25,  линию  43  рециркуляции  дымовоздушной  смеси,  линию  44  подачи  хладагента  в  конденсатор  31,  линию  45  удаления  готового  продукта  из  установки,  датчики  температуры  46,  47,  48,  49,  50,  51,  52,  53  соответственно  свежего  подогретого  воздуха  на  входе  в  баромембранный  аппарат  3,  обедненной  кислородом  смеси,  подаваемой  в  дымогенератор  4,  древесных  опилок  в  зоне  их  подсушки,  ферромагнитных  металлических  стержней  6,  продукта  в  коэкструдере  26,  продукта  перед  делительно-упаковочным  устройством  33,  охлаждающей  поверхности  конденсатора  31,  датчики  влажности  54,  55,  56,  57  соответственно,  обедненной  кислородом  смеси,  подаваемой  в  дымогенератор  4,  древесных  опилок  в  зоне  их  подсушки,  исходной  смеси  продкта,  готового  продукта,  датчик  концентрации  58  кислорода  в  воздушной  смеси,  подаваемой  в  дымогенератор  4,  датчик  плотности  59  дымовоздушной  смеси,  подаваемой  в  коптильную  камеру  25,  датчики  давления  60,  61,  62,  63,  64,  65,  66,  соответственно,  в  баромембранном  аппарате  3,  в  линии  43  рециркуляции  дымовоздушной  смеси  перед  камерой  смешения  эжектора  21,  в  нагнетающем  центральном  канале  коэкструдера  26,  во  внутренней  полости  продукта  и  у  его  внешней  поверхности,  в  камере  копчения  25,  датчики  расхода  67,  68,  69,  70,  71,  72,  73,  74,  75,  76  соответственно,  обедненной  кислородом  смеси,  подаваемой  в  дымогенератор  4,  древесных  опилок  в  линии  25  подачи  их  в  дымогенератор  4,  дымовоздушной  смеси,  удаляемой  из  дымогенератора  4,  воды  подаваемой  в  зону  пиролиза,  воздуха,  подаваемого  в  оптический  датчик  59,  дымовоздушнойсмеси,  подаваемой  в  коптильную  камеру  25,  исходной  смеси  подаваемой  в  коэкструдер  26,  готового  продукта,  удаляемого  из  коптильной  камеры  25,  готового  упакованного  продукта,  хладагента  подаваемого  в  конденсатор  31,  датчик  высокого  напряжения  77,  подаваемого  на  коронирующие  электроды  23,  датчик  78  заряда  частиц  дымовоздушной  смеси,  датчики  уровня  79,  80,  соответственно,  древесных  опилок  в  дымогенераторе,  толщины  продукта  на  выходе  из  коптильной  камеры  25,  вторичные  приборы  81-102,  программируемый  технологический  контроллер  (ПМК)  103,  локальные  регуляторы  104—125,  исполнительные  механизмы  126—145.  Датчик  влажности  опилок  55  конструктивно  представляет  собой  две  пластины  измерительного  конденсатора,  укреплённые  на  запирающей  заслонке  8,  разделяющей  зоны  подсушки  древесных  опилок  и  зоны  дымогенерации  (сухой  перегонки  опилок).  Для  определения  плотности  дымовоздушной  смеси  подаваемой  в  коптильную  камеру  используют  датчик  59  либо  оптического,  либо  пневмоакустического  принципа  действия.

Способ  автоматического  управления  процессом  электростатического  копчения  продуктов  с  развитой  структурой  в  регулируемой  среде  с  индуктивным  подводом  энергии  при  дымогенерации  осуществляется  следующим  образом.

