Повышение эффективности тепловой обработки рыбы путём
advertisement
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ На правах рукописи ВОТИНОВ МАКСИМ ВАЛЕРЬЕВИЧ ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ РЫБЫ ПУТЁМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ЕЁ НАГРЕВА И ОБЕЗВОЖИВАНИЯ Специальности 05.18.12 – Процессы и аппараты пищевых производств 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям) Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Научные руководители: Ершов Михаил Александрович кандидат технических наук, Маслов Алексей Алексеевич кандидат технических наук, доцент Заслуженный работник высшей школы Российской Федерации Мурманск – 2015 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОИЗВОДСТВА СУШЕНОЙ РЫБЫ И ПРОБЛЕМ ЕГО АВТОМАТИЗАЦИИ 1.1 Основные сведения о технологическом процессе обезвоживания рыбы 1.1.1 Анализ современного состояния рыбной промышленности в России 1.1.2 Обзор источников литературы 1.1.3 Классификация процессов обезвоживания 1.1.4 Основные закономерности процесса обезвоживания 1.2 Направления совершенствования процесса тепловой обработки и обезвоживания рыбы 1.3 Инфракрасное излучение 1.4 Сушильные установки. Сравнение существующих систем управления процессом обезвоживания рыбы 1.5 Технология научного исследования по теме диссертации 1.6 Выводы по первой главе ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАЛОГАБАРИТНОЙ СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ 2.1 Технико-технологические особенности малогабаритной сушильной установки 2.2 Выбор аппаратного обеспечения для проведения экспериментов 2.2.1 Датчики и исполнительные механизмы 2.2.2 Исследование инфракрасных датчиков температуры. Обоснование способа измерения температуры поверхности рыбы, подверженной обезвоживанию 2.2.3 Разработка устройства для непрерывного бесконтактного измерения температуры 2.2.4 Выбор средств автоматики 2.2.5 Исследование спектра излучения кварцевых, галогенных ламп КГТ 220-1000-1 2.3 Выбор программного обеспечения для проведения экспериментов 2.4 Математическое описание изменения температуры в термокамере малогабаритной сушильной установки 2.5 Исследование распределения температурных полей в работающей малогабаритной сушильной установке. Определение эффективной температуры 2.6 Выводы по второй главе 5 14 14 14 19 21 26 30 37 40 49 53 54 55 60 60 66 72 76 76 82 84 91 96 3 ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ РЫБЫ 3.1 Исследование влияния режимов обезвоживания рыбы на энергоэффективность и интенсификацию процессов в пищевой рыбной промышленности 3.2 Разработка режимов циркуляции воздушных потоков в сушильной камере - «Heating unit boost» 3.3 Исследование закономерностей изменения температуры в центре и на поверхности рыбы при различных способах обезвоживания рыбы 3.4 Разработка стадийного метода комбинированного нагрева и обезвоживания рыбы с бесконтактным измерением температуры её поверхности 3.4.1 Исследование влияния конвективного и радиационного способа обезвоживания на внутренний прогрев рыбы 3.4.2 Стадийный метод комбинированного нагрева и обезвоживания рыбы с бесконтактным измерением температуры её поверхности при использовании конвективной и радиационной составляющих нагрева 3.5 Исследование влияния инфракрасного излучения на нагрев внутренних слоёв рыбы 3.6 Выводы по третьей главе ГЛАВА 4 ПОСТРОЕНИЕ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ И ОБЕЗВОЖИВАНИЯ РЫБЫ 4.1 Практическая реализация программно-аппаратного комплекса 4.2 Аппаратная часть программно-аппаратного комплекса автоматического управления технологическим процессом тепловой обработки и обезвоживания рыбы 4.3 Программная часть программно-аппаратного комплекса автоматического управления технологическим процессом тепловой обработки и обезвоживания рыбы 4.3.1 Системные требования и информационная безопасность программно-аппаратного комплекса 4.3.2 Программное обеспечение «Система автоматического управления малогабаритной сушильной установкой» 4.3.3 Прикладные программные средства программноаппаратного комплекса гибкого автоматического управления процессами тепловой обработки и обезвоживания рыбы 98 103 107 119 121 121 125 130 136 138 138 139 144 146 149 159 4 4.4 Разработка программных алгоритмов для моделирования и оптимизации цифровых пропорционально – интегрально – дифференциальных регуляторов программно-аппаратного комплекса 4.5 Компьютерный метод исследования процессов тепловой обработки рыбы при обезвоживании 4.6 Выводы по четвертой главе ГЛАВА 5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ МАЛОГАБАРИТНОЙ СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ 5.1 Экономическое обоснование проекта автоматизации технологического процесса обезвоживания рыбы 5.2 Расчёт капитальных вложений (инвестиций) (КВ) 5.3 Расчёт текущих затрат 5.4 Расчёт плановых доходов от реализации продукции 5.5 Расчёт сводных показателей экономической эффективности 5.6 Экономическая эффективность 5.7 Расчёт критического объёма производства и реализации продукции 5.8 Выводы по пятой главе ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЕ А ПРИЛОЖЕНИЕ Б ПРИЛОЖЕНИЕ В ПРИЛОЖЕНИЕ Г ПРИЛОЖЕНИЕ Д ПРИЛОЖЕНИЕ Е ПРИЛОЖЕНИЕ Ж ПРИЛОЖЕНИЕ З ПРИЛОЖЕНИЕ И ПРИЛОЖЕНИЕ К ПРИЛОЖЕНИЕ Л ПРИЛОЖЕНИЕ М ПРИЛОЖЕНИЕ Н ПРИЛОЖЕНИЕ О ПРИЛОЖЕНИЕ П 175 181 187 189 189 190 192 201 202 203 208 211 212 214 232 235 236 238 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 5 ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследования Для Мурманского региона ведущей отраслью всегда была и остаётся рыбная промышленность. По данным Росстата, объем производства рыбной продукции в России в 2014 году составил 3644 тысяч тонн, из них предприятиями Мурманской области произведено 548,9 тысяч тонн. Объем производства рыбы сушёной и вяленой в Мурманской области составил 455,2 тонн. Наблюдается расширение видового состава сырья и ассортимента производимой готовой сушёной и вяленой продукции. Проблемным вопросом остаётся использование для рыбопереработки традиционного, но морально устаревшего оборудования, которое на сегодняшний день экономически неэффективно и отличается повышенным энергопотреблением. По данным Министерства энергетики Российской Федерации, энергоёмкость российской экономики существенно превышает в расчёте по паритету покупательной способности аналогичный показатель в США, Японии и развитых странах Европейского Союза. Высокий уровень энергоёмкости производства является актуальной конкурентоспособность стратегических задач проблемой, отечественной страны, существенно экономики. которую поставил Одной ограничивающей из важнейших президент Российской Федерации, является сокращение к 2020 году энергоёмкости отечественной экономики на 40 %. Энергоэффективность в промышленности поможет не только уменьшить издержки на производство готовой продукции, снизить себестоимость готовой продукции, но и увеличить доходы предприятия. Тепловая обработка составляет основу многих технологических процессов. Одними из основных процессов обработки сырья в пищевой, рыбной промышленности являются тепловые процессы, связанные с обезвоживанием сырья (сушка, вяление, горячее копчение), которые по своей структуре очень энергоёмки и сложны. Выбранный температурный режим и способ подвода тепловой энергии оказывают непосредственное влияние на весь технологический процесс: продолжительность тепловой обработки, объёмы готовой продукции и 6 сроки её хранения. Потребительские свойства готового продукта также зависят от температурного режима обработки сырья. Актуальной задачей для рыбной отрасли является экономия энергоресурсов и повышение конкурентоспособности производителей за счёт выбора рациональных режимов тепловой обработки и обезвоживания (сушка, вяление) рыбы. Поэтому, стремясь оптимизировать технологические характеристики данных процессов (например, минимизировать время процесса, снизить затраты энергоресурсов), необходимо, прежде всего, найти и обосновать наилучшие способы тепловой обработки материала. Вместе с тем, в любом обществе, на протяжении всей истории государство использовало информацию для достижения определённых целей и осуществления своих функций и полномочий. В XXI веке информация становится одним из определяющих факторов развития, а создание информационного общества – важнейшей мировой тенденцией. Согласно Стратегии развития информационного общества в Российской Федерации от 7 февраля 2008 года № Пр-212, утверждённой Президентом Российской Федерации В.В. Путиным [119], такое общество должно характеризоваться высоким уровнем технологий и их развития информационных интенсивным и использованием телекоммуникационных гражданами, органами государственной власти и бизнесом. Современные тенденции к информатизации общества требуют новых решений и возможностей от автоматических систем управления технологическими процессами в области мобильности и удалённого контроля. На современном этапе развития рыбоперерабатывающей отрасли актуальна разработка компактного, простого в эксплуатации программно-аппаратного комплекса, оснащённого гибкой системой автоматического управления технологическим процессом, современной с точки зрения используемых телекоммуникационных функций и информационных технологий, и функционирующего по обоснованным оптимальным параметрам и алгоритмам. Это позволит увеличить энергоэффективность технологических процессов 7 тепловой обработки рыбы. Функционирование комплекса в качестве гибкой системы даст возможность в минимальные сроки менять параметры технологического процесса, использовать энергоэффективные способы обработки сырья, быстро адаптироваться к выпуску новой продукции. Цель и задачи исследования Целью настоящей работы является разработка и научное обоснование метода тепловой обработки рыбы, позволяющего снизить энергопотребление по сравнению с традиционными методами (конвективным, инфракрасным) за счёт применения программно-аппаратного комплекса гибкого автоматического управления технологическим процессом и использования средств телематики. Для достижения поставленной цели в работе ставились и решались следующие научно-технические задачи: 1. Разработка принципов повышения эффективности процесса тепловой обработки рыбы, позволяющих снизить энергопотребление при нагреве и обезвоживании рыбы по сравнению с традиционными методами. 2. Определение способа измерения температуры поверхности рыбы, подверженной обезвоживанию в термокамерах сушильных установок, на основе инфракрасных датчиков температуры. 3. Построение математической модели изменения температуры в термокамере малогабаритной сушильной установки, а также математической модели изменения внутренней температуры и температуры поверхности рыбы при различных методах тепловой обработки. 4. Разработка и научное обоснование программно-аппаратного комплекса с элементами удалённого доступа и контроля. 5. Разработка и реализация оптимальных алгоритмов программно- аппаратного комплекса, в том числе оптимизации цифровых регуляторов системы. Объектом исследования в работе является технологический процесс нагрева и обезвоживания рыбы. 8 Предметом исследования является рыбное сырье - традиционные объекты промысла северного бассейна (мойва, сайда, путассу, сельдь, треска, окунь морской). Исследование выполнено в соответствии с паспортами специальностей ВАК 05.18.12 «Процессы и аппараты пищевых производств» и 05.13.06 «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)». Научная новизна диссертационного исследования - разработаны принципы повышения эффективности процесса тепловой обработки рыбы, позволяющие достичь уменьшения энергозатрат на технологический процесс обезвоживания по сравнению с традиционными методами; предложен температуры способ поверхности рыбы непрерывного в бесконтактного термокамерах сушильных измерения установок посредством применения разработанного устройства на основе инфракрасных датчиков температуры; - теоретически обоснован стадийный метод комбинированного нагрева рыбы с бесконтактным измерением температуры ее поверхности при использовании конвективной и радиационной составляющих тепловой обработки, обеспеченных трубчатым электронагревателем и инфракрасными лампами; - экспериментально доказана эффективность разработанного стадийного метода комбинированного нагрева и обезвоживания рыбы; - разработан автоматического программно-аппаратный управления процессами тепловой комплекс обработки гибкого рыбы при обезвоживании, реализующий функционирование комбинированного метода нагрева при стадийной работе исполнительных механизмов и обладающий средствами удалённого мобильного доступа и контроля; - предложены математические модели изменения температуры в термокамере малогабаритной сушильной установки, используемые в ходе оптимизации управления температурой; 9 - предложена методика расчёта переходного процесса тепловой обработки рыбы (изменение внутренней температуры, температуры поверхности рыбы, температуры в термокамере) при различных методах нагрева и обезвоживания, основанная на использовании величины её удельной поверхности. Теоретическая и практическая значимость Теоретическая значимость исследования состоит в обосновании принципов повышения эффективности процессов нагрева и обезвоживания рыбы, позволяющих достичь уменьшения энергозатрат на технологический процесс по сравнению с традиционными методами, в разработке способа непрерывного бесконтактного измерения температуры поверхности рыбы в термокамерах сушильных установок посредством применения разработанного устройства на основе инфракрасных датчиков температуры, а также в предложенных математических моделях изменения температуры в термокамере малогабаритной сушильной установки и методике расчёта переходного процесса нагрева рыбы. Практическая значимость диссертации. Разработаны и запатентованы: малогабаритная сушильная установка (патент РФ на полезную модель № 117266 от 27.06.2012, патент РФ на полезную модель № 135234 от 10.12.2013); устройство для непрерывного бесконтактного измерения температуры (патент РФ на полезную модель № 109559 от 20.10.2011, патент РФ на полезную модель № 148991 от 20.12.2014). Разработан программно-аппаратный комплекс гибкого автоматического управления процессами тепловой обработки сырья в малогабаритной сушильной установке (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012611844 от 17.02.2012). Разработано программное обеспечение PID Optimize Viewer, а также методика оптимизации цифровых регуляторов (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011615754 от 21.10.2011). Предложено телекоммуникационное обеспечение малогабаритной сушильной установки с использованием сетевых технологий и средств 10 мобильной связи, способствующее всеобъемлющему контролю над ходом технологического процесса. Проведено исследование работоспособности и эффективности программноаппаратного комплекса гибкого автоматического управления процессами нагрева рыбы, подтверждающее, что разработанный комплекс позволяет добиться повышения эффективности технологического процесса (снижения затрат электроэнергии, сокращении длительности процесса) при сохранении высокого качества продукции. Разработанные малогабаритная сушильная установка, программно- аппаратный комплекс могут быть использованы в рыбной промышленности, а также в научно-исследовательских работах, направленных на изучение технологических процессов пищевой промышленности. Методология и методы исследования В качестве методов научного познания в работе использовались методы эмпирического исследования, для которых характерна постановка экспериментов, наблюдения и сравнения технологических процессов, проведение измерений основных технологических параметров. Вся собранная в результате проведённых экспериментов агрегированная информация подвергалась таким теоретическим методам исследования, как анализ и синтез. В работе также используются методы теории автоматического управления. Большое внимание в работе уделено методам моделирования технологического процесса тепловой обработки рыбы как одним из прогрессивных в настоящее время методов научного познания и анализа. Внедрение Результаты диссертационной работы в виде программно-аппаратного комплекса гибкого автоматического управления процессами тепловой обработки сырья для малогабаритной сушильной установки внедрены в производство ООО «Интро» (г. Мурманск, ул. Спортивная, 13) с целью изготовления опытных партий готовой продукции, приложение Г. 11 Разработанная малогабаритная сушильная установка внедрена в учебноэкспериментальный цех ФГБОУ ВПО «Мурманский технический университет», а также используется в подготовке студентов по специальности государственный учебном процессе при 220700.62 «Автоматизация технологических процессов и производств» (выполнение лабораторных работ по дисциплине «Технология пищевых производств»), приложения А, В. К защите предлагаются следующие научные положения, составляющие стратегическую идею диссертации. 1. Энергоэффективный стадийный метод комбинированной тепловой обработки рыбы с бесконтактным измерением температуры её поверхности при использовании конвективной и радиационной составляющих нагрева и обезвоживания, обеспеченных трубчатым электронагревателем и инфракрасными лампами, позволяющий снизить затраты на производство готовой продукции. 2. Способ непрерывного бесконтактного измерения температуры поверхности рыбы в термокамерах сушильных установок, основанный на применении разработанного устройства с использованием инфракрасных датчиков температуры. 3. Математическая модель формирования температуры в термокамере при тепловой обработке рыбы, учитывающая работу исполнительных механизмов (трубчатого электронагревателя и инфракрасных ламп). 4. Математическая модель изменения температуры рыбы при тепловой обработке, основанная на расчётах температуры на поверхности и в толще полуфабриката, в зависимости от величины его удельной поверхности. 5. Телекоммуникационные средства обеспечения технологического процесса, позволяющие снизить затраты на производство готовой продукции в результате применения мобильного удалённого контроля и управления технологическим процессом. Степень достоверности и апробация результатов Основные результаты диссертации были представлены на международных научно-технических конференциях «Наука и образование» (Мурманск, 2012 г., 12 2013 г., 2014 г., 2015 г.); Международном круглом столе «Перспективы сотрудничества в области технологического инжиниринга» (Мурманск, 2015 г.); VII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, посвящённой 50-летию первого полёта человека в космос (Красноярск, 2011 г.); V Всероссийской научно-практической конференции «Наука, образование, инновации: пути развития» (Петропавловск-Камчатский, 2014 г.); V Всероссийской научно-практической конференции «Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование» (Петропавловск-Камчатский, 2014 г.). Работа стала лауреатом ежегодного конкурса научных работ молодых учёных и специалистов Мурманской области, учреждённого правительством Мурманской области, приложение Д, (Мурманск, 2011 г.), а также лауреатом всероссийского конкурса «Лучшая научная статья» (Киров, 2013 г.). Результаты диссертации отражены в рецензируемых печатных изданиях: Вестник Новосибирского государственного университета (Новосибирск, 2011 г., 2012 г.); журнал «Рыбное хозяйство» (Москва, 2012 г., 2013 г.); Вестник Мурманского государственного технического университета (Мурманск, 2013 г.); журнал «Датчики и системы» (Москва, 2013 г.). Результаты исследований были опубликованы в зарубежных научных изданиях: журнал «Труды университета» (Казахстан, Караганда, 2013 г.); журнал «Приборы и методы измерений» (Беларусь, Минск, 2014 г.). Экспериментальная часть работы выполнена в Мурманском государственном техническом университете в рамках научно-исследовательской работы по госбюджетной теме «Комплексная модернизация систем контроля и управления процессами стерилизации и копчения» (ГР № 01200900799). Диссертация обсуждена на заседании кафедры автоматики и вычислительной техники ФГБОУ университет». ВПО «Мурманский государственный технический 13 Публикации По теме диссертации опубликовано 35 печатных работ (из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ – 6, в зарубежных источниках - 2). Получено 18 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ и 4 патента на полезную модель. Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 231 странице, содержит 44 таблицы, 76 рисунков и 15 приложений. Список литературы включает 141 наименование. 14 Глава 1 Аналитическое исследование современного состояния производства сушёной рыбы и проблем его автоматизации 1.1 Основные сведения о технологическом процессе обезвоживания рыбы 1.1.1 Анализ современного состояния рыбной промышленности в России Рыбное хозяйство в Российской Федерации является комплексным сектором экономики, включающим широкий спектр видов деятельности - от прогнозирования сырьевой базы отрасли до организации торговли рыбной продукцией в стране и за рубежом. Оценка современного состояния рыбного хозяйства и его роли в экономике России, представлена в стратегии развития рыбохозяйственного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года. Так, ежегодный доход от мирового рыболовства составляет порядка 80 млрд долларов США, в мире насчитывается примерно 3,5 млн рыболовных судов общим тоннажем 13 - 14 млн тонн. До 75 % всего мирового улова водных биоресурсов предназначается для питания населения, остальная часть перерабатывается в непищевую продукцию [80, с. 5]. По данным Федеральной службы государственной статистики Российской Федерации (Росстат) в рыбохозяйственном комплексе России занято более 8,5 тыс. организаций различных форм собственности [92]. Сальдированный финансовый результат по виду экономической деятельности «Рыболовство» в 2014 году составил 11166 млн руб. [93, с. 292]. Рыбные продукты занимают ведущее место в обеспечении сбалансированности питания населения и не имеют на современном этапе альтернативной замены [80, с. 6]. По данным Росстата объемы производства непищевой рыбной продукции в Российской Федерации в последнее десятилетие снизились более чем в 2 раза с 243519 тонн в 1997 году до 88351,84 тонн в 2009 году (рисунок 1.1) [94]. 15 В Мурманской области снижение объёмов производства непищевой рыбной продукции произошло с 15425,7 тонн в 1998 году до 7510,84 тонн в 2009 году [76]. непищевая рыбопродукция, т Мурманская область непищевая рыбопродукция, т Российская Федерация тонн 300 000. 250 000. 200 000. 150 000. 100 000. 50 000. 0. 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 год Рисунок 1.1 - Объёмы производства непищевой рыбной продукции На фоне резкого спада объёмов производства непищевой рыбной продукции выделяется рост объёмов производства товарной пищевой рыбной продукции, включая консервы рыбные, рисунок 1.2. Так, с 1997 года, объёмы производства товарной пищевой рыбной продукции, включая консервы рыбные, в Российской Федерации выросли с 2429198 до 3895091,06 тонн, а в Мурманской области с 226875,26 до 544835,27 тонн. тонн 4 500 000. 4 000 000. 3 500 000. 3 000 000. 2 500 000. 2 000 000. 1 500 000. 1 000 000. 500 000. 0. пищевая рыбопродукция,включая консервы рыбные, т Мурманская область пищевая рыбопродукция,включая консервы рыбные, т Российская Федерация 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 год Рисунок 1.2 - Объёмы производства товарной пищевой рыбной продукции, включая консервы рыбные 16 По данным Федерального агентства по рыболовству уровень продовольственной безопасности в Российской Федерации в части потребления рыбных продуктов в настоящее время оценивается следующими параметрами: фактическое годовое среднедушевое потребление рыбных товаров составляет 12,8 кг, доля импорта рыбных продуктов составляет почти 40 %. При этом среднедушевое потребление рыбных продуктов ведущих мировых рыболовных держав характеризуется следующими показателями: США - 22,6 кг, Китай 25,7 кг, Норвегия - 47,4 кг, Япония - 64,7 кг [80]. Одним из направлений пищевой рыбной продукции являются процессы обезвоживания гидробионтов, среди которых не маловажное значение в развитии рыбного производства отводится производству сушёной и вяленой рыбы [30]. Стратегия развития рыбохозяйственного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года прогнозирует рост объёмов производства сушено-вяленых рыбных товаров в 2020 году по сравнению с 2007 годом в 5 раз. По данным Росстата в 2013 году объем производства рыбы сушёной и вяленой в Российской Федерации составил 17.7 тысяч тонн (рисунок 1.3). тонн 25 000 20 000 15 000 10 000 5 000 0 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013год Рисунок 1.3 – Производство рыбы сушёной и вяленой в Российской Федерации Рисунок 1.4 – Объёмы производства рыбы сушёной по субъектам Российской Федерации (тонн) 17 18 тонн 900. 800. 700. 600. 500. 400. 300. 200. 100. 0. 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 год Рисунок 1.5 – Производство рыбы сушёной и вяленой в Мурманской области На рисунке 1.4 представлено распределение по объёмам производства рыбы сушёной по субъектам Российской Федерации. Среди субъектов Российской Федерации занятых в добыче и переработке рыбных ресурсов одно из лидирующих мест занимает Мурманская область. График распределения роста объёмов производства рыбы сушёной и вяленой в Мурманской области представлен на рисунке 1.5. По данным Росстата, по итогам 2014 года объем производства рыбы сушёной и вяленой составил 455.2 тонн. Таким образом, современное состояние рыбной промышленности, как России, так и в Мурманской области в частности, характеризуется переходом от производства непищевой рыбной продукции к производству товарной пищевой рыбной продукции. Пищевая рыбная продукция является перспективной в развитии рыбной промышленности, прогнозируются существенные темпы роста к 2020 году сушено-вяленых рыбных товаров. Вместе с тем, по данным Федерального агентства по рыболовству, рыбоперерабатывающая отрасль морально несовершенна, Материально- техническая база основывается на резервах, заложенных ещё в 70–80-е годы 19 прошлого века [80]. Использование устаревшего оборудования в свою очередь привод к высоким энергозатратам и, как следствие, к высокой себестоимости готовой продукции. Поэтому разработка современных сушильных установок, оснащёнными современными актуальной системами задачей. автоматического Современное управления, оборудование, является датчики и весьма системы, способствуют повышению энергоэффективности технологических процессов в рыбной промышленности, снижению затрат на производство, что в свою очередь делает готовую продукцию более доступной для потребителя. 1.1.2 Обзор источников литературы Пессимистичный отчёт, сделанный Федеральным агентством по рыболовству в стратегии развития рыбохозяйственного комплекса Российской Федерации, в плане несовершенной и устаревшей материально-технической базы рыбной промышленности отчасти подтверждается тем, что пик развития и модернизации рыбной промышленности в Советском Союзе приходится на 60-80 годы прошлого столетия. Большое количество источников литературы как раз отсылает именно и к этому промежутку времени. Именно в это время можно выделить основополагающие работы Воскресенского Н.