Управление  ведётся  в  супервизорном  режиме.  При  этом  стабилизация  значений  технологических  параметров  производится  локальными  регуляторами,  задание  которым  устанавливает  программируемый  микроконтроллер.  Это  позволяет  существенно  повысить  надёжность  работы  системы  управления,  т.  к.  в  случае  возникновения  сбоя  в  программе  или  аппаратного  отказа  самого  контроллера  локальные  регуляторы  будут  продолжать  работать  с  последними  установленными  настройками.  Применение  микроконтроллера  позволяет  производить  анализ  поведения  объектов  управления  и  выбирать  оптимальные  настроечные  параметры  регуляторов  исходя  из  определённых  критериев,  таких  как  минимизация  затрат  энергоресурсов,  скорость  регулирования  (время  переходных  процессов  в  системе)  и  др. 

Древесные  опилки  по  линии  42  направляются  в  дымогенератор  4,  после  чего  включают  компрессор  1,  нагреватель  2,  баромембранный  аппарат  3,  дымогенератор  4,  насос  в  линии  40  удаления  дымовоздушной  смеси  из  дымогенератора  4  и  подачи  ее  в  коптильную  камеру  25  через  фильтр  18,  в  котором  одновременно  происходит  ее  охлаждение  и  очистка  от  канцерогенных  компонентов  и  камеру  ионизации  22,  в  которой  дымовоздушная  смесь,  проходя  через  зазоры  между  коронирующими  электродами  23,  под  действием  электростатического  поля  интенсивно  ионизируется  и  получает  заряд  со  знаком  «-»,  измеряемый  датчиком  78.  С  помощью  датчиков  60  и  61  измеряют  в  баромембранном  аппарате  3  давление,  разность  которого  стабилизируют  путем  воздействия  на  исполнительный  механизм  128  компрессора  1  с  учетом  значения  концентрации  кислорода  в  воздушной  смеси,  подаваемой  в  дымогенератор,  измеряемого  датчиком  58.  С  помощью  датчиков  46,  47,  48,  49,  50,  51,  52,  53  измеряют  температуры,  соответственно,  свежего  подогретого  воздуха  на  входе  в  баромембранный  аппарат  3,  обедненной  кислородом  смеси,  подаваемой  в  дымогенератор  4,  древесных  опилок  в  зоне  их  подсушки,  ферромагнитных  металлических  стержней  6,  продукта  в  коэкструдере  26,  продукта  перед  делительно-упаковочным  устройством  33,  охлаждающей  поверхности  конденсатора  31.