А., Лыкова А.В., Никитина Б.П. В этих работах описываются основные принципы обработки гидробионтов, в частности уделено большое внимание конвективному обезвоживанию. Существенный вклад в развитие радиационного обезвоживания в целом по пищевой промышленности внесли Гинзбург А.С., Крискунов Л.З., Борисов Ю., Брамсон М. А., Левитин И.Б., Удальцова М.Н. В настоящее время, на современном этапе развития, исследования в области рыбных технологий носят территориально-прикладной характер. Исследования ведутся в регионах, для которых рыбная промышленность является традиционной. Как было показано на рисунке 1.4, основными рыбными 20 регионами Российской Федерации являются Дальневосточный федеральный округ, в котором можно выделить Приморский край, Хабаровский край и Сахалинская область, и Северо-Западный федеральный округ – Мурманская область, Республика Карелия, Архангельская область и Калининградская область. Значительные работы последнего десятилетия в области технологии рыбной обработки, включая сушку и вяление, товароведения, проделаны Ершовым А.М., Артюховой С.А, Касьяновым Г.И., Ивановой Е.Е., Одинцовым А.Б., Коробейником А.В., Слуцкой Т.Н. Труды, описывающие оборудование рыбного производства, принадлежат Чагину О.В., Ершову А.М., Панфилову В.А.. В области радиационной (инфракрасной) сушки известны труды Погорелова М.С., Проничева С.А., Григорьева И. В. Демидова А. С., однако все они описываю сушку семян, плодов и ягод, овощей, макаронных изделий, не затрагивая вопросы сушки рыбы. В рыбной промышленности инфракрасное излучение получило развитие в области дымообразования, известны труды Шокиной Ю.В., Ершова А.М., Коробицина А.А.. Однако теме радиационного (инфракрасного) обезвоживания гидробионтов в современном научном мире уделено незначительное внимание. В зарубежной практике вопросам, связанным с пищевыми технологиями, обработкой гидробионтов, особое внимание уделяется в ряде международных научных изданий: «Журнал пищевых технологий» (Journal of Food Engineering), являющийся официальным научным журналом Международного общества пищевых технологий (International Society of Food Engineering); «Обработка продовольствия и биопродуктов» (Food and Bioproducts Processing), являющийся официальным журналом Европейской Федерации химических технологий (European Federation of Chemical Engineering); Международный журнал «Пищевая микробиология» (Food Microbiology); Международный журнал «Пищевая химия» (Food Chemistry); Статьи, опубликованные в данных журналах показывает широкую географию учёных и исследователей, занимающихся сушкой гидробионтов. 21 Примечательны труды S. Bellagha (Национальный институт агрономики Туниса), O.P. Sobukola (Университет агрокультуры, Нигерия), Nadia Djendoubi (Национальная школа инженеров, Тунис), Nourhène Boudhrioua (Промышленная пишевая инженерия, Франция). Из опубликованных иностранных учебных пособий можно выделить работы M. Shafiur Rahman (Drying of Fish and Seafood ,США) и Ásbjörn Jónsson (Dried fish as health food, Исландия). Область исследования вышеназванных авторов хоть и посвящена технологии обработки рыбы, но не затрагивает исследований в области радиационной (инфракрасной) сушки рыбы. Поэтому исследования в области радиационного (инфракрасного) обезвоживания рыбы актуальны, как и актуальны вопросы поиска рациональных комбинированных методов их тепловой обработки. 1.1.3 Классификация процессов обезвоживания Процессы обезвоживания, сушки, то есть процессы удаления влаги из продукта, имеют большое значение в различных отраслях пищевой промышленности и неразрывно связаны друг с другом. По мнению доктора технических наук Слуцкой Т.И., доктора технических наук Мезенова О.Я., доктора технических наук Ким Э.Н., под сушкой понимается процесс удаления из материалов любой жидкости, в результате чего увеличивается относительное содержание сухой части. При этом, в процессе сушки пищевых продуктов, удаляется главным образом вода, поэтому под сушкой понимают процесс обезвоживания материалов [123, с. 203]. Удаление влаги в пищевой промышленности осуществляется преимущественно с помощью процессов сушки. Так, в свекольно сахарном производстве сушке подвергаются сахар-песок, сахар-рафинад, а также отходы производства – жом. В спиртовом производстве высушиваются отходы производства: барда, пищевые и кормовые дрожжи. Большую роль играет сушка в 22 пивоваренном производстве, где сушке подвергается солод, а также отходы производства. В крахмало-паточном производстве высушивают крахмал и отходы производства. Сушка (выпаривание) используется также при получении сгущённого молока, сухих фруктов и овощей. Хлеб сушат для получения сухарей. В ряде производств сушка является заключительным этапом, определяющим качество готового продукта, как например, при производстве макарон, пастилы, сухих фруктов и гидробионтов [127]. Учёные сходятся во мнении, что обезвоживание рыбных продуктов является древнейшим способом консервирования, использующимся со времен развития цивилизации и дающим возможность сохранять их продолжительное время [65, с. 152], [4, с. 146] , [116, с. 3]. Известно, что история сушки рыбы насчитывает целое тысячелетие. Начали сушить рыбу скандинавские народы, которые в силу своей воинственности отличались неприхотливостью в еде и сушили рыбу впрок. От скандинавов обычай сушить свежую рыбу заимствовали итальянцы, испанцы и португальцы [120]. На протяжении веков сушёная рыба была одним из основных продуктов питания исландцев. До сегодняшних дней сохранилось мало информации о способах её обработки, но сам процесс сушки очень часто упоминается в исландских сказках [132]. Как известно, в России сушить рыбу первыми стали новгородцы в XIIIXIV вв. На этот период приходится бурное развитие торговли с соседними городами и государствами. Для длительных перевозок наиболее подходила рыба, прошедшая тепловую обработку. В источниках говорится о бочках, корзинах, «лыках» и просто «тысячах» ершей, остреца (мелкого окуня), «курвы» (корюшки), «репуксы» (ряпушки), из которых делали «сущь», т.е. сушили. О крупных масштабах заготовки впрок, в том числе способом высушивания, свидетельствуют целые избы для сушки и копчения рыбы, ранее найденные археологами в культурных слоях древнего Новгорода [120, с. 9]. 23 Таким образом, в историческом аспекте, под сушкой подразумевают обработку рыбных и мясных продуктов, с целью их обезвоживания для повышения стойкости в процессе длительного хранения. Сушка рыбы способствует предотвращению роста микроорганизмов, бактерий и химических реакций, вызывающих ухудшение состояния тканей и порчу продукта [134]. Группой учёных, во главе с Касьяновым Г.И., Ивановой Е.Е., Одинцовым А.Б. и другими, было отмечено, что в большинстве случаев обезвоживание применяют не только для консервирования рыбы, но и для получения продукта с определёнными пищевыми и вкусовыми достоинствами, поэтому высушивание не следует рассматривать только как механическое удаление влаги из рыбы. В ходе его улучшается вкус, консистенция и внешний вид продуктов [122, с. 224], [134]. Многочисленные исследования, проводимые американскими учёными, показали, что рыба и рыбные продукты являются источником здоровья. Содержание белка в рыбе, например в треске, составляет 16-20 % от общего веса, но в сушёной треске содержание белка составляет около 75-80 %. Исследования показали, что Омега-3 жирные кислоты, белки, пептиды, которыми богата рыбная продукция, благоприятно сказывается на организме, снижается риск возникновения инсульта [132]. В различных источниках информации систематизированы виды сушки по различным критериям. Обобщённая классификация процессов сушки рыбы представлена в таблице 1.1. Таблица 1.1 – Классификация сушки По степени механизации Естественная Сушёная Холодная Конвективная Искусственная По степени обезвоживая сырья Вяленая Провесная По способу сушки гидробионтов Полугорячая Горячая Сушка методом сублимации По принципу передачи энергии Инфракрасная СВЧ Смешенная 24 Классификация сушки по степени механизации Сушка или вяление рыбы может быть естественным и искусственным. Естественная сушка или вяление, то есть на открытом воздухе, имеет много недостатков. К ним можно отнести отсутствие механизации, зависимость процесса от метеорологических условий, низкую организацию труда, сезонность производства. Использование сушилок позволяет вялить и сушить рыбу в течение всего года, механизировать весь процесс, улучшить условия труда [125, с. 489]. Самый старый и простой способ сушки — это естественная сушка. В настоящее время естественная сушка применяется главным образом для сушки фруктов в регионах с подходящими климатическими условиями. Сырые продукты, разложенные тонким слоем на открытом воздухе, высыхают до состояния равновесной влажности. Безусловно, преимущество этого способа состоит в том, что он не требует капитальных вложений, поскольку использует энергию солнечных лучей. Недостаток его заключается в том, что такая сушка зависит от капризов погоды. В противоположность естественной сушке, искусственную сушку проводят в сушильных установках, которые обычно устанавливают в закрытых помещениях и снабжают необходимыми источниками энергии [87]. Классификация сушки по степени обезвоживания сырья По степени обезвоживания сырья всю продукцию, подвергнутую консервированию обезвоживанием, делят на сушёную, вяленую и провесную. Эта классификация довольно условна. Сушёной называют рыбу с остаточной влажностью от 12 до 20 %, вяленой – рыбу с остаточной влажностью от 35 до 40 %, провесной – продукцию с содержанием влаги от 50 до 66 % [125, с. 487]. Классификация по способу сушки гидробионтов По способу сушки гидробионтов выделяют три основных: холодную сушку, горячую сушку, сушку методом сублимацией. Холодной сушкой называют способ консервирования рыбы путём удаления из неё воды при помощи воздуха, нагретого до температуры не выше 40 ˚С. Характерной особенность холодной сушки рыбы является переход влаги на 25 поверхности рыбы из жидкого состояния в газообразное; внутри рыбы вода движется в жидком состоянии [6, с. 157]. Сушкой методом сублимации называют способ консервирования, при котором сушат рыбу в замороженном состоянии. В результате подводимого тепла лёд переходит в пар, минуя жидкое состояние. Для того, чтобы рыба не оттаяла, её помещают в особые условия – в глубокий вакуум. Сушка продолжается от 10 до 20 часов в зависимости от толщины рыбы и режима сушки [6, с. 165]. Горячей сушкой называют способ консервирования, при котором удаление из рыбы воды осуществляется воздухом температурой выше 100 ℃. Рыба, высушенная таким способом, содержит не более 15 % влаги [6, с. 168]. При горячей сушке протекают следующие физические и химические процессы: удаление (испарение) влаги; гидролиз белка и жира; полное разрушение малостойких органических соединений (витаминов) в результате продолжительного действия горячего воздуха; отделение части влаги и жира из рыбы в виде бульона; окисление непредельных кислот, входящих в состав жира. Учитывая особенности этой технологии, а именно, возможность вытапливания жира и ухудшения вкуса рыбы в результате окисления жира, на горячую сушку направляют сырье с содержанием жира менее 3 % [125, с. 493]. Классификация сушки по принципу передачи теплоты По принципу передачи теплоты процесс сушки можно выделить следующие виды сушки: конвективная, кондуктивная, инфракрасная, свч-сушка, комбинированная: • конвективные (воздушные) сушилки — в них необходимая для сушки тепловая энергия передаётся высушиваемому материалу посредством воздуха и испаренная из материала влага уносится протекающим через сушилку воздушным потоком (примерами промышленных сушилок работающих на основе этого способа являются сушилки СКО - 90, Биндер (ФРГ), Империал SL-2000 (Венгрия), Самум-5 (Венрия) и т.д.; • кондуктивные сушилки, в которых высушиваемый материал соприкасается с нагретой поверхностью и сообщение ему энергии происходит посредством 26 теплопроводности через сплошную среду (различные семейства вальцовых сушилок); • терморадиационные сушилки, в которых передача тепловой энергии материалу происходит посредством термоизлучения. Сюда относятся инфракрасные сушилки; • комбинированные сушилки — передача тепла в них осуществляется с помощью комбинации упомянутых выше видов сушки. Из сушилок этого типа наиболее распространены кондуктивно - терморадиационные сушилки (Суховей-1 и т.д.); • диэлектрические или высокочастотные сушилки — необходимая тепловая энергия преобразуется из электрической энергии внутри самого материала [87]. Таким образом, под сушкой гидробионтов можно понимать процесс удаления влаги из продукта путём обезвоживания. Использование сушки при обработке гидробионтов позволяет получить либо готовый к употреблению продукт с высокими вкусовыми и питательными свойствами, либо полуфабрикат. 1.1.4 Основные закономерности процесса обезвоживания Движение воды из внутренних слоёв к поверхностным слоям называется внутренней диффузией. Скорость внутренней диффузии в рыбе зависит от химического состава, гистологического строения рыбы, градиента влажности, температуры обезвоживания, а проводником воды из внутренних слоёв рыбы к поверхности является рыхлая соединительная ткань [124]. В состав рыбы входят плотные вещества и влага, поэтому следует различать влажность мяса рыбы и влажность всей рыбы. Как показали исследования Коробейника А.В. на примере воблы, рыба целиком в процентном отношении содержит влаги меньше, чем только одно мясо рыбы. Так мясо свежей воблы содержит 77,8 % влаги, а воблы целиком - 71 %, для сушёной воблы 36,4 % и 32 % соответственно [65, с. 175]. 27 На практике, для анализа кинетики сушки принято рассматривать влажность полуфабриката по отношению к массе сухого вещества 𝑊 𝑐 : 𝑊𝑐 = 𝑊0 100−𝑊 0 × 100, где (1.1) 𝑊 0 – влажность рыбы по отношению к общей массе рыбы. Формула для пересчёта влажности на сухое вещество во влажность на общую массу выглядит как: W0 = Wc 100+Wc × 100; (1.2) Типичная кривая процесса сушки гидробионтов представлена на рисунке 1.6. Рисунок 1.6 – Типичная кривая процесса сушки По мнению доктора технических наук Ершова А.М., кривая кинетики сушки характеризуется тремя основными периодами: Ia – период разогрева полуфабриката, продолжительность которого зависит от толщины полуфабриката, а также от режима термической обработки, зачастую периодом разогрева пренебрегают ввиду его малости. I – период, характеризующийся постоянной скоростью обезвоживания полуфабриката. II- период, характеризующийся убыванием скорости сушки. 28 Основной закон диффузии влаги в рыбе выглядит по аналогии с основным законом теплопроводности Фурье, следующим образом: 𝑞𝑚 = −λ𝑚 ∇𝜃𝑚 , (1.3) где 𝑞𝑚 — плотность потока влаги; ∇𝜃𝑚 градиент — пространственную скорость потенциала изменения вещества, потенциала характеризующий по нормали и изопотенциальной поверхности; λ𝑚 — коэффициент влагопроводности. Учитывая, что градиент переноса влаги ∇𝜃𝑚 зависит от градиента влагосодержания ∇𝑈, плотность потока влаги будет иметь вид: 𝑞𝑚 = − λ𝑚 𝐶𝑚 ×𝜌0 × 𝜌0 × ∇𝑈 = −𝑎𝑚 × 𝜌0 × ∇𝑈, где: (1.4) 𝐶𝑚 — удельная влагоемкость продукта; 𝜌0 — масса абсолютно сухого продукта в единице объема влажного продукта; 𝑎𝑚 — коэффициент пропорциональности массопереноса, м2/с (называемый коэффициентом диффузии влаги). В тепловых процессах обезвоживания гидробионтов помимо градиента влагосодержания присутствует и градиент температуры, следовательно, влага внутри полуфабриката будет перемещаться под действием данных градиентов. По данным доктора технических наук Ершова А.М., при нагревании продукта воздух в порах расширяется, и упругость водяных паров увеличивается, при расширении воздух проталкивает жидкость к слоям с более низкой температурой. [125, с. 465]. Термический поток влаги (qmθ ) в данном случае можно выразить как: 𝑞𝑚𝜃 = − λ𝑚 𝐶𝑚 ×𝜌0 × 𝛿 × ∇θ = −𝑎𝑚 × 𝛿 × ∇θ, где qmθ — плотность потока термодиффузии влаги, кг/( м2/с ); (1.5) 𝑇 δ — относительный коэффициент термодиффузии δ = 𝑎𝑚 /𝑎𝑚 , где 𝑇 — коэффициент термодиффузии; 𝑎𝑚 ∇θ — градиент температуры. 29 Если интенсивность образования пара в полуфабрикате больше, чем скорость его переноса из зоны испарения через скелет тела наружу, то в соответствии с законом Дарси, внутри создаётся нерелаксируемый градиент общего давления ∇𝑃, образующий дополнительный потом переноса влаги: 𝑞𝑚𝑝 = −𝐾𝑝 × ∇𝑃, где (1.6) 𝐾𝑝 — коэффициент молярного переноса влаги. В общем случае уравнение переноса влаги можно записать так: 𝑞𝑚𝑝 = 𝑞𝑚𝑛 + 𝑞𝑚𝜃 + 𝑞𝑚𝑝 = −𝑎𝑚 × 𝜌0 × ∇𝑈 − 𝑎𝑚 × 𝛿 × 𝜌0 × ∇θ − 𝐾𝑝 × ∇𝑃 (1.7) В дифференциальной форме уравнение диффузии влаги будет выглядеть следующим образом: 𝜕𝑈 𝜕𝜏 = 𝑎𝑚 × ∇2 𝑈 + 𝑎𝑚 × 𝛿 × ∇2 𝜃 + где ∇2 = 𝜎2 𝑥 2 + 𝜎2 𝑦 2 + 𝜎2 𝑧2 𝐾𝑝 𝜌0 × ∇2 𝑃, – оператор Лапласа. (1.8) (1.9) Интенсивность испарения влаги q (кг/(м2 ·ч)) с поверхности материала в период постоянной скорости обезвоживания можно выразить уравнением 𝑞 = 𝑎𝑚𝑝 × (𝑃𝑀 − 𝑃𝐻 ) × 102 𝐵 , где (1.10) 𝑎𝑚𝑝 - коэффициент влагообмена при сушке влажного материала, отнесённый к разности парциальных давлений; 𝐵 - барометрическое давление, кПа; 𝑃𝐻 - парциальное давление пара в термокамере, кПа; 𝑃𝑀 - парциальное давление паров жидкости над поверхностью испарения, кПа. Как видно из данного уравнения интенсивность испарения влаги будет равна нулю при Pн=Pм. При таких условиях наступит динамическое равновесное состояние, которое характеризуется равновесной влажностью Wр. 30 1.2 Направления совершенствования процесса тепловой обработки и обезвоживания рыбы Процесс обезвоживания рыбы является одним из основных процессов тепловой обработки сырья в рыбной промышленности. В настоящее время основными направлениями совершенствования процесса обезвоживания рыбы можно считать: − интенсификацию процесса обезвоживания рыбы; − снижение энергоёмкости процесса обезвоживания рыбы; − выбор рациональных режимов тепловой обработки рыбы. Интенсификация процесса обезвоживания рыбы Большое значение интенсификации процесса обезвоживания уделял советский физик А. В. Лыков, согласно ему, влажные материалы в зависимости от их основных коллоидно-физических свойств можно разделить на три вида: − коллоидные; − капиллярно-пористые; − коллоидные капиллярно-пористые [71, с. 7]. Рыбная продукция относится к виду коллоидных капиллярно-пористых тел, стенки которых эластичны, поглощение влаги такими телами приводит к их видоизменению. Лыков А.В. считает, что должно уделяться большое значение правильному использованию законов переноса тепла и влаги, так как градиенты температуры и влагосодержания при определённых сонаправленными, либо иметь режимах сушки противоположное могут направление. быть В либо случае сонаправленного положения градиентов интенсивность испарения влаги будет высокой, в противном случае возможно перемещение влаги к центральным слоям рыбы. Профессор университета им. султана Кабуса (Оман) Mohammad Shafiur Rahman среди факторов, влияющих на скорость обезвоживания, выделяет: 31 температуру, влажность, скорость движения воздушного потока, воздухообмен [134]. Основными путями интенсификации процессов сушки, по мнению Лыкова А.В., являются: − увеличение коэффициента теплообмена за счёт увеличения скорости движения теплового агента; − увеличение температурного режима сушки [71, с. 221]. Однако эксперименты, проводимые национальной школой инженеров Туниса, показали оптимальную скорость воздушного потока в 1,5 м/с [133]. В свою очередь, исследования, проводимые доктором технических наук Ершовым А.М. показали, что при сушке рыбы скорость движения сушильного агента выше 2 м/с не оказывает влияния на интенсивность процесса обезвоживания, в то время как с повышением температуры и влажности его интенсивность обезвоживания возрастает. Наличие максимума интенсивности массопереноса при скорости 2 м/с указывает на то, что процессы испарения влаги с поверхности рыбы протекают с большей скоростью, чем перенос влаги внутри продукта. Поэтому для ускорения процессов в первую очередь необходимо интенсифицировать внутренний массоперенос [125]. Необходимо учитывать, что увеличение температурного режима обезвоживания может привести к резкому перепаду температур между поверхностью (Tпов) полуфабриката и его центром (Тцентр ): Тпов >> Тцентр За счёт чего на поверхности полуфабриката сформируется уплотнённый слой в виде вторичной оболочки. Такое «спекание» полуфабриката будет препятствовать внутренней диффузии влаги. Однако, увеличение температурного режима, как основного направления интенсификации процесса обезвоживания, будет ограничено применяемым видом сушки (холодная, полугорячая, горячая), Виды суши характеризуются различными диапазонами температур, которые необходимо выдерживать. По 32 нашему мнению, наиболее рациональным путём интенсификации процесса обезвоживания будет определение такого режима передачи энергии, при котором сам процесс будет оптимален по критерию интенсификации. Снижение энергоёмкости процесса обезвоживания рыбы По данным Министерства энергетики Российской Федерации энергоемкость российской экономики существенно превышает в расчёте по паритету покупательной способности аналогичный показатель в США, в Японии и развитых странах Европейского Союза [129]. Высокий уровень энергоемкости производства является актуальной проблемой, существенно ограничивающей конкурентоспособность отечественной экономики. Одной из важнейших стратегических задач страны, которую поставил президент Российской Федерации, является сокращение к 2020 году энергоёмкости отечественной экономики на 40 % и улучшение энергетической эффективности технологических процессов [64]. В соответствии с Федеральным законом № 261-ФЗ от 23 ноября 2009 года «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», под энергетической эффективностью понимаются характеристики, отражающие отношение полезного эффекта от использования энергетических ресурсов к затратам энергетических ресурсов, произведённым в целях получения такого эффекта, применительно к продукции, технологическому процессу, юридическому лицу, индивидуальному предпринимателю [81]. Снижение энергоёмкости производств возможно за счёт реализации организационных, правовых, технических, технологических, экономических и иных мер, направленных на уменьшение объёма используемых энергетических ресурсов при сохранении соответствующего полезного эффекта от их использования (объем произведённой продукции, выполненных работ, оказанных услуг) [81]. Другими словами, снижение энергоёмкости возможно за счёт мер энергосбережения. 33 По данным Государственной программы Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года» только в сельском и лесном хозяйстве потенциал повышения эффективности потребления энергетических ресурсов составляет 4,15 млн тонн условного топлива [79]. Энергоэффективность в промышленности поможет не только уменьшить издержки на производство готовой продукции, но и увеличить доходы предприятия, а также снизить себестоимость и цену готовой продукции для населения. Поэтому снижение энергоёмкости процесса сушки гидробионтов также является направлений совершенствования процесса сушки. Выбор рациональных режимов тепловой обработки рыбы Выбранный температурный режим, влажность воздуха в термокамере, скорость движения теплового агента оказывают непосредственное влияние на параметры технологического процесса: продолжительность тепловой обработки, объёмы готовой продукции и сроки ее хранения. Потребительские свойства готового продукта также зависят от температурного режима обработки сырья. Выбор рациональных режимов тепловой обработки гидробионтов в условиях экономии энергоресурсов и конкуренции производителей является одним из направлений совершенствования процесса сушки. В процессе обезвоживания полуфабрикат начинает терять массу, когда создаётся положительная разность давлений паров между поверхностью тела и окружающей средой, и разность температур, обеспечивающая подвод теплоты для фазовых переходов. При подводе теплоты полуфабрикат нагревается, парциальное давление паров над его поверхностью повышается. Температура полуфабриката повышается до некоторой величины, зависящей в первую очередь от температуры среды и парциального давления паров. Некоторое время скорость удаления влаги определяется лишь условиями подвода теплоты и отвода паров с пограничного слоя полуфабриката. Условия подвода влаги из глубинных слоёв к поверхности в этот период не влияют на процесс. 34 По мере удаления влаги с поверхности интенсивность сушки будет определяться скоростью подвода влаги к поверхности испарения из низлежащих слоёв. В начале испарение влаги продолжается с поверхности полуфабриката при непрерывном уменьшении скорости процесса и постепенном повышении температуры материала. В дальнейшем, по мере уменьшения интенсивности подвода влаги, зона испарения начинает перемещаться с поверхности вглубь, при этом значительно повышается температура поверхности. В этот период повышать интенсивность подвода теплоты можно только способами, которые исключают повышение температуры и порчу поверхностных слоёв пищевых материалов [71]. Как отмечает в своих работах Лыков А.В., режим сушки не должен быть постоянным на протяжении всего технологического процесса. Переменные режимы возможно осуществлять как за счёт подвода теплового агента с различными температурными параметрами, так и за счёт применения смешенной по принципу передачи энергии сушки. Примером может быть применение конвективно-радиационной сушки с использованием инфракрасного излучения [71, с. 224]. В свою очередь А.М. Ершов также считает, что чередование активного и пассивного периодов сушки и рециркуляция более влажного воздуха положительно влияют на интенсификацию процесса сушки гидробионтов. Коробейкин А.В. отмечает, что уменьшение влаги в поверхностном слое полуфабриката приведёт к перемещению влаги из внутренних слоёв к поверхностным. Учёный отмечает, что обезвоживание полуфабрикатов состоит из таких составляющих как: − передача энергии теплового агента к полуфабрикату; − испарение влаги с поверхности полуфабриката; − перемещение влаги от центральных слоёв к поверхности полуфабриката [65, с. 178]. Следовательно, выбор рационального режима тепловой обработки рыбы должен способствовать протеканию каждой из этих составляющих, так как 35 прекращение действия одной из них приведёт к прекращению процесса сушки гидробионтов в целом. Касьяновым Г.И. было доказано, что при выборе рациональных режимов тепловой обработки рыбы большое значение следует выделить влажности воздуха в сушильной камере. Так, при влажности воздуха более 65 % процесс сушки будет замедляться, при влажности более 80 % рыба вообще начнёт увлажняться, поэтому наиболее оптимальной влажностью при сушке рыбы должна быть влажность в пределах 40-60 % в зависимости от вида сырья [122, с. 227]. Нюансы совершенствования процесса обезвоживания рыбы Большое значение в совершенствовании процесса обезвоживания имеет не только теоретическое знание о законах изменении основных параметрах технологического процесса, законах влаго- и массопереноса, но и применение этих законов на практике. Безусловно, добиться интенсификации процесса сушки рыбы при снижении энергоёмкости возможно только с поиском и выбором рациональных режимов тепловой обработки рыбы. Как показывает анализ накопленного опыта, наиболее перспективным с точки зрения оптимизации, является именно смешенное по типу конвективно-радиационное обезвоживание. Именно рациональное комбинирование конвективного обезвоживания с элементами радиационного должно положительно сказаться на эффективности технологического процесса обезвоживания рыбы. Стоит отметить, обезвоживания что возможно качественное только с совершенствование наличием достоверной, процесса оперативной информации об изменениях, происходящих в рыбе непосредственно в процессе сушки. Это постоянный контроль массы рыбы, внутренней температуры, температуры поверхности рыбы, а также параметров (температуры, относительной влажности, скорости его движения). теплоносителя 36 Если определение первых параметров не вызывает обычно вопросов, то определение температуры Большинство используемых поверхности в рыбы весьма промышленности затруднительно. датчиков температуры представляют собой термопары или термосопротивления, относящиеся к классу контактных датчиков. Определение температуры поверхности ими будет весьма затруднительно с точки зрения позиционирования датчика. Будет отсутствовать должный контакт между поверхностью рыбы и щупом датчика. Вместе с тем, использование контактных датчиков температуры будет сопровождаться постоянным налипанием измеряемого продукта на датчик в зоне измерения, что в свою очередь приводит к ошибкам в измерении, к снижению скорости управления технологическим процессом. Определение температуры поверхности рыбы с использованием эмпирических расчётных методик также сопряжено с риском возникновения ошибок. Однозначное технологического определение процесса температуры целесообразно. поверхности Так как рыбы в ходе неконтролируемое повышение данного параметра, как было описано ранее, может привести к уплотнению поверхностных слоёв рыбы, которое будет препятствовать внутренней диффузии влаги. Ещё одним последствием уплотнения поверхностных слоёв полуфабриката является снижение органолептических характеристик готового продукта. Вместе с тем, некоторые технологические процессы, например подсушка рыбы перед горячим копчением, наоборот предполагают умышленное создание каркаса из уплотнённых поверхностных слоёв. Оперативный контроль температуры поверхности гидробионта в технологических процессах рыбного производства может быть обеспечен применением бесконтактных инфракрасных датчиков. Инфракрасные датчики температуры обычно выполняются в виде переносных пирометров или стационарных конструкций. Сама технология 37 использования бесконтактных датчиков температуры позволяет уйти от погрешностей измерения, связанных с контактными датчиками температуры. Инфракрасные датчики температуры практически безинерционны, так время реакции датчиков немецкой фирмы Optris и российской фирмы Кельвин менее 0,33 секунды, при этом погрешность измерения температуры не превышает 1 % [62], [136]. Контактные же датчики температуры, например, термопреобразователь сопротивления ДТС045 типа ТСП фирмы «ОВЕН», имеют показатели тепловой инерции порядка 15 секунд [121]. Таким образом, рассмотренные направления совершенствования процесса обезвоживания рыбы возможны только с контролем изменений, происходящих в рыбе непосредственно в процессе обезвоживания. Качественно новый подход к определению температуры поверхности рыбы, подверженной процессу обезвоживания и тепловой обработки, с использованием стационарных инфракрасных датчиков температуры, работающих в реальном масштабе времени, позволит неконтактно измерять температуры непосредственно в процессе производства. Оперативный бесконтактный контроль температуры поверхности способствует повышению качества готовой продукции. 1.3 Инфракрасное излучение Основой терморадиационного (инфракрасного) обезвоживания, сушки является передача тепловой энергии полуфабрикату посредством излучения в инфракрасном спектре. Большое распространение получила инфракрасная сушка древесины, лакокрасочных изделий, овощей, плодов и ягод, макарон [118], [46]. Инфракрасное излучение представляет собой излучение, спектр которого приходится на область между видимым светом и радиоволновым излучением, то есть находится в промежутке длин волн от 740 нм до 2 мм. Спектр инфракрасного излучения можно условно разделить на три области: коротковолновую область с длиной волны 740 - 2500 нм, средневолновую область 38 с длиной волны 2500 нм - 50 мкм; и длинноволновую область с длиной волны 50 мкм - 2 мм. Все тела, нагретые до определённой температуры, излучают энергию в инфракрасном спектре. Интенсивность излучения напрямую связана с температурой нагретого объекта. В обычных условиях, при комнатной температуре, тепловое излучение тел происходит в инфракрасном диапазоне длин волн (1 мм - 740 нм), недоступным зрительному восприятию глаза. С увеличением температуры светимость тел быстро возрастает, а длины волн смещаются в более коротковолновую область и тела начинают излучать в видимом диапазоне длин волн (740-380 нм) [31], [138]. Необходимо отметить, электромагнитные излучения могут быть как монохроматическими, то есть излучать на определённой частоте, так и интегральными, то есть представлять обширный спектр излучения [47]. Тепловые источники излучают энергию в широком диапазоне длин волн, поэтому при изучении их спектра возникает задача монохроматизации длин волн, то есть выделения из всего спектра только эффективных длин волн [3]. Спектр интегральных электромагнитных излучений может быть определён с помощью спектрального анализа [138], [2]. При исследовании излучения тел общепринято сравнение с абсолютно черным телом в том же спектральном интервале. Под абсолютно черным телом понимается тело, которое поглощает всю падающую на него лучистую энергию [70]. В соответствии с формулой Планка, интенсивность излучения абсолютно чёрного тела в зависимости от температуры и частоты определяется выражением: (1.11) где I – интенсивность излучения, h — постоянная Планка, k — постоянная Больцмана, c — скорость света в вакууме, Т – температура тела, ν — частота излучения. Формула Планка показывает, что при повышении температуры абсолютно 39 чёрного тела максимум интенсивности излучения сдвигается в сторону более коротких длин волн. В соответствии с законом Стефана — Больцмана интегральная мощность по всему спектру излучения абсолютно чёрного тела, приходящаяся на единицу площади поверхности, прямо пропорциональна четвёртой степени температуры тела: 𝑗 = 𝜎 ∙ 𝑇 4, (1.12) где σ - постоянная Стефана — Больцмана, Т – температура тела. Длина волны, при которой энергия излучения тела максимальна, определяется законом смещения Вина, по формуле: 𝑏 𝜆= , 𝑇 (1.13) где b – постоянная Вина, равная 0,002898 м×К; T –температура. Виды источников инфракрасного излучения, применяемых в промышленности, а также примерные диапазоны их цветовой температуры обобщены в таблице 1.2. Таблица 1.2 – Виды источников инфракрасного излучения Вид источника Способ излучения Температурные источники Излучение в результате нагрева тела Газоразрядные Комбинированное Излучение в результате эффекта люминесценции Тип Примеры лампы накаливания, кварцевые излучатели Цветовая температура 2200 К 2000-3000 К трубчатые электро- До 1000 К нагреватели циркониевая дуговая 4500—5000 К лампа, криптоно4500—5000 К ксеноновая лампа натриевая 2000 К газоразрядная ла́мпа Излучение в результате смешенного излучения первых двух видов 40 Под цветовой температурой объекта понимается аналогичная температура абсолютно чёрного тела, при которой оно испускает излучение того же цветового тона, что и рассматриваемое. У различных источников инфракрасного излучения цветовая температура будет различна. Как видно из таблицы трубчатые электро-нагреватели также являются инфракрасными излучателями, однако энергия их излучения используется не для прямого воздействия на полуфабрикат в процессе сушки рыбы, а для нагрева сушильного агента при конвективном обезвоживании. При радиационном обезвоживании энергия источника излучения напрямую воздействует на полуфабрикат. В пищевой индустрии для обезвоживания полуфабриката предпочтение отдаётся именно температурным источникам энергии. Использование кварцевых излучателей позволяет обеспечить высокую концентрацию лучистого потока на рыбе, подверженной процессу сушке [87], [126]. Исследование режимов комбинирования конвективной составляющей обезвоживания и радиационной, определение их оптимальных комбинаций способствует совершенствованию процессов сушки рыбы. 1.4 Сушильные установки. Сравнение существующих систем управления процессом обезвоживания рыбы ГОСТ 28115-89 «Аппараты и установки сушильные. Классификация» даёт следующие определения сушильного аппарата и сушильной установки [50]: Сушильный аппарат – устройство с ограниченным объёмом, штуцерами для ввода исходного материала и вывода готового продукта, подвода и отвода теплоносителя, обеспечивающее необходимые условия тепло- и массообмена с целью полного или частичного удаления влаги в виде паровой фазы с использованием конвективного, контактного, радиационного и других способов подвода тепла. 41 Сушильная установка – комплекс аппаратов, связанных между собой технологическими осуществлением средствами операций и обеспечивающих подготовки операции теплоносителя, подачи сушки с исходного материала, выгрузки готово продукта, очистки теплоносителя от уносимого продукта, транспортировки паров и газов, системы контроля и управления. В ГОСТ 28115-89 «Аппараты и установки сушильные. Классификация» приводится классификация сушильных аппаратов непосредственно по конструктивным отличиям. Сушильные аппараты делятся на: − полочные (атмосферные, вакуумные); − вальцовые (одновальцовые, двухвальцовые); − конвейерные (ленточные, транспортерные); − с вращающимися барабанами (атмосферные, вакуумные); − роторные (лопастные, трубчатые, дисковые); − распылительные (центробежно-дисковые, форсуночные); − со взвешенным слоем материала (аэрофонтанные, фонтанирующие, шахтные); − пневмопоточные (прямые, с винтовой вставкой, спиральные); − комбинированные. В рыбной промышленности большое распространение получили полочные и конвейерные сушильные аппараты с конвективным, радиационным и высокочастотным способом подвода энергии. В 50-х годах прошлого столетия искусственная сушка рыбы, то есть сушка рыбы в специализированных сушильных аппаратах, в основном осуществлялась в простейших полочных аппаратах. В начале 60-х годов в рыбной промышленности стали появляться камерные и шкафные установки непрерывного действия. Такие установки были мало автоматизированы. Сушка рыба с использованием автоматики получила большое распространение только в 70-х годах прошлого столетия [125]. Это подтверждает мысль о том, что исследования, проводимые с инфракрасной сушкой в более 42 ранние периоды не были энергоэффективности и достаточно оптимальны интенсификации с процесса. точки Только зрения системы автоматического управления, работающие по оптимальным алгоритмам, с использованием современных высокоточных датчиков и исполнительных механизмов способны улучшить процесс сушки гидробионтов. Среди ранних сушильных аппаратов можно выделить такие как: ленточная сушилка СПК-4Г-30, коптильно-сушильная установка Н20-ИХА [122, с. 268], а также печь Батанова, конвейерная сушилка ПКС-20 [6, с. 169]. Дальнейшее развитие техники сушения потребовало разработки новых методов расчёта процесса сушки и, как следствие, соответствующих технических средств. Эти методы и средства базируются на представлении о процессе сушки как сложном комплексе явлений тепломассообмена. Однако, по данным Федерального агентства по рыболовству рыбоперерабатывающая база в настоящее время физически и морально несовершенна, что не позволяет организовать существенное улучшение ассортимента рыбной продукции. Рыбохозяйственный комплекс Российской Федерации в своём развитии практически исчерпал внутренние резервы экономического роста и возможности материально-технической базы, заложенной ещё в 70 - 80-е годы прошлого века [80,10]. Хотя современные технологии и позволяют отойти от полностью ручного труда к автоматизированному, а на смену релейным системам управления приходят гибкие компьютерные и микроконтроллерные системы, сушильные установки, разработанные отечественной промышленностью десятилетия назад, используются и по сей день. Перечисленные факторы, препятствующие экономическому росту Рыбохозяйственного комплекса Российской Федерации, являются причиной того, что в настоящее время большая часть рыбной продукции, предназначенная для внутреннего потребления, а также экспорта, реализуется в необработанном виде [80,10]. 43 Информационно-поисковая система Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам по запросу «Сушильная установка» выдаёт всего 122 документов, начиная с 1995 года. В настоящее время существуют несколько тенденций, по которым идёт развитие систем управления сушильными установками: 1. Изготовление совершенно новых универсальных сушильных установок с уже интегрированными системами управления; 2. Модернизация устаревших сушильных установок добавлением модулей, реализующих систему управления. Проанализировав рынок оборудования пищевой промышленности, таблица 1.3, можно сделать вывод о том, что очень малое количество отечественных организаций и предприятий занимается разработкой и производством сушильных установок для рыбной промышленности. Среди таких организаций можно выделить ООО «Сушильное Дело» (Санкт-Петербург), ООО «Ижица» (СанктПетербург), ООО ПКП «Техтрон+» (Обнинск), Мурманский государственный технический университет (Мурманск), ООО «Волтэк Групп» (Владивосток). Из производителей импортных сушильных установок распространение в России получили фирмы «REICH (Германия)» и «Jugema» (Польша). Сравнение сушильных указывает на то, что установок, представленных производители предлагают в таблице 1.3, совершенно новые автоматизированные сушильные установки, а не автоматизацию устаревшего оборудования. Среди современных сушильных установок большое распространение получили конвективные сушильные установки, в меньшей степени радиационноконвективные с использованием энергии инфракрасного излучения. Ситуация рынка пищевой промышленности такова, что производители стараются создать универсальные многофункциональные сушильные установки, предназначенные по конструктиву не только для сушки рыбы, но и для сушки овощей и фруктов, трав и лекарственных растений, грибов и ягод, макаронных изделий. 44 В основном, сушильные установки проектируются для больших объёмов загрузки полуфабриката. Одновременной термической обработке подвергается сразу более 100 кг полуфабриката. Модернизация устаревших сушильных установок добавлением модулей, реализующих систему автоматического управления, может быть осуществлена благодаря универсальному регулятору температуры и влажности, программируемому по времени МПР51 российского производителя средств автоматики «Овен». Таблица 1.3 – Современные сушильные установки Наименование термокамеры Сушильно-вялочная камера Ижица-СВ, ООО «Ижица» Сушильный шкаф «Универсал-СД-Л» (Лесной), ООО «Сушильное Дело» Сушильная камера К-100, ООО «Сушильное Дело» Сушильная камера К-600, ООО «Сушильное Дело» Универсальная коптильно-сушильная установка, МГТУ Конвейерная сушильная установка СД-150, ООО «Сушильное Дело» Универсал-СД-4-40R, ООО «Сушильное Дело» Омегадрайв-СД-4, ООО «Сушильное Дело» Камера сушки и вялки ООО «Волтэк Групп» Шкаф для вялки и сушки рыбы ООО «Волтэк Групп» AIRMASTER UK 2500, фирма «REICH» AIRMASTER UK 5000, фирма «REICH» Drying Stream фирмы F50 «Jugema» Тип сушки Мощность, КВт 1,5 Размеры, м Конвективная Загрузка, кг 80 Конвективная 60 9 0,97х0,82х1,7 Конвективная 150 15 2,2х1,0х2,6 Конвективная 600 80 3,7х2,0х2,0. Конвективная 1000 40 8,6х1,3х2,7 Радиационноконвективная н.д. 150 13,5х2,3х2,5 Радиационноконвективная Радиационноконвективная Конвективная 100 12 1,4х1,1х2,1 130 12 1,3х0,82х1 500 19 1,4х4,4х2,9 Конвективная 1500 33 5,3х4х2,8 Конвективная 250 28 н.д. Конвективная 500 50 н.д. Конвективная 2000 46 1,4х1,2х2,8 0,82х1х1,7 45 Система управления модуля МПР51 позволяет контролировать процесс сушки, для чего осуществляет контроль температуры и влажности на каждой стадии процесса сушки, управляет периодическим включением исполнительных устройств. Представленные сушильные установки имеют довольно «расплывчатые» формулировки в части описания функций их систем управления. В основном указываются только диапазоны регулируемых величин (температура, влажность). Большинство сушильных установок позволяют осуществлять регулировку температуры внутри камеры в пределах от 40 ˚С до 70˚С и влажность в пределах от 25 до 70 %. Сушильно-вялочная камера «Ижица-СВ» в части автоматики оборудована только таймерами, позволяющими отключать вентилятор по истечении заданного времени сушки. Таким образом, управление технологическим процессом тепловой обработки и обезвоживания рыбы основывается на личном опыте оператора-технолога, в данном случае возможны определённые ошибки, сопряжённые с «человеческим фактором» и приводящие к отклонениям в работе сушильной установкой. Канд. техн. наук Висков А.Ю. в своих работах указывает на то, что отсутствуют комплексные системы управления, позволяющие достичь максимальной производительности при сохранении качества, а имеющиеся системы автоматического управления используют регуляторы с заданными изготовителями настройками. Такие системы управления не способны реагировать не неплановые изменения параметров полуфабриката [5, с. 66]. Вместе с тем, практически во всех сушильных установках используются в качестве датчиков температуры термопары либо термосопротивления. Однако их использование приводит к ряду проблем: − существует ограниченный выбор зон контроля, не всегда лучший с точки зрения оптимального регулирования технологического процесса; − должны соблюдаться жёсткие гигиенические требования при эксплуатации датчиков; 46 − налипания на датчик измеряемого продукта в зоне измерения приводит к ошибкам в измерении, к снижению скорости управления технологическим процессом. Вышеперечисленные проблемы препятствуют качественному определению температуры полуфабриката, Как было описано ранее, на интенсивность сушки влияет не только температура в термокамере, но также внешняя (температура поверхности) и внутренняя температура полуфабриката. Проанализировав современный технический уровень систем управления сушильными установками, можно сделать вывод о том, что на текущий момент при всей своей мультифункциональности они только способствуют увеличению длительности процесса сушки, и как следствие, увеличению энергоёмкости производства и себестоимости готовой продукции. Качественное управление технологическим процессом тепловой обработки и обезвоживания невозможно без комплексного подхода как к самому процессу (теории сушки), так и к процессу построения автоматической системы управления и в первую очередь к выработке требований, предъявляемых к нему. Основные требования, предъявляемые к системам управления сушильных установок Можно обобщить основные требования, предъявляемые к системам автоматического управления, в частности к системе автоматического управления сушильной установки [29]: 1. Наличие автоматизированного рабочего места. Согласно определению, приведённому в ГОСТ 34.003-90, автоматизированное рабочее место — это «программно-технический комплекс автоматизированной системы, предназначенный для автоматизации деятельности определённого вида» [51]. Автоматизированное рабочее место представляет собой рабочее место оператора сушильной установки и предназначено для проведения визуального 47 контроля над процессом сушки, местного и удалённого управления процессом сушки и так далее. Наличие нескольких режимов работы (ручного и автоматического). 2. Автоматический режим управления сушильной установкой подразумевает управление технологическим процессом сушки без вмешательства оператора, то есть ход процесса контролируется программой, заложенной в контроллер. Как известно, энергосбережение - потребность современного предприятия. Хорошо отлаженная программа позволяет получать стабильно высокие результаты, как по качеству готового продукта, так и по энергосбережению, что практически невозможно достигнуть при использовании ручного управления. Однако современная система управления должна помимо полностью автоматического режима работы иметь и ручной режим, позволяющий оператору по необходимости вмешиваться в технологический процесс. 3. Возможность ввода собственных программ сушки. Обычно программы сушки, заложенные изготовителем автоматики, не вполне устраивают опытных технологов. Автоматика должна давать возможность пользователю менять все параметры, влияющие на процесс сушки, добиваясь оптимизации энергопотребления, продолжительности сушки, соответствующего качества продукта. Возможность ввода собственных программ сушки должна повысить гибкость управления процессом сушки. 4. Надёжность автоматики. Надёжность системы автоматического управления регламентируется ГОСТ 24.701-86 «ЕСС АСУ «Надёжность автоматизированных систем управления» [49]. В соответствии с ГОСТ система автоматического управления является многофункциональной, комплексной системой. В состав такой системы входит множество подсистем, модулей и компонентов. Каждый из элементов многофункциональной системы будет характеризоваться собственной степенью надёжности, поэтому, при рассмотрении надёжности системы автоматического 48 управления в целом, необходимо обращать внимание на её составные подсистемы, модули и компоненты. В состав системы автоматического управления входят такие подсистемы как программная и аппаратная. В свою очередь, данные подсистемы разделены на более мелкие модули. Необходимо учитывать, что обслуживающий и эксплуатационный персонал также является неотъемлемой частью системы автоматического управления. Уровень надёжности системы автоматического управления характеризуется надёжностью технических и программных составляющих, уровнем квалификации персонала, степенью использования видов резервирования и технической диагностики. Программное обеспечение системы автоматического управления должно способствовать безотказному функционированию аппаратной подсистемы. В случае возникновения отказа либо некорректных действий персонала должны быть обеспечены такие условия функционирования системы, которые имели бы минимальные последствия, связанные с малыми финансовыми потерями от отказа. Аппаратная подсистема должна характеризоваться высокой степенью надёжности составных компонентов, не допускать выхода контролируемых параметров из диапазона недопустимых значений. Надёжности аппаратной подсистемы способствует интеграция соответствующих электромеханических защит и блокировок. Обслуживающий и эксплуатационный персонал должен контролировать функционирование системы и не допускать действий, приводящих к отказам в программной или аппаратной системе. Большое значение, в плане надёжности и долговечности, имеет тип применяемых датчиков. В настоящее время в пищевой промышленности получили распространение контактные датчики: термопары и термосопротивления. Как было описано выше, такие датчики имеют ряд известных проблем. Оперативный контроль температуры в процессе сушки может 49 быть обеспечен применением стационарных неконтактных инфракрасных датчиков. Инфракрасные датчики лишены всех проблем, присущих контактным датчикам температуры. Они практически безынерционны, работают в реальном масштабе времени, позволяя измерять температуры от –50 до +3000 °С. 5. Простота освоения и эксплуатации. Персонал, обслуживающий сушильную камеру, как правило, не имеет специального образования в области обслуживания автоматизированных систем, поэтому перед началом эксплуатации проходит этап освоения. Этот процесс будет проходить более легко и быстро, если эргономика системы управления будет иметь понятный пользовательский интерфейс. 1.5 Технология научного исследования по теме диссертации Под технологией научного исследования понимается совокупность знаний о содержании процессов исследования, начиная от выбора темы научного исследования и закачивания внедрением результатов исследования в определённую сферу применения [66, с. 205]. Технологию научного познания рационально представлять в виде графической технологической карты. Технологическая карта исследования представлена на рисунке 1.7. Целью настоящей работы является разработка и научное обоснование метода тепловой обработки рыбы, позволяющего снизить энергопотребление по сравнению с традиционными методами (конвективным, инфракрасным) за счёт применения программно-аппаратного комплекса гибкого автоматического управления и использования средств телематики. Постановке цели исследования предшествует анализ современного состояния рыбной промышленности в России, а также анализ исследований производимых отечественными и зарубежными учёными в данной области. Проводимый анализ состояния рыбной промышленности в сфере сушки гидробионтов показал, что материально-техническая база рыбоперерабатывающей отрасли морально 50 несовершенна. Повсеместно используется устаревшее оборудование, разработка которого приходится на 60-80 годы прошлого столетия. Использование устаревшего оборудования в свою очередь привод к высоким энергозатратам и, как следствие, к высокой себестоимости готовой продукции. Объектом исследований в работе является технологический процесс нагрева и обезвоживания рыбы. Предметом исследования является рыбное сырье - традиционные объекты промысла северного бассейна (мойва, сайда, путассу, сельдь, треска, окунь морской). Рисунок 1.7 – Технологическая карта исследования Актуальность темы исследования обосновывается тем, что на современном этапе развития рыбоперерабатывающей отрасли отсутствует компактное, простое в эксплуатации оборудование, оснащённое гибкой системой автоматического управления технологическим процессом, современной с точки зрения оснащения телекоммуникационными функциями и информационными технологиями. Наличие такого оборудования, выполненного в виде программно- аппаратного комплекса и функционирующего по обоснованным оптимальным параметрам и алгоритмам, позволит увеличить энергоэффективность технологических процессов сушки гидробионтов при сохранении качества 51 готовой продукции. Функционирование комплекса в качестве гибкой системы позволит в минимальные сроки менять параметры технологического процесса, использовать энергоэффективные способы обработки сырья, быстро адаптироваться к выпуску новой продукции. Для достижения поставленной цели в работе ставились и решались следующие научно-технические задачи: 1. Разработка принципов повышения эффективности процесса тепловой обработки рыбы, позволяющих снизить энергопотребление при нагреве и обезвоживании рыбы по сравнению с традиционными методами. 