Стабилизация  температур  осуществляется  с  помощью  локальных  регуляторов,  задание  которым  выдает  ПМК  55  исходя  из  технологического  регламента.  Локальный  регулятор  106  стабилизирует  температуру  воздуха  на  входе  в  баромембранный  аппарат  3,  воздействуя  на  исполнительный  механизм  126,  изменяющий  силу  тока  в  ТЭН  нагревателя  2.  Локальный  регулятор  58  стабилизирует  температуру  древесных  опилок  в  зоне  их  подсушки,  воздействуя  на  исполнительный  механизм  68,  изменяющий  силу  тока  в  ТЭН.  Локальный  регулятор  113  стабилизирует  температуру  теплопередающих  элементов  в  виде  ферромагнитных  стержней  6  в  зоне  дымогенерации  (сухой  перегонки  опилок),  воздействуя  на  исполнительный  механизм  132,  изменяющий  мощность  индуктора  10.  Локальный  регулятор  114  в  случае  возгорания  и  резкого  повышения  температуры  в  зоне  дымогенерации  (сухой  перегонки  опилок)  по  информации  с  датчика  температуры  49,  воздействуя  на  исполнительный  механизм  133  обеспечивает  подачу  воды  в  линии  39,  подавая  ее  в  зону  перегонки,  останавливая  тем  самым  воспламенение  древесных  опилок.  Стабилизация  температуры  продукта  коптильной  камере  25,  измеряемой  с  помощью  датчика  52  осуществляется  путем  выработки  локальным  регулятором  118  управляющего  воздействия,  поступающего  на  исполнительный  механизм  136  изменяющий  степень  открытия  заслонки  на  входе  холодного  воздуха  15.  Необходимость  такого  регулирования  вызвано  тем,  что  дымовоздушная  смесь  на  выходе  из  дымогенератора  4  имеет  температуру,  превышающую  требуемую  для  холодного  копчения.  Поэтому  наиболее  экономичным  и  эффективным  является  способ  снижения  температуры  коптильного  дыма,  получаемого  на  выходе  из  дымогенератора  4,  путем  его  смешивания  с  охлажденным  воздухом  из  системы  кондиционирования  предприятия.  С  помощью  датчиков  54,  55,  56,  57  измеряют  влажность,  соответственно,  обедненной  кислородом  смеси,  подаваемой  в  дымогенератор  4,  древесных  опилок  в  зоне  их  подсушки,  исходной  смеси  продкта,  готового  продукта,  датчик  концентрации  58  кислорода  в  воздушной  смеси,  подаваемой  в  дымогенератор  4,  датчик  плотности  59  дымовоздушной  смеси,  подаваемой  в  коптильную  камеру  25.  Локальный  регулятор  112  стабилизирует  влажность  древесных  опилок  в  зоне  их  подсушки,  воздействуя  на  исполнительный  механизм  131  регулируемого  привода  11,  изменяющий  частоту  вращения  барабана  5  дымогенератора  4.  Датчики  67,  68,  69,  70,  71,  72,  73,  74,  75,  76  соответственно  измеряют  расходы  обедненной  кислородом  смеси,  подаваемой  в  дымогенератор  4,  древесных  опилок  в  линии  25  подачи  их  в  дымогенератор  4,  дымовоздушной  смеси,  удаляемой  из  дымогенератора  4,  воды  подаваемой  в  зону  пиролиза,  воздуха,  подаваемого  в  оптический  датчик  59,  дымовоздушнойсмеси,  подаваемой  в  коптильную  камеру  25,  исходной  смеси  подаваемой  в  коэкструдер  26,  готового  продукта,  удаляемого  из  коптильной  камеры  25,  готового  упакованного  продукта,  хладагента  подаваемого  в  конденсатор  31.  Локальный  регулятор  110  стабилизирует  значение  расхода  обедненной  кислородом  воздушной  смеси,  поступающей  в  дымогенератор  4,  воздействием  на  исполнительный  механизм  128.  Расход  дымовоздушной  смеси  направляемой  в  коптильную  камеру  25  стабилизируют  с  помощью  локального  регулятора  104,  воздействуя  на  исполнительный  механизм  135,  изменяющий  производительность  насоса,  установленного  в  линии  40  удаления  дымовоздушной  смеси  из  дымогенератора  4,  а  также  путем  воздействия  на  исполнительный  механизм  137.  Одновременно  по  линии  42  в  коэкструдер  26  направляют  смесь  продукта,  расход  которого  стабилизируют  с  помощью  локального  регулятора  124  путем  воздействия  на  исполнительный  механизм  137.  В  коэкструдере  26  контролируются  температура  и  давление  уровень  которых  поддерживается  с  помощью  локального  регулятора  125  путем  воздействия  на  исполнительный  механизм  140.  Остаточное  давление  0,06-0,05  атм  в  коптильной  камере  25  обеспечивается  с  помощью  локального  регулятора  123  воздействуя  на  исполнительный  механизм  144  вакуум-насоса  31.  С  помощью  нагнетающего  шнека  27  исходный  продукт  по  центральному  каналу  подается  в  периферийный  коаксиальный  канал,  в  котором  под  действием  усилия  витков  шнека  27  он  перемещается  к  выходному  кольцевому  отверстию,  образованному  корпусом  экструдера  26  и  вставкой  28  При  поступлении  по  коаксиальному  периферийному  каналу  и  выходе  через  кольцевое  отверстие  в  вакуумное  пространство  коптильной  камеры  25  продукта  из  него  начинает  интенсивно  испаряться  влага,  происходит  быстрое  его  обезвоживание  и  формируется  высокопористая  структура  с  образованием  трубчатого  подсохшего  каркаса.  Одновременно  дым,  находящийся  под  давлением  в  камере  22,  подается  во  внутреннюю  полость  трубчатого  каркаса  продукта,  интенсивно  заполняет  вакууммированные  полости  и  поры  в  продукте,  предназначенном  для  копчения,  тем  самым  достигается  эффект  направленного  движения  дыма,  при  совместном  использовании  электропотенциалов.  При  этом  как  во  внутренней  полости,  так  и  на  поверхности  трубчатого  каркаса  продукта  измеряется  давление  с  помощью  датчиков  64,  65.  Численное  значение  напряжения  подаваемого  на  коронирующие  электроды  23  измеряется  электростатическим  вольтметром  77,  сигнал  с  которого  подаётся  на  локальный  регулятор  119,  вырабатывающий  управляющее  воздействие,  поступающее  на  вход  установки  величины  напряжения  высоковольтного  генератора  24.  Величина  задания  (минимальное  напряжение  на  коронирующих  электродах  23,  способное  обеспечить  качественное  протекание  процесса  электрокопчения)  для  данного  регулятора  формируется  микроконтроллером  103  на  основании  значения,  полученного  от  датчика  плотности  дымовоздушной  среды  59.  В  качестве  косвенного  метода  измерения  концентрации  дымовоздушной  смеси,  подаваемой  в  коптильную  камеру  используется  фотометрический  метод,  который  основан  на  определении  оптической  плотности  дыма,  проходящего  между  источником  и  приёмником  светового  излучения.  Для  обеспечения  надежности  (исключения  загрязнения  коптильными  компонентами)  работы  фотометрического  датчика  в  его  защитный  корпус  предусмотрена  подача  по  трубке  малого  диаметра  чистого  воздуха  с  небольшим  расходом.  При  этом  в  корпусе  создаётся  некоторое  избыточное  давление,  его  величину  можно  регулируют  с  помощью  локального  регулятора  117  путем  воздействия  на  исполнительный  механизм  145.  Выходя  из  отверстия,  сквозь  которое  поступает  свет  от  источника,  воздух  препятствует  проникновению  дыма  внутрь  защитного  корпуса  и  осаждению  коптильных  веществ  на  фокусирующей  линзе.  Таким  образом,  загрязнения  датчика  не  происходит,  а  значит,  отпадает  необходимость  в  его  частой  очистке.