2. Определение способа измерения температуры поверхности рыбы, подверженной обезвоживанию в термокамерах сушильных установок, на основе инфракрасных датчиков температуры. 3. Построение математической модели изменения температуры в термокамере малогабаритной сушильной установки, а также математической модели изменения внутренней температуры и температуры поверхности рыбы при различных методах тепловой обработки. 4. Разработка и научное обоснование программно-аппаратного комплекса с элементами удалённого доступа и контроля. 5. Разработка и реализация оптимальных алгоритмов программно- аппаратного комплекса, в том числе оптимизации цифровых регуляторов системы. В качестве методов научного познания в работе использовались методы эмпирического исследования [67, с. 13], для которых характерна постановка экспериментов, наблюдения и сравнения технологических процессов, проведение измерений основных технологических параметров. Методологическими источниками для исследований и постановки эксперимента стали труды ведущих отечественных и зарубежных учёных. Вся собранная в результате проведённых экспериментов агрегированная информация подвергалась таким теоретическим методам исследования как анализ и синтез. Большое внимание в работе уделено методам моделирования 52 технологического процесса тепловой обработки рыбы, как одним из прогрессивных в настоящее время методов научного познания и анализа. К защите предлагаются следующие научные положения, составляющие стратегическую идею диссертации. 1. Энергоэффективный стадийный метод комбинированной тепловой обработки рыбы с бесконтактным измерением температуры её поверхности при использовании конвективной и радиационной составляющих нагрева и обезвоживания, обеспеченных трубчатым электронагревателем и инфракрасными лампами, позволяющий снизить затраты на производство готовой продукции; 2. Способ непрерывного бесконтактного измерения температуры поверхности рыбы в термокамерах сушильных установок, основанный на применении разработанного устройства с использованием инфракрасных датчиков температуры; 3. Математическая модель формирования температуры в термокамере при тепловой обработке рыбы, учитывающая работу исполнительных механизмов (трубчатого электронагревателя и инфракрасных ламп). 4. Математическая модель изменения температуры рыбы при тепловой обработке, основанная на расчётах температуры на поверхности и в толще полуфабриката, в зависимости от величины его удельной поверхности. 5. Телекоммуникационные средства обеспечения технологического процесса, позволяющие снизить затраты на производство готовой продукции в результате применения мобильного технологическим процессом. удалённого контроля и управления 53 1.6 Выводы по первой главе Произведён анализ современного состояния рыбной промышленности в России. Установлено, что одним из перспективных направлений развития пищевой рыбной продукции является совершенствование процессов обезвоживания. Стратегией развития рыбохозяйственного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года прогнозируется рост объёмов производства сушено-вяленых рыбных товаров в 5 раз. Представлены основные сведения о технологическом обезвоживания рыбы, а также приведена классификация данных процессе процессов. Обозначены основные направления совершенствования процессов обезвоживания рыбы, среди которых можно выделить интенсификацию и снижение энергоёмкости процесса, а также выбор рациональных режимов тепловой обработки рыбы. Выполнено сравнение как существующих систем управления процессом сушки рыбы, так и готовых установок. Определено, что современный технический уровень систем управления мультифункциональности не сушильными способствуют установками при снижению всей своей длительности и энергоёмкости процесса сушки, и как следствие, снижению себестоимости готовой продукции. Качественное управление технологическим процессом сушки невозможно без комплексного подхода как к самому процессу сушки (теории сушки), так и к процессу построения автоматической системы управления и в первую очередь к выработке требований, предъявляемых к нему. Основным научным результатом, полученным при выполнении научного исследования в первой главе, является обоснование необходимости разработки программно-аппаратного комплекса гибкого автоматического управления процессами нагрева и обезвоживания рыбы, способствующего повышению эффективности процессов тепловой себестоимости готовой продукции. обработки рыбы при снижении 54 Глава 2 Разработка и экспериментальные исследования малогабаритной сушильной установки Как было отмечено ранее, объектом исследований в работе является технологический процесс нагрева и обезвоживания рыбы, а предметом исследования является рыбное сырье (мойва, сайда, путассу, сельдь, треска). Однако необходимо учитывать, что исследование технологического процесса обезвоживания рыбы, как и её нагрева, выработка алгоритмов оптимального управления технологическим процессом для достижения наилучших показателей энергоэффективности невозможны без исследования самой сушильной установки, анализа формирования температурного поля в ней, построения её математической модели с использованием передаточных функций. По сути, для системы автоматического управления температурное поле, формируемое в термокамере сушильной установки, является объектом управления. То есть воздействие на конечный продукт – рыбное сырье осуществляется через сформированный температурный режим в термокамере сушильной установки. Управляя исполнительными механизмами системы, можно добиться такого температурного поля и режима, при котором возможна интенсификация процесса обезвоживания рыбы при определённой энергоэффективности технологического процесса. Большинство современных сушильных установок предполагают большую загрузку сырьём и массовое производство готового продукта, однако определение энергоэффективных, рациональных режимов сушки стоит производить на небольших малогабаритных сушильных установках с небольшим объёмом загрузки. Исследования процессов обезвоживания рыбы проводились на специально разработанной малогабаритной сушильной установке. Результаты работы, полученные на её базе, могут быть применены для более крупных промышленных сушильных установок, использующихся для сушки, вяления, горячего копчения рыбы. 55 2.1 Технико-технологические особенности малогабаритной сушильной установки Для исследования процессов обезвоживания рыбы, определения оптимальных с точки зрения энергоэффективности и интенсивности режимов тепловой обработки рыбы в Мурманском государственном техническом университете была разработана и внедрена в производство в учебноэкспериментальном цехе малогабаритная сушильная установка (МСУ) конструкции инженеров Вотинова М.В., Ершова М.А. и д.р. Акт ввода в эксплуатацию представлен в приложении А. Установка предназначена для разработки малоотходных технологических процессов получения солено- сушёных и копчёных изделий (рисунок 2.1). Установка имеет патенты на полезную модель № 117266 [83], № 135234 [84], представленные в приложениях Ж, З. Установка по конструкции является однокамерной, предназначенной для экспериментальных исследований процессов вяления и сушки рыбы и изготовления небольших опытных партий данных видов рыбопродукции. В состав МСУ входит термокамера с элементами подогрева сушильного агента, а также блок автоматики, реализующий систему автоматического управления процессами обезвоживания. Камера МСУ оснащена дверью загрузки и выгрузки рыбопродукции. Малогабаритная сушильная установка включает корпус, с расположенными внутри сетчатыми противнями. Конструкция для подготовки и подогрева сушильного агента включает следующие элементы: − центробежный нагнетательный вентилятор; − камера нагрева воздуха с трубчатым электронагревателем (ТЭН) мощностью 2 кВт; − лампы инфракрасного излучения (ИК-лампы) мощностью 2 кВт. 56 Рисунок 2.1 - Общий вид малогабаритной сушильной установки 1 – корпус; 2 - камера сушки с сетчатыми поддонами; 3 – двухсторонний центробежный вентилятор; 4 – камера нагрева воздуха с трубчатым электронагревателем; 5 – нагнетающий воздуховод; 6 – входной патрубок, соединенный с камерой нагрева (4), 7 – трубопровод; 8 - клапаны распределения воздушных потоков 9 – блок автоматики; 10 – инфракрасные лампы; 11 – датчик температуры в камере; 12 – устройство для измерения температуры с использованием инфракрасного датчика; 13 – площадка для измерения массы рыбы. 57 Двухсторонний центробежный вентилятор (3) предназначен нагнетания воздуха и дымовоздушной смеси в камеру нагрева воздуха нагнетающему воздуховоду. Камера нагрева воздуха (4) для по снабжена теплоизоляцией и смонтирована непосредственно на корпусе МСУ [33]. Нагнетённый тёплый воздух попадает непосредственно в малогабаритную сушильную установку через нагнетающий трубопровод (5) и входной патрубок (6) подачи воздуха в камеру. Часть прошедшего через малогабаритную сушильную установку воздуха через клапан (8.1) выводится наружу, а часть через трубопровод (7) возвращается в камеру нагрева воздуха с целью повышения ее коэффициента полезного действия. Камера нагрева воздуха (4) отличается простотой конструкции и высокой надёжностью, так как состоит из термостойкой трубы с расположенным внутри неё ТЭНом. ИК-лампы (10) расположены в верхней части камеры МСУ. Двусторонний центробежный вентилятор (3) подает сушильный агент по воздуховоду через камеру нагрева в камеру МСУ (2). В установке предусмотрена подача дымовоздушной смеси в камеру обезвоживания. В термокамере МСУ происходит нагрев сырья с использованием инфракрасного излучения, производимого ИК-лампами. Малогабаритная сушильная установка включает блок автоматики (9), в который поступают сигналы от термопары, инфракрасного датчика температуры. Блок автоматики в соответствии с программой работы управляет инфракрасными лампами, расположенными внутри корпуса малогабаритной сушильной установки, а также управляет интенсивностью нагрева воздуха в камере нагрева воздуха. Управление технологическим процессом обезвоживания осуществляется с рабочей станции оператора МСУ, оснащённой ЭВМ с использованием программного обеспечения малогабаритной сушильной «Система установкой» представлено в главе 4, рисунок 4.5. автоматического («САУ МСУ») управления [102], которое 58 В конструкцию МСУ помимо датчика температуры типа ДТС, измеряющего температуру воздуха в инфракрасный датчик для измерения термокамере температуры установки, внедрён поверхностного слоя обрабатываемого сырья. Блок автоматики малогабаритной сушильной установки в режиме реального времени передаёт программному обеспечению «САУ МСУ» информацию, поступающую с датчиков. На основе полученной информации «САУ МСУ» выводит сигналы управления для регулирования мощности инфракрасного излучения. Кроме этого контролируется и регулируется температура сушильного агента, проходящего через камеру нагрева воздуха. Установка может работать в ручном и автоматическом режимах. На протяжении всего технологического процесса осуществляется автоматическая регистрация всей получаемой информации. В программном обеспечении «САУ МСУ» ведётся отображение текущего состояния параметров процесса обезвоживания. В состав программного обеспечения «САУ МСУ» входит конструктор алгоритмов работы МСУ, позволяющий проектировать режимы обезвоживания. Конструктор алгоритмов обезвоживания даёт возможность оператору установки вводить до 1000 этапов работы. Для каждого конкретного этапа возможно задание различных параметров режимов работы. Отличительной особенностью программного обеспечения «САУ МСУ» является возможность контролируемых информирования параметрах оператора процессов МСУ о режимах обезвоживания и по телекоммуникационным каналам связи через глобальную сеть «Интернет» и мобильную связь. Помимо контроля и управления технологическими параметрами программное обеспечение «САУ МСУ» выполняет защиту элементов системы: - в случае превышения заданного критического значения температуры в камере; - в случае обрыва соединений датчиков. 59 Рабочая температура теплоносителя в термокамере достигает 150 °С, скорость движения – до 2,5 м/с. Габаритные размеры малогабаритной сушильной установки 1200х500х950 мм. По результатам проведённых технологических испытаний МСУ отмечено, что аппаратные средства САУ и программное обеспечение «САУ МСУ» работоспособны, надёжны и допускают эксплуатацию установки для отработки тепловых режимов при выпуске опытных партий вяленой и сушёной рыбопродукции. Установка работает следующим образом. Сырье, предназначенное для обезвоживания, через дверь загрузки-выгрузки размещается на сетчатых противнях. Инфракрасный датчик температуры позиционируется над сырьём. В блоке автоматики задаётся требуемый режим тепловой обработки. После ввода требуемых параметров происходит запуск малогабаритной сушильной установки, который сопровождается пуском камеры нагрева воздуха, инфракрасных ламп, а также двухстороннего центробежного вентилятора. Двухсторонний центробежный вентилятор нагнетает воздух в камеру нагрева воздуха по нагнетающему воздуховоду. Нагнетённый тёплый воздух попадает внутрь малогабаритной сушильной установки через патрубок подачи воздуха и входное отверстие подачи воздуха в камеру. Таким образом, формируется конвективная составляющая процесса обезвоживания, когда тепло передаётся по каналам от теплоносителя к поверхности высушиваемого сырья. С целью увеличения эффективности работы камеры нагрева воздуха часть прошедшего через малогабаритную сушильную установку воздуха через колено обратной связи возвращается в неё для дальнейшего нагрева. В процессе обезвоживания сырье подвергается инфракрасному излучению исходящему от инфракрасных ламп. Интенсивность инфракрасных ламп регулируется блоком автоматики. Таким образом, формируется радиационная составляющая процесса обезвоживания. 60 На блок автоматики выведены сигналы от термопары, инфракрасного датчика температуры и от датчика массы сырья, расположенного под сетчатыми противнями. Блок автоматики функционирует по сигналам с датчиков и по первоначальным введённым параметрам. 2.2 Выбор аппаратного обеспечения для проведения экспериментов 2.2.1 Датчики и исполнительные механизмы Выбор аппаратного обеспечения малогабаритной сушильной установки для проведения экспериментов заключался в оснащении её такими датчиками и исполнительными механизмами, на основе которых возможна была реализация программно-аппаратного комплекса автоматического управления процессами тепловой обработки и обезвоживания рыбы, реализующего основные направления совершенствования процесса нагрева и обезвоживания рыбы, описанные в главе 1. Конструкция для подготовки и подогрева сушильного агента малогабаритной сушильной установке включает следующие на исполнительные механизмы: − центробежный нагнетательный вентилятор; − трубчатый электронагреватель; − лампы инфракрасного излучения. Центробежный вентилятор АВ–052–2МУЗ № 35346 предназначен для нагнетания в термокамеру малогабаритной сушильной установки оптимального для процессов обезвоживания потока теплового агента со скоростью 2 м/с. Основные технические характеристики центробежного вентилятора представлены в таблице 2.1. 61 Таблица 2.1 – Технические данные центробежного вентилятора № 1 2 3 4 5 6 7 8 Показатель Тип электродвигателя центробежного вентилятора Номинальное напряжение, В Тип подключения Частота сети, Гц Мощность, Вт Частота вращения, об/мин КПД, % Масса, кг Значение АВ–052–2МУЗ № 35346 127/220 ∆/⊥ 50 90 2800 75 3,4 В качестве трубчатого электронагревателя используется ТЭН-100 А13/2 кВт «S» 220 В Ф2. Трубчатый электронагреватель обеспечивает нагрев теплового агента в камере нагрева воздуха, соединённой с термокамерой малогабаритной сушильной установки без потери тепловой энергии. Основные технические характеристики трубчатого электронагревателя представлены в таблице 2.2. Таблица 2.2 – Технические данные трубчатого электронагревателя № 1 2 3 4 5 6 7 8 Показатель Тип трубчатого электронагревателя Номинальное напряжение, В Частота сети, Гц Мощность, Вт Нагреваемая среда Форма ТЭН Длина контактного стержня, мм Диаметр оболочки ТЭН, мм Значение АВ–052–2МУЗ № 35346 127/220 50 2000 S - воздух, газы и смеси газов Ф2 100 13 Для получения смешенного по принципу передачи энергии процесса обезвоживания рыбы, а именно использованием инфракрасного конвективно-радиационной излучения, в малогабаритной сушки с сушильной установке применены кварцевые, галогенные лампы с термоизлучателем КГТ 220-1000-1. Данные лампы предназначены для создания лучистого потока в ближней инфракрасной области спектра. 62 Рисунок 2.2 – Общий вид лампы КГТ 220-1000-1 Ближний инфракрасный спектр электромагнитного спектра имеет длины волн от 800 нм до 2500 нм и расположен между средне- инфракрасной и видимой областью. Длины волн зависят от температуры нагрева. Чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность электромагнитного излучения. По конструкции лампы КГТ 220-1000-1 представляют собой цилиндрическую кварцевую колбу с токовводами, заваренными в концах, рисунок 2.2. Моноспиральное тело накала расположено соосно с колбой. Лампа наполнена инертным газом с добавкой галогенного соединения. Технические данные инфракрасных ламп КГТ 220-1000-1 приведены в таблице 2.3. Таблица 2.3 – Технические данные инфракрасных ламп № 1 2 3 4 5 6 7 8 Показатель Тип лампы Номинальное напряжение, В Мощность, Вт Средняя продолжительность горения, ч Цветовая температура, К Допустимое отклонение от горизонтального положения, град. Допустимая эксплуатационная температура на поверхности колбы, °С. Габаритый размер L, мм Значение КГТ 220-1000-1 220 1000 10000 2500 5 250-800 375 Лампы работают как от сети постоянного, так и от сети переменного тока частотой 50 Гц при номинальном напряжении 220 В. Рабочее положение ламп – горизонтальное, однако допустимо отклонение от горизонтального положения на ±5 град. 63 Допустимые значения температур на поверхности колбы против середины вакуумного звена ввода составляет от 250 °С до 800 °С [68]. Работа программно-аппаратного комплекса малогабаритной сушильной установки основана таким образом, чтобы в максимальной степени исследовать технологический процесс тепловой обработки рыбы. Система управления комплекса принимает и обрабатывает информацию, поступающую со следующих контактных и бесконтактных датчиков: − термопреобразователь сопротивления ДТС045 типа ТСП 100П фирмы «ОВЕН»; − инфракрасный датчик температуры серии CT фирмы «Optris»; − датчик температуры ТС-0295/1 фирмы «Элемер»; − инфракрасный датчик температуры Кельвин ИКС 4-20 фирмы ЗАО «Евромикс». − датчик влажности и температуры ДВТ-03.ТЭ фирмы «РЭЛСИБ»; Использование термопреобразователя сопротивления ДТС045 типа ТСП 100П фирмы «ОВЕН» обусловлено распространением такого типа датчиков на предприятиях береговой рыбопереработки. Вместе с тем использование таких датчиков приводит к ряду проблем, которые были описаны в главе 1, пункт 1.4. Технические данные термопреобразователя сопротивления ДТС045 типа ТСП фирмы «ОВЕН» представлены в таблице 2.4. Термопреобразователь сопротивления ДТС045 типа ТСП 100П фирмы «ОВЕН» в малогабаритной сушильной установке используется для измерения общей температуры в термокамере. Диапазон измерения температур от -50 °С до +500 °С. Датчик конструктивно располагается у входного патрубка, соединённого с камерой нагрева воздуха, таким образом показывает наибольшую температуру в термокамере в режиме работы с трубчатым электронагревателем. 64 Таблица 2.4 – Технические данные термопреобразователя сопротивления ДТС045 типа ТСП фирмы «ОВЕН» № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Показатель Тип датчика Номинальная статическая характеристика Рабочий диапазон измеряемых температур, °С Класс допуска Группа климатического исполнения Условное давление, МПа Показатель тепловой инерции, не более, с Количество чувствительных элементов, шт. Сопротивление изоляции, не менее, Мом Схема соединения внутренних проводников Степень защиты датчика Материал защитной арматуры Значение ДТС045 50П; 100П; Pt100 -50...+500 А; В; С Д2, Р2 10 10...30 1 100 2-х, 3-х, 4-х проводная IP54 сталь 12Х18Н10Т Для измерения температуры поверхностного слоя обрабатываемого сырья в малогабаритную сушильную установку внедрён стационарный инфракрасный датчик температуры серии CT фирмы «Optris» Технические данные стационарного инфракрасного датчика температуры серии CT фирмы «Optris» приведены в таблице 2.5. Таблица 2.5 – Технические данные инфракрасного датчика температуры серии CT фирмы «Optris» № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Показатель Тип датчика Диапазон измеряемых температур, °С Спектральный диапазон, мкм Показатель визирования Разрешение, °С Коэффициент излучения Относительная влажность, % Степень защиты датчика Температура работы датчика, °С Температура работы блока управления, °С Потребляемый ток макс., мА Питание, В Показатель визирования стационарного Значение Optris CT -40...+900 8-14 20:1 0,1 0,1-1,1 10-95 IP65 (NEMA-4) -20...+180 0...+65 100 8 - 36 инфракрасного датчика температуры серии CT фирмы «Optris» 20:1 позволяет измерять температуру 65 поверхностного слоя сырья диаметром 0,05 м на удалении 1 м с разрешением 0,1 °C. Для анализа не только температуры поверхностного слоя рыбы, но и внутренней температуры сырья используется датчик температуры ТС-0295/1 фирмы «Элемер». Датчик температуры позволяет измерять температуры в диапазоне -50…200 °С. Технические данные датчика температуры ТС-0295/1 фирмы «Элемер» приведены в таблице 2.6. Таблица 2.6 – Технические данные датчика температуры ТС-0295/1 фирмы «Элемер» № 1 2 3 4 5 6 7 Показатель Тип датчика Номинальная статическая характеристика Рабочий диапазон измеряемых температур, °С Класс допуска Группа климатического исполнения Количество чувствительных элементов, шт. Степень защиты датчика Значение ТС-0295/1 50П; 100П; Pt100 -50 …200 АА, А, В, С Д2 1 IP5Х Для исследования распределения температурных полей в работающей малогабаритной сушильной установке при разных режимах работы был применён бесконтактный инфракрасного датчика температуры Кельвин ИКС 4-20 фирмы ЗАО «Евромикс». Технические данные инфракрасного датчика приведены в таблице 2.7. Таблица 2.7 – Технические данные инфракрасного датчика температуры Кельвин ИКС 4-20 фирмы ЗАО «Евромикс» № 1 2 3 4 5 6 7 8 Показатель Тип датчика Диапазон измерения температур, °С Показатель визирования Разрешение, °С Коэффициент излучения Температура работы датчика, °С Степень защиты датчика Питание, В Значение Кельвин ИКС 4-20 -40…+350 1:1 0,1 0,01 – 1,00 -40…+85 IP65 «паразитное» от «ТП» 66 Бесконтактный инфракрасного датчика температуры Кельвин ИКС 4-20 имеет показатель визирования 1:1 обладает достаточно не высокой стоимостью по сравнению с инфракрасным датчиком температуры серии CT фирмы «Optris», а его малые размеры и гибкость позволили получить проекции температурных полей без использования дорогих тепловизоров. Таблица 2.8 – Технические данные датчика влажности и температуры ДВТ-03.ТЭ фирмы «РЭЛСИБ» № 1 2 3 4 5 Показатель Значение Тип датчика Диапазон измерения температур, °С Диапазон измерения относительной влажности, % Степень защиты датчика Питание, В ДВТ-03.ТЭ -40…+100 0…100 IP65 18-36 Измерение влажности в термокамере малогабаритной сушильной установки осуществляется с использованием датчика ДВТ-03.ТЭ российского производителя «РЭЛСИБ». Помимо измерения влажности датчик обладает дополнительным сигналом (4-20 мА) по измерению температуры до 100 °С. 2.2.2 Исследование Обоснование способа инфракрасных измерения датчиков температуры температуры. поверхности рыбы, подверженной обезвоживанию Принцип действия инфракрасных датчиков температуры основан на измерении теплового электромагнитного излучения, которое образовано внутренней энергии предметов и тел. Интенсивность излучения напрямую связана с температурой нагретого объекта. В обычных условиях, при комнатной температуре, тепловое излучение тел происходит в инфракрасном диапазоне длин волн (1 мм-780 нм), недоступным зрительному восприятию глаза. С увеличением температуры светимость тел быстро возрастает, а длины волн смещаются в более 67 коротковолновую область. Если температура достигает тысяч градусов, то тела начинают излучать в видимом диапазоне длин волн (780-380 нм) [31]. К основным параметрам, которые необходимо учитывать при выборе модели инфракрасного датчика температуры относятся: - спектральный диапазон и диапазон температур измеряемого объекта; - показатель визирования; - излучательная способность измеряемого объекта. Спектральный диапазон и диапазон температур измеряемого объекта. Для измерений определённых диапазонов температур используются инфракрасные датчики с конкретными диапазонами инфракрасного спектра. Так при низких температурах это обычно диапазон длин волн электромагнитного излучения 6-14 мкм. В диапазоне средних температур это может быть 3-5 мкм. При высоких температурах используется участок о районе 1 мкм. Однако, следует учитывать, что различные типы материалов объектов имеют различные длины волн электромагнитного излучения. Так, отражающие металлические поверхности имеют короткую длину волны, а неотражающие неметаллические – длинную. Поэтому признаку модели инфракрасных датчиков температуры условно можно разбить на две группы: - общего назначения со спектральным диапазоном 8-14 или 6-14 мкм; - специального назначения, под конкретный материал измеряемой поверхности. Инфракрасных датчиков температуры со спектральным диапазоном 8-14 или 6-14 мкм измеряют температуру объектов, не попадающих под определение "отражающие или металлические". К таковым относится текстиль, пищевые продукты, резина, толстый непрозрачный пластик, картон, дерево, краска, земля, камень и другие. Такие датчики могут применяться для контроля температуры кабелей и контактов в энергетике, в процессах печати и нанесения краски в полиграфии, контроля износа механических частей на транспорте, однако не могут использоваться для измерения температуры, к примеру, стекла или металла, поскольку длина волны данных материалов лежит вне их диапазона [16]. 