Предварительно  в  микропроцессор  ПМК  103  в  соответствие  с  алгоритмом  (рис.  2)  вводится  определяемое  технологией  пороговое  значение  интегральной  суммы  концентрации  коптильных  компонентов  в  дымовоздушной  смеси. 

В  процессе  копчения  с  помощью  датчика  39,  установленного  в  успокоительной  камере  20,  измеряется  концентрация  коптильных  компонентов  в  дымовоздушной  смеси  и  производится  интегрирование  получаемого  значения:

где:  t_K  —  конечное  время  процесса,  с; 

c(t)   —  функция  концентрации,  мг/м³. 

Принимая  скорость  осаждения  частиц  дыма  на  продукт  постоянной,  момент  окончания  процесса  копчения  определяется  по  достижению  интегралом  заданного  значения.  Система  управления  через  равные  промежутки  времени  опрашивает  датчик  59.  Далее,  с  использованием  численного  метода  трапеций  (рис.  3)  вычисляется  очередное  текущее  значение  интегральной  суммы  S_i  : 

где:  S_i-1  —  предыдущее  значение  интегральной  суммы;  с  _i-1  , 

с_i   —  предыдущее  и  текущее  значения  плотности  дымовоздушной  смеси,  ед.  шкалы  фотометра; 

t₀   —  период  опроса  датчика,  с; 

i   —  номер  очередного  цикла  опроса. 