68 Инфракрасные датчики температуры также можно разбить на два типа: узкоспектральные (например, 0,9-1,05 мкм) и широкоспектральные (например, 2-20 мкм). Узкий спектральный диапазон позволяет датчику не учитывать световые волны излучаемые поверхностями других объектов или окружающей средой в поле зрения и принимать излучение только того материала, на который настроен диапазон. Применение широкоспектральных пирометров должно сопровождаться подготовительными мероприятиями по предотвращению попадания стороннего излучения. Показатель визирования (D:L) - отношение диаметра пятна контроля или диаметра объекта контроля (D), с поверхности которого датчик принимает энергию инфракрасного излучения, к расстоянию (L) до объекта. Современные инфракрасные датчики температуры имеют оптическое отношение достигающие 300:1. Минимальный измеряемый диаметр - наименьший диаметр объекта, который может быть измерен при данном фокусном расстоянии и размере приёмника. Точность измерения не зависит от расстояния до тех пор, пока размер объекта больше измеряемого диаметра. Определённая температура будет не верна, если размер объекта меньше диаметра пятна контроля. Так как объект, температура которого должна быть измерена, не заполняет весь диаметр пятна контроля, инфракрасный датчик температуры в данном случае будет принимать излучения от других объектов окружающей среды, которые оказывают влияние на точность измерения. Излучательная способность объекта - отношение мощности излучения объекта при данной температуре к мощности излучения абсолютно чёрного тела. Абсолютно чёрное тело в теории теплового излучения означает тело, которое полностью поглощает любое падающее на его поверхность электромагнитное излучение, независимо от температуры этого тела. Излучательная способность абсолютно черного тела равна 1,00. Излучательные определяются объекта, а свойствами не цветом материала его свойства и чистотой обработки поверхности. объекта поверхности У большинства органических 69 материалов, таких как дерево, пластик, бумага, гидробионты излучательная способность находится в диапазоне 0,8 – 0,95. Металлы, особенно полированные, напротив, имеют низкую излучательную способность, которая в этом случае будет 0,1 – 0,2. Для правильного измерения температуры необходимо определить и установить излучательную способность измеряемого объекта. Если значения будут выбраны неправильно, то температура будет измеряться неверно. Излучательная способность связана с коэффициентом отражения следующей формулой: E = 1 – R, (2.1) где Е – излучательная способность, R – коэффициент. На сегодняшний день инфракрасные датчики температуры являются эффективным средством измерения температуры в технологических процессах. Так как при отсутствии непосредственного контакта с объектом измерения обладают возможностью измерения температуры в труднодоступных и опасных для человека местах, вместе с тем имеют малые погрешности измерения температур при довольно высоком быстродействии. Для определения эффективности инфракрасных датчиков температуры по сравнению с другими видами датчиков температуры был проведён эксперимент на малогабаритной сушильной установке. В эксперименте сравнивались показания температуры от инфракрасного датчика температуры Кельвин ИКС 4-20 ( коэффициент излучательной способности 0,95, эффективная длина волны 8-14 мкм) с показателем визирования 1:1, термосопротивления ДТС045, а также термометра ртутного стеклянного лабораторного. Измерения температуры проводились непосредственно в камере сушильной установки. В качестве объекта исследования температуры было выбрано филе трески с кожей. Инфракрасный датчик температуры позиционировался над филе таким образом, чтобы датчика. поверхность филе полностью входила в диаметр контроля 70 Термосопротивление, а также термометр ртутный стеклянный лабораторный имели тесный тепловой контакт с филе трески. Начальные показания всех приборов были идентичными. Начальная температура составила 11 °C. Нагрев филе планировалось проводить до температуры 55 °C во избежание повреждения инфракрасного датчика температуры, ввиду того, что максимальная рабочая температура составляет 85 °C [31]. Результаты эксперимента представлены на рисунке 2.3. Как видно из рисунка 2.3, показания всех приборов установились на отметке 55 °С, однако, ввиду своей инерционности, термосопротивление, а также термометр ртутный стеклянный лабораторный заметно дольше отображали недостоверную температуру. Рисунок 2.3 – Результаты эксперимента Как было описано в первой главе, целесообразно однозначно определять температуру поверхности рыбы в ходе технологического процесса, так как неконтролируемое изменение данного параметра приводит к возможному ухудшению качества полуфабриката и уплотнению его поверхностного слоя, что в свою очередь препятствует внутренней диффузии влаги, ведёт к затягиваю 71 технологического процесса сушки рыбы и как следствие к удорожанию себестоимости готовой продукции. Малая инерционность инфракрасных датчиков способствует быстрому, оперативному измерению температуры поверхности сырья, что в свою очередь приводит к быстрым и верным решения системы управления, под управлением которой находится исследуемые технологический процесс. Поэтому способ измерения температуры поверхности рыбы, подверженной обезвоживанию, с использованием инфракрасных датчиков будет наиболее точен и оптимален по сравненною с использующимися повсеместно контактными датчиками. Для анализа влияния цвета тела, температура которого подвержена измерению инфракрасным датчиком температуры, на результат измерения был поставлен эксперимент. В стакан, стенки которого выполнены из тонкого стекла, а на поверхности стенок которого были наклеены белая и чёрная этикетки, была налита горячая вода. С помощью инфракрасного датчика температуры измерялась температура поверхности белой и чёрной этикетки. Эксперимент показал равенство температур поверхности температура поверхности белой и чёрной этикетки, измеряемых инфракрасным датчиком температуры. Таким образом, применение инфракрасных датчиков температуры в малогабаритной сушильной установке способствует более тщательному анализу используемых режимов тепловой обработки рыбы при обезвоживании и как следствие к выбору наиболее рациональных из них. Вместе с тем, эксперимент выявил недостатки ИК датчиков, в связи с чем, возникает ряд проблем при их использовании в рыбной промышленности: 1) Трудность позиционирования над сырьём, требующим температурного контроля. Так в установках, представляющих из себя термокамеры, где температуры достигают 200-400 °С, позиционирование инфракрасных датчиков невозможно, ввиду их небольшого диапазона рабочих температур, в среднем 85° С. Инфракрасные датчики температуры попросту выйдут из строя. 72 2) Каждая конкретная модель инфракрасных датчиков температуры помимо диапазона измеряемых температур, обладает собственным показателем визирования, что затрудняет их унификацию. При значениях показателя визирования 1:1 и при значительном удалении датчика от продукта (сырья), показания температуры будут не точными, ввиду попадания в область визирования датчика сторонних инфракрасных излучений. датчики температуры Инфракрасные с показателями визирования порядка 1:100 отличаются хорошей точностью, однако они в разы дороже и их использование в рыбной промышленности не целесообразно. 2.2.3. Разработка устройства для непрерывного бесконтактного измерения температуры Для решения описанных выше проблем было спроектировано и разработано устройство для непрерывного бесконтактного измерения температуры на основе стационарных инфракрасных датчиков температуры. Устройство зарегистрировано в федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам и имеет патенты на полезную модель №109559 [82], №148991 [85], представленные в приложениях Е, И. Данное устройство успешно прошло апробацию не только на малогабаритной сушильной установке, но и на инфракрасном дымогенераторе, который внедрён в производство в учебно-экспериментальном цехе Мурманского государственного технического университета. Устройство для непрерывного бесконтактного измерения температуры показано на рисунке 2.4. В данном техническом решении стационарный инфракрасный датчик температуры, представленный моделью «Кельвин ИКС 4-20» фирмы ЗАО «Евромикс» (1), устанавливается в съёмную насадкуфиксатор (8), расположенную в охлаждающем стакане (7), препятствующем выходу газов, тёплого воздуха из термокамеры. Контактная группа проводов датчика (питание, информационные линии) пропускается через резиновое кольцо- 73 уплотнитель (2), которое в свою очередь предназначено для герметизации устройства в местах резьбовых соединений [35]. Рисунок 2.4 - Устройство для непрерывного бесконтактного измерения температуры с использованием стационарного инфракрасного датчика температуры: 1 - стационарный инфракрасный датчик температуры; 2 - резиновое кольцоуплотнитель для вывода контактной группы проводов стационарного инфракрасного датчика (питание, информационные линии); 3 - вход водяного охлаждения; 4 - шланг для водяного охлаждения; 5 - выход водяного охлаждения; 6 - резиновое кольцо-уплотнитель охлаждающего стакана; 7 - охлаждающий стакан (представлен в разрезе); 8 - съемная насадка-фиксатор стационарного инфракрасного датчика температуры; 9 – удлиняющая труба; 10 - резьба; 11 - крепежное соединение к корпусу термокамеры; 12 - резиновое кольцо-уплотнитель; 13 - крепежные отверстия. 74 Перемещаясь по резьбе (10), устройство позиционируется и фиксируется к термокамере с помощью крепёжного соединения (11). Для дополнительного охлаждения стационарного инфракрасного датчика используется система водяного охлаждения (3 – вход водяного охлаждения; 4 – шланг для водяного охлаждения; 5 – выход водяного охлаждения). Использование удлиняющей трубки позволяет (9): - ограничить область визирования стационарного инфракрасного датчика; - препятствовать попаданию в область визирования датчика сторонних инфракрасных излучений; - обеспечивать удалённость чувствительного элемента стационарного инфракрасного датчика температуры от термокамеры, тем самым уменьшая тепловое воздействие на него. Способ непрерывного бесконтактного измерения температуры поверхности рыбы в термокамерах сушильных установок, основанный на применении разработанного устройства Перед запуском термокамеры в работу, устройство для бесконтактного измерения температуры в результате проделанных операций должно быть жестко зафиксировано к корпусу термокамеры. Удлиняющая труба направлена на сырье, температуру которого необходимо измерять. Информационные линии от датчика должны быть выведены либо на индикатор, либо в систему автоматического управления работой термокамеры. По мере изменения температуры в термокамере, сырье испускает тепловое электромагнитное излучение, величина интенсивности которого связана с температурой. стационарный Тепловое электромагнитное инфракрасный преобразование в датчик электрический излучение температуры, сигнал. где передаётся на происходит его Электрический сигнал по информационным линиям далее поступит либо на индикатор, либо в систему автоматического управления работой термокамеры. Благодаря конструкции устройства для непрерывного бесконтактного измерения температуры, стационарный инфракрасный датчик будет измерять температуру только той 75 части сырья, на которую направлена удлиняющая трубка, одновременно отсекая сторонние инфракрасные излучения. Разработанное устройство обладает следующими достоинствами: - позволяет использование стационарных температуры разных производителей и разной герметичных термокамерах пищевых инфракрасные датчиков конфигурации в любых производств, ввиду уникальной разработанной конструкции устройства; - позволяет использовать стационарные инфракрасные датчики температуры с показателями визирования порядка 1:1 без потери точности измерения температуры, ввиду принудительного ограничения области визирования; - обладает компактностью и простотой конструкции; - обеспечивает температурную и механическую защиту стационарного инфракрасного датчика температуры; Работоспособность устройства была проверена исследованием, аналогичным исследованию, представленному в пункте 2.2.2. Результаты исследования дали аналогичные результаты. Таким образом, разработано устройство для непрерывного бесконтактного измерения температуры, которое позволяет использовать инфракрасные датчики температуры с показателями визирования порядка 1:1 в термокамерах пищевых производств, и предложен способ измерения температуры с использованием данного устройства. Устройство обеспечивает удалённость чувствительного элемента датчика от термокамеры, тем самым уменьшая тепловое воздействие на него. Ограничение области визирования препятствует регистрации сторонних инфракрасных излучений. Простота и функциональность устройства позволяют использовать его на большом спектре оборудования пищевой промышленности (сушильные установки, печи, дымогенераторы), а также получать готовую продукцию с ожидаемыми потребительскими параметрами. 76 2.2.4 Выбор средств автоматики При выборе производителя средств автоматики, являющейся основным элементом программно-аппаратного комплекса автоматического управления процессами нагрева и обезвоживания рыбы, основными критериями были: - доступность производителя, низкие сроки поставки оборудования. - качество и надёжность оборудования; - поддержка типовых стандартов и интерфейсов; - ассортимент оборудования. Всем данным критериям в полной мере соответствует российский производитель автоматики – фирма «ОВЕН», Аппаратная часть комплекса состоит из таких элементов аналогового и дискретного ввода/вывода информации, как: МВУ8, МВА8, МДВВ, БУСТ2 и другие. Управление малогабаритной сушильной установкой осуществляется с помощью персонального предназначен для компьютера взаимного благодаря электрического прибору АС4, преобразования который сигналов интерфейсов USB и RS-485 с обеспечением гальванической изоляции входов между собой. Элементы аналогового и дискретного ввода/вывода информации работают в сети RS-485 по стандартному протоколу «ОВЕН», являющемуся разновидностью протокола ModBus. 2.2.5 Исследование спектра излучения кварцевых, галогенных ламп КГТ 220-1000-1 Кварцевые, галогенные лампы с термоизлучателем КГТ 220-1000-1 фирмы «Лисма», используются в малогабаритной сушильной установке для получения инфракрасной (радиационной) сушки гидробионтов, поэтому необходимо знать спектр и особенности излучения данных ламп. 77 Разложение излучения ламп КГТ 220-1000-1 в спектр возможно на основе дифракционного эффекта. Под дифракционным эффектом понимается отклонение волн от прямолинейного распространения при прохождении вдоль края препятствия. Спровоцировать такое отклонение возможно с помощью специального спектрального прибора - дифракционной решёткой. При прохождении излучения, сформированного лампой КГТ через дифракционную решётку с периодом 0.02 мм, можно наблюдать дифракционный эффект. Сектор излучения лампы КГТ, зафиксированный цифровой ПМЗ фотоматрицей Olympus MJU-400 Digital, представлен на рисунке 2.5. Рисунок 2.5 – Разложение излучения ламп КГТ 220-1000-1 в спектр Как видно из рисунка 2.5, разложение в спектр можно наблюдать уже на первом максимуме. В спектре излучения применяемых ламп хорошо заметны волны видимого диапазона 380 нм – 730 нм. Однако лампы КГТ предназначены для создания лучистого потока в ближней инфракрасной области спектра, то есть с длинами волн большими чем 730 нм. По данным инструкции по эксплуатации ламп КГТ [68], рабочая температура тела канала (нити) составляет 2500 К. В соответствии с законом смещения Вина, длина волны, при которой энергия излучения тела максимальна, определяется по формуле: 𝑏 𝜆= , 𝑇 где b – постоянная Вина, равная 0,002898 м×К; T – температура. (2.2) 78 Таким образом, для ламп КГТ длина волны максимального излучения составляет: 𝜆= 𝑏 0,002898 = = 0.0000011592 м или 1159,2нм 2500 𝑇 Длина волны 1159,2 нм как раз соответствует ближней инфракрасной области спектра (730 нм - 2500 нм). Человеческий глаз в силу своих физиологических особенностей не способен зафиксировать инфракрасное излучение, поэтому на практике, для определения эффективной длины волны инфракрасного излучения в качестве регистратора инфракрасного излучения использовались цифровые фото матрицы, построенные по технологии ПЗС и КНОП, таблица 2.9. Для устранения волн видимого спектра, а также для зашиты ПЗС и КНОП матриц, применялись фильтры типа B+W 093 (#87C). Данный фильтр не пропускает длины волн видимого диапазона и позволяет делать монохромные фотоспективы. Таблица 2.9 – Цифровые фото матрицы Модель фотоматрицы Olympus MJU-400 Digital Samsung s5610 Defender G-lens 323-I Технология ПЗС Разрешение, млн пикселей 4,23 Чувствительность к ИК диапазону + КМОП КМОП 4,91 0,3 + + Определение длины волны инфракрасного излучения возможно в сравнении с эталонным источником света известной длины волны. В качестве эталонного источника света был выбран монохромный лазерный модулятор с длиной волны 680 нм. Общая схема эксперимента представлена на рисунке 2.6. 79 Рисунок 2.6 – Общая схема эксперимента На рисунке 2.7 представлены фотоспективы дифракционного эффекта инфракрасного излучения ламп КГП (верхняя часть) и эталонного источника света (нижняя часть) при напряжении на 220 В, полученные с применением выбранных фотоматриц. Учитывая то, что фотоматрицы имеют различное разрешение в млн мегапикселей, получаемые фотоспективы единому масштабу относительно эталонного источника излучения. Рисунок 2.7 – Разложение излучения ламп КГТ 220-1000-1 в спектр приведены к 80 Как видно из рисунка 2.7, расположение максимумов исследуемого источника излучения относительно эталонного совпадает на всех фотоспективах. Для определения длины волны инфракрасного излучения в сравнении с эталонным источником света известной длины волны в упрощённом варианте, не учитывающем преломление света оптическими системами ПЗС и КНОП матриц, можно воспользоваться схемой, представленной на рисунке 2.8. Максимумы дифракционной решётки, наблюдаемые под углами 𝛼 и 𝛼′ описываются формулами: 𝑑 sin 𝛼 = 𝑘𝜆; (2.3) 𝑑 sin 𝛼′ = 𝑘𝜆′, где (2.4) d – период дифракционной решетки; k – номер максимума, в исследовании равный 1. По рисунок 2.8 синусы углов 𝛼 и 𝛼′ можно выразить как: sin 𝛼 = 𝐿1 𝐿2 = 𝑘𝜆 𝑑 ; sin 𝛼′ = 𝐿1′ 𝐿2′ = 𝑘𝜆′ 𝑑 . (2.5) L1, L1’ - расстояния до первого максимума эталонного источника излучения и лампы КГТ; R – расстояние от дифракционной решетки до фото матрицы; 𝛼, 𝛼’ - углы максимума эталонного источника излучения и лампы КГТ; L2, L2’ – гипотенузы, образованные максимумами эталонного источника излучения и лампы КГТ Рисунок 2.8 – Дифракция исследуемого источника излучения и эталонного 81 Длина волны инфракрасного излучения лампы КГТ можно выразить как: 𝜆′ = 𝑑 ∙sin 𝛼 ′ 𝑘 = 𝑑∙𝐿1′ 𝑘∙𝐿2′ . (2.6) 𝐿2′ можно выразить через переменную R, зная длину волны эталонного источника излучения. 𝑅2 = 𝐿22 − 𝐿12 = 𝐿2′2 − 𝐿1′2 (2.7) 𝐿1∙𝑑 2 𝐿2′ = √𝐿22 − 𝐿12 + 𝐿1′2 = �� 𝑘𝜆 � − 𝐿12 + 𝐿1′2 (2.8) Длина волны инфракрасного излучения лампы КГТ будет рассчитываться: 𝜆′ = 𝑘∙�� 𝑑∙𝐿1′ 𝐿1∙𝑑 2 � −𝐿12 +𝐿1′2 𝑘𝜆 . (2.9) Как видно из формулы, размерность переменных L1 и L1’ не влияет на результаты расчётов, поэтому достаточным условием будет их определение в условных единицах, например в миллиметрах по соответствующим фотоспективам. Таким образом по фотоспективе, представленной на рисунке 2.X+2, значения величин L1 и L1’ составляют 15 и 25,6 условных единиц. ′ 𝜆 = 0.02 ∙ 10−3 ∙ 25,6 −3 2 15 ∙ 0.02 ∙ 10 1 ∙ �� � − 152 + 25,62 1 ∙ 680 ∙ 10−9 = 0.00000116 м = 1160 нм Определённая длина волны инфракрасного излучения лампы КГТ совпадает с рассчитанной длиной волны по закону Вина в номинальном режиме работы. Исследования, отражённые в трудах А.С. Гинзбурга, показывают аналогичные результаты [1.20, 109]. Вместе с тем, с изменением напряжения на клеммах лампы, меняется и эффективная длина волны. От 1160 нм при 220 В до 1800 нм при 50 В. Как показали исследования, в зависимости от подводимой к инфракрасным лампам мощности, меняется температура колбы лампы и как следствие энергия теплового излучения, таблица 2.10. 82 Таблица 2.10 – Зависимость энергии теплового излучения ламп КГТ от мощности инфракрасных ламп. Мощность ИКламп, % Температура колбы лампы, °С Общая энергия теплового излучения по закону Стефана — Больцмана, Вт/м2 50 60 70 80 90 100 250 277 296 315 330 344 4051.40 4955.06 5680.50 6448.60 7132.91 7870.28 Таким образом, как показали исследования, кварцевые, галогенные лампы с термоизлучателем КГТ 220-1000-1 имеют широкий спектр излучения, в который входят как волны видимого диапазона, так и инфракрасные. Вместе с тем, эффективные длины волн, на которые приходится максимум излучения, лежат в коротковолновой инфракрасной области и имеют длину 1160 нм. При изменении подводимое напряжение к лампам КГТ, изменяется интенсивность воздействия инфракрасных волн на поверхность гидробионтов подверженных процессу нагрева и обезвоживания, что в свою очередь влияет на температуру их поверхностного слоя. 2.3 Выбор программного обеспечения для проведения экспериментов Рынок специализированного программного обеспечения в области управления средствами автоматики достаточно мал, среди предлагаемых продуктов можно выделить Master-SCADA, TRACE MODE, Winlog Pro. Однако данные продукты не позволят в полной мере реализовать задуманный потенциал оснащения малогабаритной сушильной установки телекоммуникационным обеспечением с использованием сетевых технологий и средств мобильной связи. Поэтому было малогабаритной разработано сушильной собственное установки для программное проведения обеспечение экспериментов, позволяющее реализовать все исследуемые в работе режимы функционирования малогабаритной сушильной установки с целью определения и реализации 83 основных направлений совершенствования процесса тепловой обработки и обезвоживания рыбы. Программная часть программно-аппаратного комплекса автоматического управления процессами тепловой обработки рыбы состоит из следующих элементов: − программное обеспечение «Система автоматического управления малогабаритной сушильной установкой»; − программное обеспечение «Конструктор алгоритма работы малогабаритной сушильной установки»; − программное обеспечение «Анализатор экспериментальных данных САУ МСУ»; − программное обеспечение «Автоматизированное рабочее место удаленного доступа к САУ МСУ»; − программное обеспечение «Мобильный обозреватель САУ МСУ»; − программное обеспечение «Моделирование процессов термической обработки гидробионтов»; − web-приложение системы автоматического управления; − программный модуль «DATAREADER»; − программный модуль «WEBCAM»; − программный модуль «Конфигуратор САУ МСУ». Программная часть комплекса позволяет реализовать как ручное, так и автоматическое управление технологическими процессами получения соленосушёных и копчёных изделий с использованием программного обеспечения «Система автоматического управления малогабаритной сушильной установкой». Эксперименты по построению математической модели установки, а также модели распределения температурных полей выполнялись исключительно в ручном режиме работы программного обеспечения. Благодаря программным модулям «DATAREADER» и «WEBCAM», выполнялось удалённое управление программно-аппаратным комплексом на базе 84 программного обеспечения «Автоматизированное рабочее место удалённого доступа к САУ МСУ». Использование программного обеспечения «Мобильный обозреватель САУ МСУ» позволило в online-режиме по телекоммуникационным каналам связи (мобильная связь, интернет) производить контроль основных параметров программно-аппаратного комплекса. Все программные и конструктивные разработки зарегистрированы в Федеральном государственном бюджетном учреждении «Федеральный институт промышленной собственности». 2.4 Математическое описание изменения температуры в термокамере малогабаритной сушильной установки В настоящее время один из самых мощных инструментов познания, анализа и проектирования, которым располагают специалисты, ответственные за разработку и функционирование сложных технологических процессов и производств является компьютерное моделирование. Компьютерное моделирование даёт возможность инженеру экспериментировать с объектами в тех случаях, когда делать это на реальном объекте практически невозможно или нецелесообразно. Сущность методологии компьютерного моделирования состоит в замене исходного технологического объекта математической моделью и изучение модели с помощью реализуемых на компьютерах вычислительнологических алгоритмов. При разработке и определении эффективных режимов работы необходимо наличие и использование математической модели процесса тепловой обработки рыбы в термокамере малогабаритной сушильной установки. Модель процесса позволят сократить затраты времени на подготовку и проведение экспериментов, а также способствует симуляции различных режимов тепловой обработки рыбы. Разрабатывая модель процесса тепловой обработки рыбы необходимо учитывать, что управляя исполнительными механизмами лампами и трубчатым электронагревателем) возможно (инфракрасными сформировать в 85 термокамере оптимальный определённое температурное температурный режим. поле, система То управления есть, формируя воздействует на полуфабрикат и в зависимости от параметров тепловой обработки формирует готовый продукт – сушёную или вяленую рыбу, рыбу горячего или холодного копчения. Для определения математической модели малогабаритной сушильной установки, а именно её функциональной схемы была поставлена и проведена серия экспериментов, как с использованием трубчатого электронагревателя, так и с использованием ламп инфракрасного излучения. На изменение температуры в термокамере будут влиять как инфракрасные лампы, так и трубчатый электронагреватель. На рисунке 2.9 представлена функциональная схема малогабаритной сушильной установки. Рисунок 2.9 – Функциональная схема малогабаритной сушильной установки как объекта управления Основными воздействиями, прикладываемыми к исполнительным механизмам малогабаритной сушильной установки в процессе тепловой обработки, а также основными технологическими параметрами являются: Ртэн – мощность, подводимая к трубчатому электронагревателю; Рвент – мощность, подводимая к центробежному вентилятору; Рик – мощность, подводимая к инфракрасным лампам; 86 Ткам – температура в термокамере. Начальными условиями будет являться Токр – температура окружающей среды. В соответствии с функциональной схемой на выходной параметр Ткам будут влиять Ртэн, Рвент, Рик и формируемые ими Ттэн и Тик. Центробежный вентилятор будет функционировать в двух режимах: «простой» или «работа», формируя движение сушильного агента. Трубчатые электронагреватели расположены за пределами термокамеры в камере нагрева воздуха. При подводе мощности Ртэн, тепло Ттэн, выделяемое трубчатыми электронагревателями, будет поступать в термокамеру малогабаритной сушильной установки только при режиме центробежного вентилятора «работа». При определении эффективных режимов тепловой обработки следует учитывать влияние не только температуры в термокамере и относительной влажности сушильного агента, но и температуру поверхности, внутреннюю температуры полуфабриката, а также его массу. На рисунке 2.10 представлена функциональная схема формирования исходных температур для реализации процессов нагрева и обезвоживания рыбы. Рисунок 2.10 – Функциональная схема формирования исходных температур. Значения температур Тпов, Твн зависят в общем случае от температуры Ткам, с учетом функций преобразования К2 и К1. В процессе прогрева рыба 87 выделяет влагу, которая на функциональной схеме отмечена как φкам1 и образуется за счёт функций преобразования Т1 и Т2. Влага φкам1 будет влиять на относительную влажность сушильного агента в термокамере малогабаритной сушильной установки. На малогабаритной сушильной установке была поставлена серия экспериментов. Исследовались переходные процессы Ткам при использовании трубчатого электронагревателя и инфракрасных ламп в максимальных режимах работы. В качестве рыбного образца, для исследования использовались образцы сельди удельной поверхностью 0,02 м2/кг и средней толщиной 3 см с начальным содержанием соли 2-2,5 %. Были поставлены следующие эксперименты: - нагрев до установившихся температур Ткам при работе трубчатого электронагревателя на 100 % мощности. - нагрев до установившихся температур Ткам при работе инфракрасных ламп на 100 % мощности. - нагрев до установившихся температур Ткам при работе трубчатого электронагревателя и инфракрасных ламп на 100 % мощности. Графики переходных характеристик представлены на рисунке 2.11 и наглядно демонстрируют различия в характере кривых Ткам при использовании различных исполнительных механизмов в максимальном режиме их работы. Так как изменение температуры Ткам было получено при работе исполнительных механизмов на 100 % подводимой к ним мощности, то целесообразно определить передаточную функцию изменения температуры в термокамере малогабаритной сушильной установки по переменной Ткам и идентифицировать её как передаточную функцию объекта управления второго порядка вида: 𝑊(𝑝) = 𝐾 (1+𝑇1 𝑝)(1+𝑇2 𝑝) , 𝑇1 < 𝑇2 (2.10) 88 Рисунок 2.11 – Переходные характеристики Ткам при различных режимах работы малогабаритной сушильной установки Для определения передаточной функции второго порядка по переходной характеристике было разработано программное обеспечение «Идентификация модели термообъекта по переходной характеристике» [107], рисунок 2.12. Функционирование программного обеспечения основывается на методике, предложенной д.