Сигнал  об  окончании  процесса  копчения  выдаётся  при  равенстве  очередной  интегральной  суммы  некоторому  конкретному  значению,  определяемому  технологией.  Таким  образом,  при  малой  плотности  дыма,  а,  следовательно,  низкой  концентрации  коптильных  компонентов,  для  достижения  интегральной  суммой  заданного  значения  потребуется  большее  время,  и  процесс  копчения  будет  проходить  дольше.  И  наоборот  —  если  плотность  дыма,  а  значит  и  концентрация  коптильных  компонентов  высокая,  то  интегральная  сумма  скорее  станет  равной  требуемой  и  процесс  копчения  закончится  раньше.  Это  позволяет  обеспечить  стабильно  высокое  качество  продукции  (в  первом  случае)  и  повысить  производительность  оборудования  (во  втором  случае).

За  счет  электростатики  коптильные  компоненты  дыма  осаждаются  на  поверхности  пор  продукта,  а  за  счет  вакуума  они  фильтруются  через  продукт,  что  обеспечивает  равномерное  их  распределение  по  толще  продукта  и  интенсивное  копчение.

При  достижении  трубчатого  подсохшего  каркаса  узкой  части  сопла  Лаваля  29окончательно  формируется  высокоразвитая  равномерно  распределенная  пористая  структура.  Сформированный  жгут  продукта,  впитавший  в  себя  аромат  дыма  перемещается  в  делительно-упаковочное  устройство  33,  частоту  вращения  которого  регулируют  с  помощью  локального  регулятора  120,  воздействуя  на  исполнительный  механизм  142  в  зависимости  от  скорости  движения  измеряемой  датчиком  73  продукта  в  виде  полого  жгута.  Готовый  поделенный  на  порции  и  упакованный  продукт  выгружается  из  установки  по  лини  45  с  помощью  локального  регулятора  123  посредством  шлюзового  затвора  воздействием  на  исполнительный  механизм  128.  Отработанный  дым,  прошедший  через  каркас  продукта  отделяется  от  влаги,  удаленной  из  продукта  при  формировании  его  пористой  структуры  с  помощью  конденсатора  31  и  перемещается  через  рециркулирующий  трубопровод  43  в  пассивное  сопло  эжектора  21  для  повторного  его  использования  в  процессе  копчения.

При  достижении  интегральной  суммой  порогового  значения  принимается  решение  об  окончании  процесса  копчения. 

Предлагаемый  способ  автоматического  управления  процессом  электростатического  копчения  продуктов  с  развитой  структурой  в  регулируемой  среде  с  индуктивным  подводом  энергии  при  дымогенерации  имеет  следующие  преимущества:

·     обеспечивает  повышение  производительности  оборудования  благодаря  обеспечению  согласованной  работы  дымогенератора  и  аппарата  для  электростатического  копчения  продуктов  с  развитой  структурой  в  регулируемой  среде  с  индуктивным  подводом  энергии  при  дымогенерации;

·     обеспечивает  снижение  удельных  энергозатрат  за  счет  поддержания  наиболее  рациональных  условий  дымогенерации  с  индуктивным  подводом  энергии  и  использованием  обедненной  кислородом  воздушной  смеси,  а  также  за  счет  точного  регулирования  высокого  напряжения  на  коронирующих  электродах  в  зависимости  от  плотности  дымовоздушной  смеси,  благодаря  введению  оперативной  коррекции  на  случайные  возмущения; 

·     позволяет  получить  готовый  продукт  стабильно  высокого  качества  за  счет  получения  дыма  с  заданными  свойствами  благодаря  контролю  и  регулированию  процесса  дымогенерации  в  среде  инертного  газа  с  индуктивным  подводом  энергии,  а  также  за  счет  влияния  концентрации  компонентов  дыма  на  продолжительность  процесса  копчения.

Рисунок  1.  Схема  способа  автоматического  управления  процессом  электростатического  копчения  продуктов  с  развитой  структурой  в  регулируемой  среде  с  индуктивным  подводом  энергии  при  дымогенерации

Рисунок  2.  алгоритм  определения  момента  окончания  процесса  электрокопчения  по  фотометрическим  показателям  дымовоздушной  смеси

Рисунок  3.  Методика  численного  интегрирования  величины  разности  концентраций