т.н. А.В. Нетушила. Для объекта второго порядка уравнение передаточной функции будет иметь следующий вид: Рисунок 2.12 – Программное обеспечение «Идентификация модели термообъекта по переходной характеристике» 89 𝐻(𝑡) = 1 + 𝑑 1−𝑑 𝑡 𝑒 −𝑇1 − 𝑑 1−𝑑 𝑡 𝑒 −𝑇1𝑑 (2.11) В уравнении d = T1/T2, учитывая, что T1 < T2 будем иметь 0 < d < 1. Программное обеспечение «Идентификация модели термообъекта по переходной характеристике» на основе введённых постоянных времени Ta, Tb, Tc и решая следующую систему уравнений позволяет определить постоянные времени T1 и Т2: Та = Т1 ( ln 𝑑 𝑑−1 Т𝑏 = Т1 𝑑 −1 1−𝑑 + 1+𝑑 𝑑 −1 − 𝑑 1−𝑑 ) Т𝑐 = Т1 + Т2 (2.12) По виду переходных характеристик графика 2.12 были определены передаточные функции изменения температуры в термокамере, при возмущающем воздействии от исполнительных механизмов для каждого режима. Результаты представлены в таблице 2.11. Таблица 2.11 – Передаточные функции изменения температуры в термокамере Параметр Передаточная функция С трубчатым электронагревателем 1 Температура в термокамере 𝑊мсу = 2 264227𝑝 + 1474𝑝 + 1 С инфракрасными лампами 1 Температура в термокамере 𝑊мсу = 2 89980𝑝 + 1022𝑝 + 1 Комбинированный режим 1 Температура в термокамере 𝑊мсу = 2 135300𝑝 + 736𝑝 + 1 Смоделированные с помощью полученных передаточных функций переходные процессы изменения температуры в термокамере малогабаритной установки были сравнены с экспериментальными данными. Анализ переходных процессов показал, что полученные в результате моделирования передаточные функции достоверно описывают экспериментальные данные, рисунке 2.13. Максимальная ошибка не превышает 5 %. 90 Работа ТЭН Работа ИК-ламп Комбинированный режим Рисунок 2.13 – Переходные характеристики Ткам при различных режимах работы малогабаритной сушильной установки Наличие математической модели изменения температуры в термокамере позволяет производить дальнейший расчёт передаточных функций изменения внутренней температуры и температуры поверхности рыбы в зависимости от изменения температуры в термокамере для различных образцов рыбы. 91 2.5 Исследование распределения температурных полей в работающей малогабаритной сушильной установке. Определение эффективной температуры Важную роль при построении системы автоматического управления малогабаритной сушильной установкой играет исследование распределения температурных полей её термокамеры при различных режимах работы. Как показывает практика, датчики температуры зачастую не отражают фактическую температуру измеряемого объекта, если размеры этого объекта довольно таки большие и объект прогрет неравномерно. Это связано в прежнюю очередь со спецификой объекта исследования. Рассматривая термокамеру малогабаритной сушильной установки можно также говорить о сложной модели её температурного поля. Для определения эффективной температуры, то есть наиболее точно описывающей температуру в термокамере, необходимой оценить место расположения контактного датчика температуры. Модель распределения температурных полей можно получить на основе анализа инфракрасного излучения поверхности стенок термокамеры. Распределение температурных полей исследовалось с помощью бесконтактного инфракрасного датчика температуры Кельвин ИКС 4-20 фирмы ЗАО «Евромикс» [95]. Замеры проводились при достижении температуры в термокамере, измеренной термопреобразователем сопротивления ДТС045 типа ТСП фирмы «ОВЕН», значений 70 °С при режиме работы с трубчатым электронагревателем и 100 °С при режиме работы с инфракрасными лампами и комбинированном. Результаты представлены на рисунках 2.14-2.16. При работе установки в комбинированном и инфракрасном режимах нагрева, поверхности стенок термокамеры имеют практически идентичное температурное поле, ввиду усиленного влияния в обоих режимах инфракрасных ламп, расположенных в верхней части термокамеры. 92 Рисунок 2.14 – Распределение температур на поверхности стенок термокамеры при режиме работы с трубчатым электронагревателем при 70 °С Рисунок 2.15 – Распределение температур на поверхности стенок термокамеры при режиме работы с инфракрасными лампами при 100 °С 93 Рисунок 2.16 – Распределение температур на поверхности стенок термокамеры в комбинированном режиме при 100 °С На рисунках 2.14 - 2.16 представлены 3D модели термокамеры малогабаритной сушильной установки. Для наглядности представлен вид спереди при открытой двери загрузки-выгрузки продукции. Градиентной заливкой обозначено распределение температур на поверхности стенок термокамеры в различных режимах функционирования установки. Как показывают технологических режимах проведённые сушки имеет эксперименты, место температурных полей. Поэтому для контроля при различное различных распределение температуры в термокамере малогабаритной сушильной установки будет недостаточно одного датчика температуры. Температурное поле в термокамере будет иметь свои экстремумы температур, как минимальной (Ткам(min)), так и максимальной (Ткам(max)). Различия в величинах максимальных и минимальных температур для режимов работы с трубчатым электронагревателем, с инфракрасными лампами и комбинированного режима представлены на рисунках 2.17 - 2.19. 94 Ткам(max) Ткам(min) Рисунок 2.17 – Изменения температур Ткам(min), Ткам(max) при режиме работы с трубчатым электронагревателем Ткам(max) Ткам(min) Рисунок 2.18 – Изменения температур Ткам(min), Ткам(max) при режиме работы с инфракрасными лампами Ткам(max) Ткам(min) Рисунок 2.19 – комбинированном режиме Изменения температур Ткам(min), Ткам(max) в 95 Корректным будет расчёт средней температуры в термокамере, произведённый на основе данных от нескольких датчиков температуры, вмонтированных на противоположенных стенках малогабаритной сушильной установки, в местах, где значения температуры имеют экстремумы (минимальное и максимальное значение). Корреляционная связь между минимальным и максимальным значением температуры в термокамере в виде полиномной регрессии была получена с помощью программного обеспечения Statgraphics 3 с вероятностью 99,9904 % для исследуемых режимов, таблица 2.12. Таблица 2.12 – Корреляционные зависимости между переменными Ткам(min), Ткам(max) Режим С трубчатым электронагревателе м С инфракрасными лампами Комбинированный Зависимость Ткам(min) = 10,73 +0,65 Ткам(max) + 0,00046 Ткам(max)2 Ткам(min) = 9,69 + 0,66 Ткам(max) + 0,00076 Ткам(max)2 Ткам(min) = 9,81 + 0,64 Ткам(max) + 0,00086 Ткам(max)2 Вместе с тем, будет рациональным, для уменьшения себестоимости малогабаритной сушильной установки, использовать один датчик температуры в термокамере, но вводить корректировку в его показания на основе представленных выше расчётов. Программное обеспечение «Statgraphics Plus» позволяет с долей вероятности 99,72 % определить, что для всех режимов функционирования малогабаритной сушильной установки минимальная температура температурного поля будет определяться по формуле: Ткам(min) = 11,14 + 0,62 Ткам(max) + 0,00086 Ткам(max)2. (2.13) 96 При условии, что датчик температуры измеряет температуру в наиболее прогретом месте термокамеры (Ткам(max)), усреднённое значение температуры в термокамере, исходя из формулы 2.13 можно производить по формуле: Ткам = 1.62 Ткам(max) +0.00086 Ткам(max)2 2 Таким образом, используя + 5.57. (2.14) полученную корреляционную зависимость можно свести к минимуму ошибки при определении эффективной температуры контактными датчиками. Определение эффективной температуры даёт возможность дальнейшего корректного исследования оптимальных режимов сушки. Стоит отметить, что данный способ расчётов будет эффективным и для сушильных установок с другими габаритными размерами и областью применения. 2.6 Выводы по второй главе Разработана малогабаритная сушильная установка для исследования процессов нагрева и обезвоживания рыбы и определения оптимальных с точки зрения энергоэффективности и интенсивности режимов обработки. Произведено тестирование инфракрасных датчиков температуры и выявлены их основные недостатки (трудность позиционирования над сырьём, дороговизна датчиков с хорошими значениями показателя визирования). С учётом выявленных бесконтактного недостатков разработано устройство для непрерывного измерения температуры с использованием инфракрасных датчиков температуры в термокамерах пищевых производств, и предложен способ измерения температуры с использованием данного устройства. Приведён и обоснован выбор аппаратного обеспечения и средств автоматики – российской фирмы «ОВЕН», а также программного обеспечения для проведения экспериментов исследования. 97 Предложены аппроксимирующие температурные модели малогабаритной сушильной установки, используемые в ходе оптимизации управления температурой в термокамере. Выполнено математическое описание изменения температуры в термокамере малогабаритной сушильной установки для разных исследуемых режимов обезвоживания (конвективного, инфракрасного, комбинированного) с помощью передаточных функций. Разработана и приведена функциональная схема формирования температуры поверхности рыбы, внутренней температуры рыбы при процессах нагрева и обезвоживания. Исследовано малогабаритной распределение сушильной температурных установке при полей различных в работающей режимах сушки. Выполнено 3D моделирование термокамеры в инфракрасном спектре. Выявлены наиболее и наименее прогретые места в термокамере, определены корреляционные зависимости между ними. Сформулированы рекомендации по корректному определению температуры в сушильных установках. Предложенные математические модели легли в основу разрабатываемых алгоритмов программно-аппаратного комплекса автоматического оптимального управления малогабаритной сушильной установкой. 98 Глава 3 Результаты экспериментальных исследований процессов тепловой обработки рыбы 3.1 Исследование влияния режимов обезвоживания рыбы на энергоэффективность и интенсификацию процессов в пищевой рыбной промышленности Как отмечалось в первой главе, выбор рациональных режимов тепловой обработки рыбы является одним из способов интенсификации и снижения энергоёмкости процессов обезвоживания рыбы (сушки, вяления, горячего копчения). Для исследования влияния режимов тепловой обработки рыбы на энергоэффективность и интенсивность процессов обезвоживания на малогабаритной сушильной установке, была поставлена и проведена серия экспериментов. В ходе экспериментов сопоставлялись технологии обезвоживания рыбного сырья с использованием распространённой в промышленности конвективной обработки (с применением трубчатого электронагревателя), с использованием радиационной (инфракрасной) обработки за счёт ламп инфракрасного излучения, а также с использованием комбинированного способа обработки (конвективно-радиационная обработка). Комбинированный способ представляет собой способ, при котором обезвоживание рыбы происходит как под действием тепла, вырабатываемого трубчатым электронагревателем, так и под действием инфракрасного излучения инфракрасных ламп, которые работают синхронно. В качестве рыбного сырья использовались традиционные объекты промысла северного бассейна – мойва и путассу. Стоит отметить, что малогабаритная сушильная установка использовалась без разработанных режимов циркуляции воздушных потоков в сушильной камере - «Heating unit boost», описание которых представлено в разделе 3.2. Эксперименты были объединены общими начальными условиями. Условия проведения экспериментов представлены в таблице 3.1. 99 Относительная влажность воздуха в цехе во время проведения экспериментов, рассчитанная с использованием психрометра составляла в среднем 77,5 %. Отбирались образцы рыбы с одинаковыми размерно-массовыми характеристиками. Средняя масса мойвы составляла 26 грамм. Средняя масса путассу составляла 70 грамм. Таблица 3.1 – Начальные условия эксперимента Условие 130 132 131 210 207 208 3,2 3,1 3,1 3,5 3,6 3,5 ТЭН Влажность рыбы на общую массу, % Контрольная масса, г Содержание поваренной соли, % В Комбин. режим 77 ТЭН 77 Мойва ИКЛампы 78 экспериментах с использованием 78 Путассу ИКЛампы 78 трубчатого Комбин. режим 77 электронагревателя сушильный агент нагревался в камере нагрева воздуха и направлялся в термокамеру малогабаритной сушильной установки. В случае использования инфракрасного излучения сушильный агент нагревался непосредственно в термокамере, за счёт контакта с поверхностью, разогретой инфракрасными лучами. Инфракрасные лампы находились на уровне 15 см над полуфабрикатом. Температура в термокамере, поддерживаемая системой автоматического управления малогабаритной сушильной установкой, составляла для экспериментов по обезвоживанию мойвы и путассу 50 °С и 60 °С соответственно. Вместе с тем, помимо температуры в термокамере установки, производился оперативный контроль температуры поверхности обезвоживаемого сырья. Температура поверхности обезвоживаемого сырья для экспериментов по обезвоживанию мойвы и путассу в среднем составляла 45 °С и 55 °С соответственно. Контроль температуры поверхности полуфабриката стал возможным благодаря разработанному устройству для непрерывного бесконтактного 100 измерения температуры с использованием стационарного инфракрасного датчика. В качестве инфракрасного датчика использовался датчик серии CT фирмы Optris. В ходе взвешивания процесса обезвоживания полуфабриката с целью производились определения его промежуточные массопотерь и установления закономерностей обезвоживания рыбы. Эксперименты проводились до момента потери полуфабрикатами мойвы 40 % массы от первоначальной контрольной величины, а полуфабрикатами путассу – 30 % массы от первоначальной контрольной величины [38]. Кривые кинетики массопотерь мойвы для трёх исследуемых способов обезвоживания представлены на рисунке 3.1, а кривые кинетики массопотерь путассу представлены на рисунке 3.3. На рисунках 3.2, 3.4 изображены кривые распределения влаги по толщине мойвы и путассу с применением исследуемых режимов в заключительной фазе перераспределения влаги на 223 и 180 минуте соответственно. 140 Контрольная масса, г 130 120 110 100 90 80 70 60 0 43 ТЭН 73 103 133 Продолжительность, мин ИК-лампы 163 193 223 Комбинированный режим Рисунок 3.1 - Кривые кинетики массопотерь мойвы для исследуемых способов обезвоживания Как видно из графиков, процесс обезвоживания рыбы протекает достаточно интенсивно даже при относительно плотной загрузке камеры сырьём. Сравнивая обезвоживание с использованием конвективной составляющей с инфракрасным 101 обезвоживанием можно сделать вывод о том, что процессы с использованием инфракрасного излучения доходят до ожидаемого порога массопотерь дольше, чем с использованием трубчатого электронагревателя в среднем на 30 минут. Рисунок - 3.2 Кривые распределения влаги по толщине мойвы для исследуемых способов обезвоживания Анализируя работу комбинированного способа обезвоживания можно судить о том, что до ожидаемого порога массопотерь полуфабрикаты доходят быстрее, чем в остальных случаях. Комбинированный способ является Контрольная масса, г оптимальным с точки зрения временных затрат на процесс обезвоживания рыбы. 225 205 185 165 145 125 0 20 ТЭН 40 60 80 100 Продолжительность, мин ИК-лампы 120 140 160 180 Комбинированный режим Рисунок 3.3 - Кривые кинетики массопотерь путассу для исследуемых способов обезвоживания 102 Работа малогабаритной сушильной установки в комбинированном режиме является наиболее оптимальной для достижения заданных значений массопотерь, так как сокращение затрат времени при сушке мойвы и путассу по сравнению с режимом трубчатых электронагревателей составляет 15 % и 12,5 % соответственно. Рисунок 3.4 - Кривые распределения влаги по толщине путассу для двух исследуемых технологий Такая высокая интенсивность обезвоживания комбинированного режима работы малогабаритной сушильной установки обуславливается тем, что инфракрасные лампы работали не на полную мощности. Лампы марки КГТ 220-1000-1 создают лучистого потока в ближней инфракрасной области спектра. При работе на полную мощность в лампах помимо инфракрасного излучения присутствует большая составляющая светового излучения. При работе на малой мощности, когда подводимое напряжение составляет примерно 44-55 В, имеет место преимущественно инфракрасное излучение [19]. Учитывая особенность расположения инфракрасных ламп, можно сделать вывод о том, что в комбинированном режиме в термокамеру попадает уже подогретый трубчатыми электронагревателями тепловой агент. 103 При инфракрасной сушке, значительная часть энергии расходуется на подогрев стенок термокамеры установок и как следствие, подогрев сушильного агента, имеющего начальную температуру окружающей среды. Система управления малогабаритной сушильной установки в постоянном режиме ведёт архивацию всех данных технологического процесса сушки рыбы. Для анализа проведённых экспериментов и обработки заархивированных данных использовалось программное обеспечение «Анализатор экспериментальных данных системы автоматического управления малогабаритной сушильной установкой». Сводные данные по сравнению используемых технологий обработки полуфабрикатов представлены в таблице 3.2. Таблица 3.2 – Сводные данные Параметр 2 2 4 2 2 4 90 43 44,91 100 47 49,32 193 223 163 160 180 140 5,8 3,2 4,9 5,3 2,8 4,6 ТЭН Начальная масса, г Конечная масса, г Массопотери, % Температура в термокамере, °С Мощность исполнительных механизмов, кВт Средняя подаваемая мощность, % Продолжительность, мин Затраты эл. энергии, кВт·ч Затраты Комбин. способ 131 78 40,5 45 ТЭН 130 76 41,5 45 Мойва ИКЛампы 132 79 40,1 45 электроэнергии при 210 146 30,5 55 обезвоживании Путассу ИККомбин. Лампы способ 207 208 144 145 30,4 30,2 55 55 мойвы и путассу с использованием трубчатых электронагревателей составили 5,8 и 5,3 кВт•ч соответственно. Тот факт, что малогабаритная сушильная установка в данном исследовании работала не в режиме циркуляции воздушных потоков «Heating unit boost», объясняет, что трубчатые электронагреватели использовались практически на полную мощность, и как следствие, имеет место большой расход электроэнергии. Затраты электроэнергии при обезвоживании мойвы и путассу с 104 использованием инфракрасных ламп уменьшились и составили 3,2 и 2,8 кВт•ч соответственно. Затраты электроэнергии при работе малогабаритной сушильной установки в комбинированном режиме составили 4,9 и 4,6 кВт•ч соответственно, которые показывают, что комбинированный способ обезвоживания был близок к конвективному. Тариф на электроэнергию определялся на основе информации Федеральной службы по тарифам России. По разъяснениям Федеральной службы по тарифам России потребление электроэнергии, а значит и её выработка, происходит неравномерно во времени. Чем более неравномерно осуществляется потребление электрической энергии, тем больше затраты на её производство, то есть больше расход топлива и менее эффективной с экономической точки зрения является генерация электроэнергии. Поэтому цена на электроэнергию дифференцирована в зависимости от режима её потребления. Показателем, характеризующим режим потребления электроэнергии, является число часов в календарном году, в течение которого максимальная мощность используется потребителем полностью. С 1 января 2009 года в Мурманской области установлен одноставочный тариф, дифференцированный по числу часов использования заявленной мощности. Кроме стоимости единицы электроэнергии (1 кВт) этот тариф содержит и стоимость мощности, в зависимости от дифференциации по годовому числу часов её использования. Отнесение потребителя к тому или иному диапазону осуществляется по типовой разбивке групп потребителей по диапазонам ГЧЧИЗМ (годового число часов использования заявленной мощности) в соответствии с пунктом 69 Методических указаний по расчету регулируемых тарифов и цен на электрическую (тепловую) энергию на розничном рынке, утверждённых Приказом Федеральной службы по тарифам РФ № 20-э/2 от 06.08.2004 г. (в ред. Приказа ФСТ РФ от 26.12.2011 № 823-э) [78]. Годовое число часов использования заявленной мощности определяется посредством деления договорной величины электропотребления на заявленную мощность. При этом заявленная мощность – это предельная (максимальная) 105 величина потребляемой мощности в текущий период регулирования, определённая годовым потреблением в соответствии с данными за предыдущий календарный год, полученными на основании приборов учёта, регистрирующих и хранящих фактические получасовые / часовые значения мощности не менее 30 дней. Суммарная стоимость потреблённой электроэнергии без учёта НДС определяется исходя из Федерального округа, Субъекта Российской федерации, гарантирующего поставщика электроэнергии, вида цены (одноставочного/двухставочного/зонного тарифа), уровня напряжения (ВН, СН1, СН2, НН) и объёма потреблённой энергии (кВт•ч) [13]. Для термической обработки рыбного полуфабриката стоимость 1 кВт•ч без учёта НДС составила 1,655 руб. С учётом НДС 18 % стоимость составит 1,953 руб. Расчёт произведён с использованием ценового калькулятора электрической энергии и мощности Федеральной службы по тарифам России для юридических лиц. Расчёт стоимости потреблённой электроэнергии при проведении экспериментов приведён в таблице 3.3. Таблица 3.3 – Расчёт стоимости потреблённой электроэнергии Параметр Затраты электроэнергии, кВт·ч Тариф 1 кВт•ч с учетом НДС, руб. Стоимости потребленной электроэнергии, руб. ТЭН Мойва ИККомбин. Лампы способ ТЭН Путассу ИККомбин. Лампы способ 5,8 3,2 4,9 5,3 2,8 4,6 1,953 1,953 1,953 1,953 1,953 1,953 11,327 6,249 9.569 10,351 5,468 8,983 Полученные в результате расчётов показатели свидетельствуют о том, что при производстве гидробионтов – сушёной и вяленной рыбной продукции, наиболее энергоэффективным оказался режим работы малогабаритной сушильной установки с использованием энергии инфракрасного излучения ламп. Самым 106 энергоемким оказалось производство рыбы с использованием традиционного в рыбной промышленности трубчатого электронагревателя. Комбинированный режим функционирования малогабаритной сушильной установки, при котором исполнительные механизмы работали в синхронном режиме, по энергоёмкости оказался между вышеописанными режимами. Затраты на электроэнергию с использованием инфракрасных ламп в среднем была в два раза ниже, чем при использовании в производственном процессе трубчатых электронагревателей. Так, при производстве мойвы с использованием инфракрасного электроэнергию составила электроэнергию при излучения, экономия в затратах на 5,078 руб., что составляет 45 % от затрат на использовании трубчатых электронагревателей в технологическом процессе. Аналогично, при производстве путассу с использованием инфракрасного излучения, экономия в затратах на электроэнергию составила 4,883 руб., что составляет 47 % от затрат на электроэнергию при использовании трубчатых электронагревателей в технологическом процессе. Затраты на электроэнергию в комбинированном режиме функционирования малогабаритной сушильной установки при производстве сушёной мойвы и путассу составили 9,569 руб. и 8,983 руб. соответственно. Данный способ дороже обезвоживания мойвы и путассу с использованием инфракрасных ламп, но дешевле конвективного способа обезвоживания. Производство сушёной и вяленой рыбопродукции с использованием инфракрасной сушки является энергосберегающим и менее затратным. Экономия в затратах на электроэнергию позволяет снизить себестоимость выпускаемой продукции и повысить прибыль предприятия. Таким образом, исследования определили способ, который позволит снизить потребление электроэнергии при производстве рыбной продукции. Использование в технологических процессах инфракрасных ламп способствует добиться экономии в энергоресурсах по сравнению с традиционной технологией, применяющей трубчатые электронагреватели и их аналоги. Несмотря на 107 незначительное увеличение продолжительности технологического процесса во времени затраты на электроэнергию значительно уменьшаются [36]. Вместе с тем, комбинация использования конвективной и инфракрасной составляющей тепловой обработки положительно сказывается на продолжительность обезвоживания рыбы. С учётом средних энергозатрат на производство готовой продукции можно сделать вывод о том, что комбинированный способ является наиболее сбалансированным. Достигнутая энергоэффективность и интенсивность процесса обезвоживания в рыбной промышленности позволит уменьшить издержки на производство готовой продукции, а также снизить себестоимость готовой продукции. 3.2 Разработка режимов циркуляции воздушных потоков в сушильной камере - «Heating unit boost» С целью снижения энергоёмкости производства сушёной продукции был разработан и опробован на малогабаритной сушильной установке специальный режим циркуляции воздушных потоков «Heating unit boost». Режим циркуляции воздушных потоков «Heating unit boost» представляет собой возможность использования отработанного теплового агента повторно путём его рециркуляции в термокамере. Особенности функционирования режима «Heating unit boost» представлены на рисунке 3.5. 108 Без режима «Heating unit Режим «Heating unit boost - Режим «Heating unit boost - boost» 50» 100» Рисунок 3.5 – Режимы функционирования «Heating unit boost» На малогабаритную установку, работающую по режимам функционирования «Heating unit boost» получен патент РФ на ПМ № 135234 от 10 декабря 2013 г. [84]. В простом режиме работы, без использования режима циркуляции воздушных потоков «Heating unit boost», двусторонний центробежный вентилятор подаёт сушильный агент – воздух из окружающей среды по воздуховоду через камеру нагрева в термокамеру малогабаритной сушильной установки. Данный способ не эффективен ввиду того, что трубчатый электронагреватель, по сути, постоянно должен нагревать сушильный агент, поступающий со скоростью 2 м/с в камеру нагрева, начиная от температуры окружающей среды. Очевидно, что данный способ нагрева сушильного агента не приведёт к быстрому прогреву термокамеры при использовании трубчатых электронагревателей, а максимальная температура в термокамере будет не достаточно высока для горячей сушки рыбы. Режим циркуляции воздушных потоков «Heating unit boost - 50» позволяет организовать полузамкнутый цикл транспортировки сушильного агента. 109 Выставляя вентиляционные заслонки и вентиляционный клапан малогабаритной сушильной установки можно добиться того, что часть отработавшего сушильного агента будет забираться двусторонним центробежным вентилятором и подаваться внутрь термокамеры, проходя повторный нагрев в камере нагрева. Трубчатые электронагреватели в этом случае будут разогревать сушильный агент не с начальной температуры окружающей среды, а с более высокой, определяющейся температурными режимами работы малогабаритной сушильной установки. Режим циркуляции воздушных потоков «Heating unit boost - 100» позволяет организовать полностью замкнутый цикл функционирования малогабаритной сушильной установки. В случае использования данного режима сушильный агент не забирается из окружающей среды, а постоянно циркулирует по воздухопроводам установки. В данном случае теплопотери минимальны. Режим циркуляции воздушных потоков «Heating unit boost - 100» может применяться для прогрева термокамеры малогабаритной сушильной установки непосредственно перед закладкой сырья либо при приготовлении определённых кулинарных блюд. Применение данного режима не рационально в случае сушки ввиду отсутствия фаз влагоотведения. Энергоэффективность использования данных режимов подтверждается проведёнными испытаниями. На рисунках 3.6-3.8 представлены графики изменения температуры во времени при функционировании малогабаритной сушильной установки в режиме конвективной сушки, инфракрасной сушки и в комбинированном режиме, как с использованием режима «Heating unit boost», так и без него. Испытания проводились при относительной влажности входящего в установку свежего воздуха, рассчитанной с использованием психрометра, в среднем 75 %. На исполнительные механизмы подавалось 100 % мощности. 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 1 3 6 Ткам, без Heating boost, °С 9 16 20 22 24 Ткам, Heating boost 100%, °С 30 40 50 60 70 мин Ткам, Heating boost 50%, °С Рисунок 3.6 – Работа трубчатых электронагревателей при режиме циркуляции воздушных потоков «Heating unit boost» Как показывают графики рисунка 3.6 при работе малогабаритной сушильной установки в конвективном режиме максимальная температура в термокамере, при циркуляции воздушных потоков «Heating unit boost - 50», возрастает с 65 °С до 80 °С, а при «Heating unit boost - 100» до 87 °С. Увеличение составляет 23,1 % и 33,8 % соответственно. При использовании циркуляции воздушных потоков «Heating unit boost 50» в режиме работы малогабаритной сушильной установки только с инфракрасными лампами максимальная температура в термокамере возрастает с 85 °С до 100 °С, при «Heating unit boost - 100» до 115 °С. Увеличение составляет 17,6 % и 35 % соответственно. При работе малогабаритной сушильной установки в комбинированном режиме, с использованием инфракрасных ламп и трубчатого электронагревателя также прослеживается увеличение максимальной температуры в термокамере со 130 °С до 150 °С при режиме «Heating unit boost - 50» и до 165 °С режиме «Heating unit boost - 100». Увеличение в данном случае составляет 15,4 % и 26,7 % соответственно. 111 140 120 100 80 60 40 20 0 0 3 6 8 10 14 18 Ткам, Heating boost, °С 20 22 24 26 30 34 38 Ткам, Heating boost-100, °С 42 44 52 58 66 мин Ткам, Heating boost-50, °С Рисунок 3.7 - Работа инфракрасных ламп при режиме циркуляции воздушных потоков «Heating unit boost» При подаче 100 % мощности на исполнительные механизмы малогабаритной сушильной установки затраты электроэнергии при режимах циркуляции воздушных потоков «Heating unit boost-50», «Heating unit boost-100» и без них были одинаковыми. Однако максимально достигнутая температура была значительно выше при использовании данных режимов. 180.00 160.00 140.00 120.00 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 0 5 11 13 105 17 19 25 35 45 55 мин Ткам, без Heating boost, °С Ткам, Heating boost-100, °С Ткам, Heating boost-50, °С Рисунок 3.8 - Работа трубчатых электронагревателей и инфракрасных ламп при режиме циркуляции воздушных потоков «Heating unit boost» 112 Таблица 3.4 – Результаты сравнения экономичности для процессов Конвективный нагрев 65 Радиационный нагрев 85 Смешенный нагрев 130 Без «Heating unit boost» 2 2 4 «Heating unit boost - 50» 1,63 1,8 3,46 «Heating unit boost 100» 1,44 1,5 3,05 0 0 0 0,37 0,2 0,54 0,56 0,5 0,95 Тариф 1 кВт•ч с учетом НДС, руб. 1,953 1,953 1,953 Стоимости потр. эл.эн, руб. полугорячей и горячей сушки Параметр Без «Heating unit boost» 3,906 3,906 7,812 «Heating unit boost - 50» 3,183 3,515 6,757 2,812 2,930 5,957 0 0 0 0,723 0,391 1,055 1,094 0,977 1,855 Экономия кВт·ч, при работе 1ч. Мощность, кВт Температура в термокамере, °С Без «Heating unit boost» «Heating unit boost - 50» «Heating unit boost 100» Экономия, руб. «Heating unit boost 100» Без «Heating unit boost» «Heating unit boost - 50» «Heating unit boost 100» По полученным экспериментальным данным в программном обеспечении «Анализатор экспериментальных данных системы автоматического управления малогабаритной сушильной установкой», описание которого приведено в четвертой главе, был проведён прогноз экономичности режимов циркуляции воздушных потоков «Heating unit boost-50» и «Heating unit boost-100». Аналитическому сравнению подверглись процессы высокотемпературной тепловой обработки, проводимые при использовании трубчатых электронагревателей, инфракрасных ламп, а также в комбинированном режиме 113 функционирования малогабаритной сушильной установки, без учёта переходных характеристик прогрева термокамеры. Результаты сравнения экономичности для данных процессов представлены в таблице 3.4. По данным таблицы 3.4 видно, что, при поддержании на заданном уровне температуры с использованием режимов «Heating unit boost» требуется подавать на исполнительные механизмы меньшую мощность, чем в обычных режимах. Так для режимов функционирования малогабаритной сушильной установки с трубчатыми электронагревателями, с инфракрасными лампами и комбинированного режима потребляемая мощность составила 2кВт, 2кВт, 4кВт соответственно. При использовании режима «Heating unit boost - 50» потребляемая мощность составила 1,63 кВт, 1,8 кВт, 3,46 кВт соответственно, а при режиме «Heating unit boost - 100» 1,44 кВт, 1,5 кВт, 3,05 кВт соответственно. Таким образом, с учётом тарифа потреблённой энергии 1,953 руб. экономия при одном часе работе малогабаритной сушильной установки в режимах циркуляции воздушных потоков «Heating unit boost - 50» и «Heating unit boost 100» для режимов функционирования малогабаритной сушильной установки с трубчатыми электронагревателями, с инфракрасными лампами и комбинированного режима составит соответственно 0,723 руб., 0,391 руб., 1,055 руб. и 1,094 руб., 0,977 руб., 1,855 руб. или в процентном выражении 18,5 %, 10 %, 13,5 % и 28 %, 25 %, 23 % соответственно. 114 3.3 Исследование закономерностей изменения температуры в центре и на поверхности рыбы при различных способах обезвоживания рыбы В процессе сушки рыбы имеет место процесс обезвоживания, в течение которого полуфабрикат теряет влагу и как следствие свою массу. Процесс потери массы не одномерен по времени, так на начальном периоде интенсивность сушки определяется скоростью подвода влаги к поверхности испарения из нижних слоёв полуфабриката. Дальнейшее обезвоживание протекает при постепенном уменьшении скорости процесса и повышении температуры полуфабриката, при этом зона испарения начинает перемещаться с поверхности вглубь. Как было определено в первой главе, ускорение процессов обезвоживания гидробионтов возможно с интенсификацией процессов внутреннего массопереноса. Однако, необходимо учитывать, что увеличение температурного режима обезвоживания может привести к резкому перепаду температур между поверхностью (Tпов) полуфабриката и его центром Tвн, что будет препятствовать внутренней диффузии влаги. Для оценки влияния различных способов обезвоживания как на нагрев поверхности полуфабриката, так и его прогрев изнутри была проведена серия экспериментов, в ходе которой исследовались образцы рыб с торпедовидной формой тела [18]. Условия проведения экспериментов представлены таблице 3.5. Таблица 3.5 – Начальные условия эксперимента Условие Сельдь Путассу Мойва Влажность рыбы на общую массу, % Содержание поваренной соли, % Удельная поверхность, м2/кг 64,2 74,6 72,3 2,9 3,2 3,1 0,12 0,17 0,21 в 115 Относительная влажность воздуха в цехе во время проведения экспериментов, рассчитанная с использованием психрометра составляла в среднем 75 %. В экспериментах использовались образцы сельди, путассу и мойвы. Системой автоматического управления малогабаритной сушильной установки поддерживалась температура в термокамере на уровне 80 °С. Графики переходных процессов по температуре поверхности сырья, а также по внутренней температуре сырья для путассу приведены на рисунках 3.9 - 3.11. Рисунок 3.9 – Переходные характеристики Тпов, Твн при конвективной тепловой обработке Рисунок 3.10 – Переходные характеристики Тпов, Твн при инфракрасной тепловой обработке 116 Рисунок 3.11 – Переходные характеристики Тпов, Твн при комбинированной конвективной и инфракрасной тепловой обработке. Представленные графики переходных процессов наглядно демонстрируют изменение температур поверхности (Tпов) полуфабриката и его центром (Tвн). Скорость прогрева поверхностного слоя всегда выше, чем у внутреннего слоя. Вид графиков при тепловой обработке сельди и мойвы аналогичен представленным, отличается только продолжительностью технологического процесса. Прогрев поверхностного поддерживаемой температуры слоя сырья зависит, прежде в термокамере малогабаритной всего, от сушильной установки. Изменение внутренней температуры сырья более сложный процесс, зависящий от размерно-массовых характеристик объекта, его химического состава, способов подвода тепловой энергии, а также и температуры его поверхности. Проведённые исследования позволяют математически описать переходные характеристики изменения внутренней температуры и температуры поверхности для данных образцов рыб. Так переходные процессы для внутренней температуры сырья и температуры поверхности можно описать как сумму двух параллельных динамических звеньев первого порядка, причём постоянная времени одного из них должна быть много больше другого. Структурная схема представлена на рисунке 3.12. 117 Рисунок 3.12 – Структурная схема переходных процессов Тпов, Твн Коэффициенты k1, k2 и постоянные времени T1, T2 для передаточных функций изменения температуры Тпов, Твн представлены в таблице 3.6. Таблица 3.6 – Формирование передаточных функции изменения температур Тпов, Твн Режим сушки Передаточная функция Твн(t) k1 k2 T1 T2 Передаточная функция Тпов(t) k1 k2 T1 T2 Путассу Конвективная сушка Инфракрасная сушка Комбинированная сушка Конвективная сушка Инфракрасная сушка Комбинированная сушка Конвективная сушка Инфракрасная сушка Комбинированная сушка 0,2 0,8 500 4000 0,5 0,5 100 2000 0,2 0,8 400 2800 0,5 0,5 80 1600 0,2 0,8 200 2200 0,5 0,5 75 1400 Сельдь 0,2 0,8 800 8000 0,5 0,5 190 3800 0,2 0,8 700 6500 0,5 0,5 140 3200 0,2 0,8 550 5000 0,5 0,5 130 2600 Мойва 0,2 0,8 440 2800 0,5 0,5 70 1350 0,2 0,8 300 2100 0,5 0,5 60 1300 0,2 0,8 150 1900 0,5 0,5 55 1280 118 Полученные передаточные функции на примере путассу были проанализированы и смоделированы в программном обеспечении VisSim 3.0. Переходные характеристики для внутренней температуры при трёх различных режимах (конвективном, инфракрасном, комбинированном) представлены на рисунке 3.13. Ошибка моделирования приведена на рисунке 3.14. Рисунок 3.13 – Переходный процесс Твн при конвективной, инфракрасной, комбинированной сушке. Рисунок 3.14 – Ошибка моделирования Твн при конвективной, инфракрасной, комбинированной сушке. Переходные характеристики для внутренней температуры при трёх различных режимах сушки представлены моделирования приведена на рисунке 3.16. на рисунке 3.15. Ошибка 119 Рисунок 3.15 – Переходный процесс Тпов при конвективной, инфракрасной, комбинированной сушке. Рисунок 3.16 – Ошибка моделирования Тпов при конвективной, инфракрасной, комбинированной сушке. Анализ графиков, содержащих ошибки моделирования Твн, Тпов показывает, что отклонения модели от реального технологического процесса составляет не более 5%. Таким образом можно говорить об адекватности полученной модели реальному технологическому процессу сушки. Очевидно, что постоянные времени Т, определяющие переходный процесс изменения переменных Твн, Тпов зависят как от способа обезвоживания, так и от размеров и массы используемых образцов рыбного сырья, в общем случае от удельной поверхности рыб. Таким образом можно предложить метод расчёта переходных характеристик для конвективного, инфракрасного и комбинированного способа обезвоживания как внутренней температуры рыбы, так и температуры её поверхности по средствам использования величины удельной поверхности полуфабриката, подверженного обработке. 120 С использование статистического программного обеспечения «Statgraphics Plus» для каждого режима функционирования малогабаритной сушильной установки были установлены корреляционные зависимости между удельной поверхностью s/m (в кг/м2) и постоянными времени Т1, Т2 (в секундах). Для уточнения формул проводились дополнительные эксперименты с путассу (s/m: 0,15-0,25 кг/м2), мойвой (s/m: 0,21-0,23 кг/м2). Полученные уравнения корреляционных зависимостей представлены в таблице 3.7. Таблица 3.7 – Корреляционные зависимости между постоянными времени Т1, T2 передаточных функций и удельной поверхность рыбы s/m. Режим Зависимость Конвективная тепловая обработка Внутренняя температура T1 = 2099 − 14880 × (s/m) + 33281 × (s/m)2 T2 = 25057 − 193185 × (s/m) + 419559 × (s/m)2 T1 = 562 − 4204 × (s/m) + 9045 × (s/m)2 T2 = 11878 − 91228 × (s/m) + 197698 × (s/m)2 Температура поверхности Внутренняя температура Радиационная(инфракрасная) тепловая обработка T1 = 1966 − 14318 × (s/m) + 30932 × (s/m)2 T2 = 22796 − 186703 × (s/m) + 418336 × (s/m)2 T1 = 401 − 2956 × (s/m) + 6421 × (s/m)2 T2 = 10156 − 79796 × (s/m) + 179064 × (s/m)2 Температура поверхности Комбинированная тепловая обработка Внутренняя температура T1 = 2106 − 17910 × (s/m) + 40630 × (s/m)2 T2 = 17504 − 144529 × (s/m) + 330966 × (s/m)2 T1 = 368 − 2686 × (s/m) + 5788 × (s/m)2 T2 = 7831 − 60590 × (s/m) + 139056 × (s/m)2 Температура поверхности Полиномная регрессия с вероятностью 98,9 % объясняет зависимость постоянных времени Т1, Т2 от удельной поверхности рыбы. Полученные зависимости для удобства пользования внедрены в программное обеспечение «Компьютерная модель прогрева рыбы в процессе тепловой обработки», представленное в главе 4. Таким образом, получена математическая модель прогрева рыбы в процессе обезвоживания в малогабаритной сушильной установке. Граничными параметрами использования данной модели являются удельные поверхности рыб 121 торпедовидной формы (преимущественно мойва, сельдь, путассу) в диапазоне 0,10-0,25 кг/м2. Разработанная модель позволяет по полученной корреляционной зависимости определить постоянные времени прогрева рыбы, подверженной термической обработке при различных способах обработки. Безусловно, полученную корреляционную усовершенствовать, зависимость можно в дальнейшем связывая постоянные времени Т не только с удельной поверхностью рыбы, но и с начальным содержанием влаги, поваренной соли и скоростью сушильного агента. 3.4 Разработка стадийного метода комбинированного нагрева и обезвоживания рыбы с бесконтактным измерением температуры ее поверхности 3.4.1 Исследование влияния конвективного и радиационного способа обезвоживания на внутренний прогрев рыбы Научный интерес вызывает вопрос рассмотрения влияния работы исполнительных механизмов температурные изменения малогабаритной гидробионта сушильной непосредственно установки в на процессе обезвоживания (внутренняя температура, а также температура поверхности рыбы) в сравнении с температурным режимом, установившемся в термокамере. Для определения вышеуказанных закономерностей выполнены исследования влияния методов тепловой обработки рыбы (конвективной, инфракрасной) на энергоэффективность и интенсификацию процессов обезвоживания при различной температуре (30 °С, 50 °С, 80 °С, 120 °С). Учитывая опыт, полученный в разделе 3.1, стоит отметить, что малогабаритная сушильная установка использовалась совместно с режимом циркуляции воздушных потоков в сушильной камере - «Heating unit boost-50», описание которого представлено в разделе 3.2. В качестве сырья использовалась рыба путассу с начальными параметрами, представленными в таблице 3.8. 122 Таблица 3.8 – Начальные условия Параметр Значение Влажность рыбы на общую массу, % 78 Контрольная масса, г 280 Удельная поверхность, м2/кг 0,2 Содержание поваренной соли, % 3,3 Эксперименты продолжались, в зависимости от температурного режима обработки, до потери массы рыбы до 50-60 %, чтобы на выходе получить продукт – сушёную или вяленную рыбу. Также при высокотемпературной обработке рассматривался процесс прогрева центральных слоёв рыбы до 80 °С., что важно при производстве кулинарной продукции и рыбы горячего копчения. В работе представлены наглядные, обобщённые графики тепловой обработки (работа исполнительных механизмов и основные измеряемые параметры) рыбы при 50 °С. Конвективная тепловая обработка Системой автоматического управления поддерживалась температура в термокамере за счет трубчатого электронагревателя. Инфракрасные лампы были отключены. Измерения температуры проводились с использованием термопреобразователя сопротивления ДТС045. На рисунке 3.17 представлены графики изменения основных контролируемых величин при конвективной сушке рыбы и поддержании температуры в термокамере сушильной установке при помощи трубчатого электронагревателя на уровне 50 °С. 123 Рисунок 3.17 – Конвективная тепловая обработка при обезвоживании (сушке) Как видно по графикам рисунка 3.17 система автоматического управления поддерживала на заданном уровне температуру в камере сушильной установки (синяя линия) на протяжении всего эксперимента. Данная температура установилась до заданного уровня приблизительно через 15 минут эксперимента. Относительная влажность в термокамере установилась на уровне 23-26 %. Стоит обратить внимание на температуру поверхности рыбы, которая контролировалась инфракрасным датчиком температуры. Данная температура так и не достигла 50 °С до конца эксперимента (6,6 часа). Затраты электроэнергии составили 6,6 кВт•ч. Радиационная тепловая обработка При исследовании радиационной тепловой обработки с использованием энергии инфракрасного излучения ламп КГТ-1000, осуществлялся контроль температуры не в термокамере малогабаритной сушильной установки, а температуры поверхности рыбы с использованием инфракрасного датчика температуры СТ. Подаваемый в термокамеру извне сушильный агент подвергался подогреву в камере нагрева с помощью трубчатого нагревателя, работающего при 124 15 % подводимой мощности. На рисунке 3.18 представлены графики изменения основных контролируемых величин при радиационном обезвоживании рыбы. Рисунок 3.18 – Радиационная(инфракрасная) тепловая обработка при обезвоживании (сушке) Как видно по графикам рисунка 3.18, подводимой мощности к инфракрасным лампам хватало как на поддержание температуры поверхности рыбы на уровне 50 °С, так и на поддержание температуры в термокамере на таком же уровне. Однако, начиная через 1 час после начала эксперимента заметно, что температура в термокамере начинает опускаться, соответственно начинает увеличиваться и относительная влажность воздуха с 26 % до 30 %. Такое нежелательное явление объясняется внутренним прогревом рыбы, вследствие которого на поддержание температуры её поверхности требуется меньшее количество электроэнергии, потребляемой инфракрасными лампами. Рыба потеряла 50 % массы через 5 часов. Затраты электроэнергии в данном исследовании составили 5,6 кВт•ч. 125 3.4.2 Стадийный метод комбинированного нагрева и обезвоживания рыбы с бесконтактным измерением температуры её поверхности при использовании конвективной и радиационной составляющих нагрева Для соблюдения температурного режима обезвоживания при использовании радиационной составляющей рационально будет дополнительное использование конвективной составляющей обезвоживания, то есть реализация комбинированного способа тепловой обработки. До настоящего момента при радиационной сушке в системе управления программно-аппаратного комплекса функционировал только один пропорциональный интегрирующе- дифференцирующий (ПИД) регулятор, который контролировал температуру поверхности гидробионта по средствам управления мощностью инфракрасных ламп. Однако складывается ситуация необходимости контролирования как поверхностной температуры гидробионта, так и температуры в термокамере, поэтому рационально использовать диверсифицированную систему, состоящую из двух параллельных ПИД-регуляторов на эти процессы. Подробное рассмотрение структурной схемы системы автоматики, параллельной работы ПИД - регуляторов и их оптимизации представлено в четверной главе данной работы. При разработке стадийного комбинированного метода обезвоживания рыбы интересно именно протекание технологического процесса с целью получения конечного результата - готового продукта при минимальных энергетических и временных затратах. Проведённые исследования по конвективной и радиационной тепловой обработке позволили сформулировать принципы повышения эффективности процесса нагрева и обезвоживания рыбы, позволяющие достичь уменьшения энергозатрат на технологический процесс по сравнению с традиционными методами: - соблюдение заданного температурного режима тепловой обработки рыбы; - контроль температуры поверхности рыбы с использованием инфракрасных датчиков температуры; 126 - параллельный контроль как температуры поверхности рыбы, так и температуры в термокамере, как условие формирования заданного температурного поля при комбинированной тепловой обработке с инфракрасной составляющей; - сокращение энергетических и временных затрат в сравнении с традиционными методами. Сформулированные принципы для разработки рациональных режимов комбинированной тепловой обработки с инфракрасной составляющей легли в основу предложенного обезвоживания рыбы, стадийного при комбинированного котором выполняется метода нагрева контроль и системой автоматического управления как температуры в термокамере малогабаритной сушильной установки, так и температуры поверхности рыбы с использованием разработанного устройства на основе инфракрасных датчиков температуры. На рисунке 3.19 представлены графики изменения основных контролируемых величин при разработанном стадийном методе нагрева и обезвоживания. Рисунок 3.19 – Стадийная комбинированная тепловая обработка при обезвоживании (сушке) 127 Контроль, как температуры поверхности рыбы, так и температуры в термокамере малогабаритной сушильной установки позволяют строго выдержать установленный температурный режим нагрева и обезвоживания. В начальный момент времени работают как инфракрасные лампы, так и трубчатый электронагреватель, которые формируют заданный температурный режим сушки в 50 °С. Как только данный режим установился, система автоматики отключает работу трубчатого электронагревателя и в дальнейшем подаёт на него такое количество мощности, которое необходимо для компенсации «проседания» температуры в термокамере и стабилизации уровня относительной влажности. Стадийный комбинированный метод нагрева вобрал в себя все особенности как конвективного способа обработки, так и радиационного способа. Продолжительность эксперимента в этом случае составила 4,16 часа, затраты электроэнергии наименьшие в исследовании и составляют 4,86 кВт•ч. Стоит отметить, стадийная работа исполнительных механизмов позволила добиться снижения продолжительности тепловой обработки, но и повысить энергоэффективность, по сравнению с комбинированным методом, описанным в разделе 3.1 где исполнительные механизмы работали в синхронном режиме. Для анализа проведённых экспериментов и обработки заархивированных данных использовалось экспериментальных данных программное обеспечение системы автоматического «Анализатор управления малогабаритной сушильной установкой». В таблице 3.9 представлены результаты исследования влияния методов тепловой обработки рыбы на энергоэффективность и интенсификацию процессов обезвоживания. Данные таблицы 3.9 показывают, что разработанный метод тепловой обработки дал наилучшую эффективность: наименьшие показатели затрат электроэнергии и времени сушки при одних и тех же потерях массы. Аналогичные соотношения получены и для других температурных режимов. 128 Таблица 3.9 – Результаты исследования влияния методов тепловой обработки рыбы на энергоэффективность и интенсификацию процессов обезвоживания Параметр Тепловая обработка Стадийная тепловая ИК-Лампы обработка 30 °С 280 281 140 140 50 50 29000 25000 8 6,9 31,25 36,23 41 45 0,82 0,9 6,6 6,25 1,953 1,953 12,889 12,206 ТЭН Начальная масса, г Конечная масса, г Массопотери, % Продолжительность, с Продолжительность, ч Средний темп обезвоживания, %/ч Средняя подаваемая мощность, % Затраты эл. энергии, кВт Затраты эл. энергии, кВт·ч Тариф 1 кВт•ч с учетом НДС, руб. Стоимости потребленной электроэнергии, руб. 279 140 50 35000 9,7 25,77 36 0,72 7 1,953 13,671 Начальная масса, г Конечная масса, г Массопотери, % Продолжительность, с Продолжительность, ч Средний темп обезвоживания, %/ч Средняя подаваемая мощность, % Затраты эл. энергии, кВт Затраты эл. энергии, кВт·ч Тариф 1 кВт•ч с учетом НДС, руб. Стоимости потребленной электроэнергии, руб. 280 140 50 24000 6,6 37,8 49,56 0,99 6,6 1,953 12,889 50 °С 278 139 50 18000 5 51 56,35 1,12 5,6 1,953 10,936 283 142 50 15000 4,16 60,1 58,67 1,17 4,86 1,953 9,491 Начальная масса, г Конечная масса, г Массопотери, % Продолжительность, с Продолжительность, ч Средний темп обезвоживания, %/ч Средняя подаваемая мощность, % Затраты эл. энергии, кВт Затраты эл. энергии, кВт·ч Тариф 1 кВт•ч с учетом НДС, руб. Стоимости потребленной электроэнергии, руб. 281 140 50 20000 5,5 45,45 95,10 1,9 10,46 1,953 20,42 80 °С 280 140 50 14000 3,8 65,76 66,00 1,32 5,13 1,953 10,01 282 141 50 11500 3,2 78,1 67,07 1,34 4,28 1,953 8,35 Таким образом, стадийный комбинированный метод нагрева и обезвоживания при стадийной работе исполнительных механизмов и контроле поверхности рыбы является наиболее энергоэффективным режимом способствующим снижению затрат на производство готовой продукции. и 129 Снижение затрат электроэнергии при стадийной комбинированной тепловой обработке по сравнению с конвективной и радиационной (инфракрасной) представлены на рисунке 3.20. Рисунок 3.20 – Снижение затрат электроэнергии при стадийной комбинированной тепловой обработке Как показывают результаты эксперимента, разработанный метод тепловой обработки рыбы при обезвоживании наиболее оптимален. Во-первых, контроль как температуры поверхности рыбы, так и температуры в термокамере малогабаритной сушильной установки позволяют строго выдержать установленный температурный режим обезвоживания. Во-вторых, анализ таблицы 3.9 показывает, что темпы обезвоживания выше именно у модернизированного комбинированного способа. В третьих, средняя мощность исполнительных устройств в эквиваленте к конвективному и радиационному способу сушки меньше, то есть меньше и общие затраты на технологический процесс. 130 Таким образом, использование стадийного комбинированного метода нагрева и обезвоживания рыбы с бесконтактным измерением температуры её поверхности позволило реализовать все сформулированные принципы повышения эффективности технологического процесса и получить режим сушки рыбы отличающийся экономичностью и хорошими темпами обезвоживания. 3.5 Исследование влияния инфракрасного излучения на нагрев внутренних слоёв рыбы Безусловно, энергия инфракрасного излучения благоприятно сказывается на процессе тепловой обработки сырья. В этой связи интерес вызывает влияние инфракрасного излучения на нагрев внутренних слоёв рыбы. Для исследования влияния мощности инфракрасных ламп и, как следствие, энергии теплового излучения на нагрев слоёв рыбы, были поставлены следующие эксперименты. Производилась потрошённого тепловая обработка обезглавленного путассу спинки инфракрасными и лампами. окуня морского Подводимая к инфракрасным лампам мощность варьировалась от 50 % до 100 %. С помощью инфракрасного датчика температуры производились замеры температуры поверхности рыбы, а с помощью датчиков температуры ТС-0295/1 фирмы «Элемер» производился замер температуры по слоям рыбы. Характеристики эксперимента представлены в таблице 3.10. Таблица 3.10 – Характеристики эксперимента Параметр Путассу Окунь Средняя масса рыбы, г. 101 420 Расстояние от спины до позвоночника рыбы по вертикали, мм Толщина рыбы, мм 15 45 25 52 Расположение датчика температуры № 1 в толще рыбы на расстоянии от поверхности, мм Расположение датчика температуры № 2 в толще рыбы на расстоянии от поверхности, мм 3 3 14 25 131 Эксперименты проводились до достижения датчиком № 2 температуры 80 °С, так как температура внутри кулинарных рыбных изделий и рыбы горячего копчения должна быть не ниже 80°C. Для путассу сравнивались также два режима работы малогабаритной сушильной установки – режим с использованием центробежного вентилятора и без него. Результаты экспериментов по тепловой обработке путассу, с использованием центробежного формирования воздушного потока в установке, вентилятора для представлены на рисунках 3.21 – 3.23. 8000 Продолжительность, с 7000 80 °С 6000 60 °С 5000 50 °С 4000 30 °С 3000 2000 1000 0 100 90 80 70 Мощность ИК-ламп, % 60 50 Рисунок 3.21 – Продолжительность прогрева поверхности путассу до 30, 50, 60 и 80 °С в зависимости от мощности инфракрасных ламп, при циркуляции воздушного потока в камере установки. 16000 Продолжительность, с 14000 80 °С 12000 60 °С 10000 50 °С 8000 30 °С 6000 4000 2000 0 100 90 80 70 Мощность ИК-ламп, % 60 50 Рисунок 3.22 – Продолжительность прогрева мышечной ткани путассу на глубине 3 мм от поверхности до 30, 50, 60 и 80 °С в зависимости от мощности инфракрасных ламп, при циркуляции воздушного потока в камере установки. 132 Продолжительность, с 16000 14000 12000 10000 80 °С 8000 60 °С 6000 50 °С 4000 30 °С 2000 0 100 90 80 70 Мощность ИК-ламп, % 60 50 Рисунок 3.23 – Продолжительность прогрева мышечной ткани путассу на глубине 14 мм от поверхности до 30, 50, 60 и 80 °С в зависимости от мощности инфракрасных ламп, при циркуляции воздушного потока в камере установки. В результате анализа графиков, представленных на рисунках 3.21-3.23, можно сделать вывод о том, что при нагреве центральных слоёв путассу до 80 °С продолжительность нагрева приблизительно одинакова в диапазоне мощностей работы инфракрасных ламп от 80 до 100%. При нагреве путассу до температур 30-60 °С продолжительность нагрева одинакова в диапазоне мощностей работы инфракрасных ламп от 70 до 100%. Полученные производстве результаты, можно использовать, например, при рыбы горячего копчения. На этапе подсушки для удаления поверхностной влаги и придания рыбе дополнительной механической прочности мощность инфракрасных ламп целесообразно поддерживать на уровне 70 %, а в период проварки увеличивать до 80 %. Таким образом, имея идентичный эффект от воздействия инфракрасного излучения на полуфабрикат, можно получить прирост экономии энергоресурсов до 20-30 %, в зависимости от режимов тепловой обработки. Аналогичные зависимости имеют место при использовании тепловой обработки путассу с помощью ИК-ламп без циркуляции воздуха в камере установки. Графики экспериментов представлены на рисунках 3.24 – 3.26. Продолжительность, с 133 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 80 °С 60 °С 50 °С 30 °С 100 90 80 70 Мощность ИК-ламп, % 60 50 Рисунок 3.24 – Продолжительность прогрева поверхности путассу до 30, 50, 60 и 80 °С в зависимости от мощности инфракрасных ламп, без циркуляции Продолжительность, с воздушного потока в камере установки 16000 14000 12000 10000 80 °С 8000 60 °С 6000 50 °С 4000 30 °С 2000 0 100 90 80 70 Мощность ИК-ламп, % 60 50 Рисунок 3.25 – Продолжительность прогрева мышечной ткани путассу на глубине 3 мм от поверхности до 30, 50, 60 и 80 °С в зависимости от мощности инфракрасных ламп, без циркуляции воздушного потока в камере установки Продолжительность, с 20000 15000 80 °С 10000 60 °С 50 °С 5000 0 30 °С 100 90 80 70 Мощность ИК-ламп, % 60 50 Рисунок 3.26 – Продолжительность прогрева мышечной ткани путассу на глубине 14 мм от поверхности до 30, 50, 60 и 80 °С в зависимости от мощности инфракрасных ламп, без циркуляции воздушного потока в камере установки 134 Сравнительный анализ продолжительности прогрева поверхности путассу и её мышечной ткани до температур в 30, 50, 60 и 80 °С при использовании циркуляции воздушного потока в камере установки и без него, свидетельствует об идентичности полученных результатов. При нагреве путассу до температур 30-50-60-80 °С продолжительность нагрева одинакова в диапазоне мощностей работы инфракрасных ламп от 70 до 100 %. Вместе с тем, исследования прогрева окуня (расстояние до инфракрасных ламп 7,5 см) по слоям показали, что при использовании только инфракрасных ламп, без использования центробежного вентилятора, прогрев слоя на глубине в 3 мм идёт интенсивнее, чем нагрев поверхности, рисунок 3.27. Рисунок 3.27 – Тепловая обработка окуня инфракрасными лампами, 60 % мощности. Аналогичные зависимости прослеживаются для мощностей работы инфракрасных ламп 60-100 %. Такой эффект мог быть вызван инфракрасными лучами, проникающими в рыбу как раз на соразмерную глубину. Стоит отметить, что без движения воздушного агента по термокамере, скорость прогрева слоёв значительно увеличилась. На рисунке 3.28 представлена гистограмма сравнения времени прогрева слоёв путассу при мощности работы инфракрасных ламп 80 % и в зависимости от работы центробежного вентилятора, создающего скорость движения сушильного агента в 2 м/с. 135 Время, с 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 30 °С Vс.а.=2м/с 50 °С 60 °С Vс.а.=0м/с Vс.а.=2м/с Vс.а.=0м/с 14 мм Vс.а.=2м/с 3 мм Vс.а.=0м/с Поверхность 80 °С Vс.а. – скорость сушильного агента. Рисунок 3.28 – Тепловая обработка путассу (слой 14 мм) Наблюдается увеличение продолжительности прогрева мышечной ткани путассу (рис. 3.28) при использовании энергии инфракрасного излучения и циркуляции воздушного потока в камере установки, т.к. входящий в термокамеру воздух имел более низкую температуру, чем температура воздушной среды самой установки. Это связано с тем, что воздушный агент не подогревался трубчатым электронагревателем, а нагрев теплоносителя осуществлялся за счёт контакта с поверхностью термокамеры, разогретой ИК-лампами. Данные результаты могут быть в дальнейшем применимы к разработке новых комбинированных режимов тепловой обработки рыбы и кулинарных блюд. Таким образом, проведённые исследования показали оптимальные мощности использования инфракрасных ламп для тепловой обработки рыбы. Использование инфракрасных ламп на мощностях более 70-80 % даёт аналогичный эффект, что и 90-100 % в плане продолжительности прогрева слоёв рыбы и позволяет экономить до 20-30 % энергоресурсов, в зависимости от режимов тепловой обработки. 136 3.6 Выводы по третьей главе Разработаны режимы циркуляции воздушных потоков в сушильной камере «Heating unit boost», которые представляют собой возможность использования отработанного теплового агента повторно путём его рециркуляции в термокамере. Проведённые эксперименты подтвердили их энергоэффективность. В зависимости от выбранных режимов циркуляции воздушных потоков, а также работы малогабаритной сушильной установки, температура в камере установки увеличивается от 15,4% до 35 %. Произведены исследования закономерностей изменения температуры в центре и на поверхности рыбы при различных режимах тепловой обработки рыбы. Найдена полиномная зависимость между удельной поверхностью рыбы и постоянными времени изменения её внутренней температуры и температуры поверхности в процессе нагрева, а также позволили получить передаточные функции изменения температуры Твн и Тпов в термокамере для разных образцов рыб. Таким образом, проведённые исследования позволили получить математическую модель прогрева рыбы в процессе тепловой обработки в малогабаритной сушильной установке в зависимости от её удельной поверхности. Проведены исследования, которые показали оптимальные мощности использования инфракрасных ламп при тепловой обработке рыбы. Использование инфракрасных ламп на мощностях более 70-80 % даёт аналогичный эффект в плане времени прогрева слоёв рыбы, что и при мощностях 90-100 % и позволяет экономить до 20-30 % энергоресурсов, в зависимости от режимов тепловой обработки. Выполнены исследования влияния способов тепловой обработки рыбы (конвективной, инфракрасной) на энергоэффективность и интенсификацию процессов обезвоживания. Исследования позволили сформулировать принципы повышения эффективности процесса тепловой обработки рыбы. Разработанные принципы повышения эффективности процесса тепловой обработки рыбы легли в основу стадийного комбинированного метода нагрева 137 Разработан и теоретически обоснованы энергоэффективный стадийный метод комбинированного нагрева и обезвоживания рыбы с бесконтактным измерением температуры её поверхности при использовании конвективной и радиационной составляющих нагрева, обеспеченных трубчатым электронагревателем и инфракрасными лампами, позволяющий снизить затраты на производство готовой продукции. 138 Глава 4 автоматического Построение управления программно-аппаратного процессами тепловой комплекса обработки и обезвоживания рыбы 4.1 Практическая реализация программно-аппаратного комплекса Результаты экспериментальных исследований процессов нагрева и обезвоживания рыбы, представленные в третьей главе, были получены на малогабаритной сушильной установке. Управление технологическим процессом тепловой обработки рыбы, исследование влияния способов сушки на энергоэффективность и интенсификацию процессов в пищевой рыбной промышленности, а также выбор и разработка способов обезвоживания стало возможным благодаря разработанному программно-аппаратному комплексу гибкого автоматического управления процессами тепловой обработки и обезвоживания сырья. Программно-аппаратный комплекс полностью контролирует и управляет технологическим процессом тепловой обработки рыбы в термокамере малогабаритной сушильной установки. На основе сигналов, поступающих от датчиков температуры и влажности, блок автоматики в соответствии с программой работы малогабаритной сушильной установки управляет инфракрасными лампами, расположенными внутри корпуса малогабаритной сушильной установки, а также контролирует интенсивность нагрева сушильного агента в камере нагрева воздуха. Программно-аппаратный комплекс гибкого автоматического управления процессами тепловой обработки и обезвоживания сырья для малогабаритной сушильной установки разрабатывался на основе требований, предъявляемых к сушильным установкам, описанных в первой главе. Комплекс соответствует ГОСТ 24.104-85 «Единая система стандартов автоматизированных систем управления. Автоматизированные системы управления. Общие требования» и ГОСТ 34.003-90 «Информационная технология. Комплекс стандартов на 139 автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения». Программно-аппаратный комплекс разработан как гибкая, универсальная система, позволяющая покрыть широкий круг промышленных задач, связанных с термической обработкой сырья в пищевой промышленности. Управление обезвоживания технологическим рыбы процессом осуществляется с тепловой рабочей обработки станции и оператора малогабаритной сушильной установки. Автоматизированное рабочее место представляет собой рабочее место оператора сушильной установки, которое предназначено для проведения визуального контроля над технологическим процессом, а также проведения удалённого управления процессом. Комплекс предусматривает наличие нескольких режимов работы малогабаритной сушильной установки - ручного и автоматического. Практическая реализация программно-аппаратного комплекса разделена на две составляющие. Отдельно разрабатывалась программная часть комплекса (верхний уровень), отдельно - аппаратная (нижний уровень). На основе облачных технологий разработаны телекоммуникационные способы контроля процесса обезвоживания рыбы, а также способы удалённого управления им. 4.2 Аппаратная автоматического часть управления программно-аппаратного технологическим процессом комплекса тепловой обработки и обезвоживания рыбы Аппаратная часть программно-аппаратного комплекса автоматического управления технологическим процессом тепловой обработки и обезвоживания рыбы выполнена на оборудовании хорошо зарекомендовавшего себя российского производителя автоматики - фирмы «Овен». Как отмечалось во второй главе, оборудование фирмы «Овен» отвечает таким требованиям как качество и надёжность средств автоматизации. Вместе с 140 тем, выбор непосредственно российского производителя позволяет сократить сроки доставки оборудования, в случае непредвиденных ситуаций. Фирма «Овен» поддерживает типовые стандарты и интерфейсы, такие как RS-485, ModBus, что позволяет производить масштабируемость систем без дополнительных затрат. Программно-аппаратный комплекс построен на информационной сети, стандарта EIA RS-485 (рисунок 4.1). Стандарт предусматривает передачу данных с помощью «симметричного» (дифференциального) сигнала по двум линиям (А и В) и использование дополнительной линии для выравнивания потенциалов заземления устройств, объединённых в сеть. При построении аппаратной части комплекса использовались модули автоматизации МВА8, МВУ8, БУСТ2, АС4. Структурная схема аппаратной части представлена на рисунке 4.2. Рисунок 4.1 - Схема информационной сети программно-аппаратного комплекса Логический уровень сигнала определяется разностью напряжений на линиях (А – В), при этом логической единице соответствует диапазон значений напряжения от +0,2 до +5 В, а логическому нулю – диапазон значений от –0,2 до –5 В. Диапазон от –0,2 до +0,2 В соответствует зоне нечувствительности приёмника. 141 Рисунок 4.2 - Структура аппаратной части комплекса Для взаимосвязи верхнего и нижнего уровней программно-аппаратного комплекса используется электрический преобразователь АС4. Электрический преобразователь АС4 позволяет преобразовать сигналы интерфейсов USB и RS-485 с обеспечением гальванической изоляции входов между собой. Элементы аналогового и дискретного ввода/вывода информации работают в сети RS-485 по стандартному протоколу «ОВЕН», являющемуся разновидностью протокола ModBus. 142 Прибор АС4 автоматически определяет направление передачи данных, что позволяет исключить необходимость в дополнительном управлении обменом данными и значительно снизить временные интервалы между кадрами. Модуль ввода аналоговый измерительный МВА8 предназначен для сбора информации с датчиков системы: − термопреобразователя сопротивления ДТС045 типа ТСП фирмы «ОВЕН»; − устройства для непрерывного бесконтактного измерения температуры с использованием стационарного инфракрасного датчика температуры серии CT фирмы Optris; − датчика температуры ТС-0295/1 фирмы «Элемер». − датчика влажности ДВТ-03.ТЭ фирмы «РЭЛСИБ». Термосопротивления ДТС045 и ТС-0295/1 подключены к МВА8 по трехпроводной схеме подключения. Входы прибора настроены на номинальные статические характеристики данных датчиков, 50М и Pt100 соответственно. Инфракрасный датчик температуры предлагает на выбор несколько выходных цифровых интерфейсов, среди которых 0/4-20 мА, 0-1/5/10 В, термопары J, K типа. Для ввода информации в МВА8 выбран интерфейс 0-1 В. Модуль дискретного ввода вывода (МДВВ) предназначен для сбора сигналов, поступающих от концевых выключателей и сигнализирующих о закрытии двери малогабаритной сушильной установки, для включения световой индикации режимов работы установки, а также для управления по сигналам из сети RS-485 центробежным нагнетательным вентилятором. Вывод сигналов управления с верхнего уровня программно-аппаратного комплекса осуществляется за счёт модуля вывода универсального МВУ8. Модуль МВУ8 преобразует цифровые сигналы, передаваемые по сети RS - 485, в аналоговые сигналы управления исполнительными механизмами в формате 4-20 мА. Управление величиной подаваемой мощности на трубчатый электронагреватель и инфракрасные лампы осуществляется за счёт приборов 143 БУСТ2 (блок управления тиристорами и симисторами), используемых для регулирования напряжения питания резистивно-индуктивных нагрузок. В отличие от широтно-импульсной модуляции приборы БУСТ2 используют метод фазового управления (фазо-импульсную модуляцию), который положительно сказывается на управление именно инфракрасными лампами, продлевая срок службы ламп. Величина управляющего сигнала, поступающего от прибора МВУ8, определяет фазу открытия симистора, который в свою очередь влияет на амплитуду фазового напряжения, и как следствие, на величину подаваемой на исполнительные механизмы мощности. Так, учитывая, что на один полупериод фазового напряжения приходится 256 градаций управляющего сигнала, то при величине напряжения сети 220 В, на одну градацию приходится 0,86 В. Исполнительные механизмы подключены по однофазной схеме. Вместе с тем, приборы БУСТ2 позволяют подключать нагрузку также и по двух- и трехфазной схеме. Тем самым обеспечивается возможность масштабируемости программно-аппаратного комплекса и перенос его на более мощные коптильносушильные установки. Аппаратная часть комплекса имеет защиту в виде заземления, а также электрических автоматов. Электрический автомат на низкоточную автоматику рассчитан на силу тока в 1 А, на исполнительные механизмы с учетом максимальной потребляемой мощности на 20 А. 144 4.3 Программная автоматического часть управления программно-аппаратного технологическим комплекса процессом тепловой обработки и обезвоживания рыбы Программная часть программно-аппаратного комплекса автоматического управления технологическим процессом тепловой обработки и обезвоживания рыбы скомпилирована средствами объектно-ориентированного языка императивного, программирования структурированного, Delphi, являющегося основное программное диалектом Object Pascal. В состав программной части входит как обеспечение, реализующее систему автоматического управления малогабаритной сушильной установкой, так и прикладные программные средства (таблица 4.1). Прикладные программные средства обеспечивают телекоммуникационные функции удалённого управления и контроля, функции конфигурирования системы и анализа выходных данных. Программная часть комплекса, схематично представленная на рисунке 4.3, состоит из следующих элементов: Таблица 4.1 - Структура программной части комплекса 1 1 2 3 4 5 6 7 8 Основное программное обеспечение Программное обеспечение «Система автоматического малогабаритной сушильной установкой» Прикладные программные средства управления Программное обеспечение «Конструктор алгоритма работы малогабаритной сушильной установки» Программный модуль «Конфигуратор системы автоматического управления малогабаритной сушильной установкой» Программное обеспечение «Анализатор экспериментальных данных САУ МСУ» Программный модуль «DATAREADER» Программный модуль «WEBCAM» Программное обеспечение «Мобильный обозреватель САУ МСУ» Программное обеспечение «Автоматизированное рабочее место удаленного доступа к САУ МСУ» Web-приложение САУ МСУ 145 Структурная схема взаимодействия прикладных программных средств и основного программного обеспечения программно-аппаратного комплекса представлена на рисунке 4.3. Рисунок 4.3 - Структура программной части комплекса К телекоммуникационным функциям программной части программноаппаратного комплекса относятся следующие функции: − автоматизированное рабочее место удалённого доступа к САУ МСУ, использующее локальную сеть (LAN соединение) по стандарту Ethernet; 146 − визуализации технологического процесса сушки гидробионтов в online режиме с использованием Web-камеры; − мобильный обозреватель, обеспечивающий контроль технологических параметров процесса сушки с помощью мобильных устройств по средствам сети Интернет и FTP-сервера; − управление технологическим процессом сушки рыбы через webприложение САУ МСУ. 4.3.1 Системные требования и информационная безопасность программно-аппаратного комплекса Системные требования программной часть программно-аппаратного комплекса автоматического управления технологическим процессом сушки рыбы сводятся к рациональному выбору операционной системы рабочей станции оператора малогабаритной сушильной установки, а также параметрам ЭВМ. Корректное функционирование программной части комплекса обеспечивается при соблюдении следующих системных требований: Операционные системы: Microsoft Windows 98, Microsoft Windows 1. Millennium Edition, Microsoft Server 2000, Microsoft Windows XP, Microsoft Server 2003, Windows Vista, Microsoft Server 2008, Windows Seven. Минимальные параметры ЭВМ: 2. − процессор не ниже Intel Pentium(Celeron) II или аналогичный; − 7 Мб свободного дискового пространства; − видео карта, объемом не ниже 2 МБ; − 64 Мб ОЗУ; − USB порт для связи с нижним уровнем ПАК; − клавиатура, мышь, монитор. Рекомендуемые параметры ЭВМ зависят от выбранных телекоммуникационных функций программной части. При использовании автоматизированного рабочего места удалённого доступа необходимо наличие 147 сетевой карты, а также наличие ещё одной рабочей станции с аналогичными системными параметрами. Для визуализации протекающего в малогабаритной сушильной установке протекающего технологического процесса в online режиме необходимо наличие Web-камеры с USB-интерфейсом. При использовании Web-приложения системы автоматического управления необходимо использование операционных систем серверного типа. Установка служб IIS (Internet Information Services) с поддержкой протоколов SSL (Secure Socket Layer). При использовании программного обеспечения «Мобильный обозреватель САУ МСУ» необходимо наличие доступа в сеть «Интернет» с минимальной пропускной способностью канала 56 Кбит/с. При использовании архивации данных, а также корректной работы программного обеспечения «Анализатор экспериментальных данных САУ МСУ» необходимо наличие на рабочей станции установленного программного обеспечения Microsoft Office Access и драйвера Microsoft.Jet.OLEDB.4.0. Программное обеспечение «Система автоматического управления малогабаритной сушильной установкой» является самодостаточным и может функционировать без телекоммуникационных использовании данных функций обеспечению информационной функций, необходимо особое безопасности. однако внимание Вопрос при уделить безопасности вычислительных информационных систем в настоящее время актуален. В соответствии с руководящими документами Федеральной службой по техническому и экспортному контролю [73] важнейшими аспектами информационной безопасности являются: целостность, конфиденциальность, доступность. Учитывая, что в локальной сети под управлением программного обеспечения «Автоматизированное рабочее место удалённого доступа к САУ МСУ» будет находиться всего две рабочих станции, безопасность такой сети не требует повышенного внимания и контроля. Однако, при использовании иных 148 телекоммуникационных функций, особое значение следует уделять внешним атакам со стороны сети «Интернет». Структурная схема информационной сети программно-аппаратного комплекса представлена на рисунке 4.4. Рисунок 4.4 - Структурная схема информационной сети программноаппаратного комплекса Для защиты от внешних атак в программно-аппаратном комплексе используется защищённое подключение к сети «Интернет» посредством стандартного брандмауэра Windows. Безопасный информационный обмен данными через открытую информационную среду «Интернет» web-приложения системы обеспечивается по защищенному каналу передачи данных на основе протокола SSL - Secure Socket Layer. На крупных предприятиях, где программная часть интегрирована в локальную персональных сеть предприятия, компьютеров, насчитывающую информационная обеспечиваться также и в самой локальной сети. большое безопасность количество должна 149 4.3.2 Программное обеспечение «Система автоматического управления малогабаритной сушильной установкой» Программное обеспечение «Система автоматического управления малогабаритной сушильной установкой» реализует как автоматическое, так и ручное управление технологическим процессом тепловой обработки рыбы, приложение К. Программное обеспечение легко в освоении, настройке и эксплуатации, имеет наглядный и интуитивно понятный интерфейс, представленный на рисунке 4.5. Рисунок 4.5 - Экранная форма программного обеспечения «Система автоматического управления малогабаритной сушильной установкой» На экранную форму программного обеспечения вынесена индикация основных параметров технологического процесса сушки рыбы, а также основные органы управления. Все элементы экранной формы сгруппированы по 150 функциональности в соответствующие блоки. Описание функциональных блоков представлено в таблице 4.2. Таблица 4.2 – Функциональные блоки экранной формы программного обеспечения №№ Название функционального блока 1 Работа 2 Режим работы 3 Задатчик 4 Вентилятор 5 ТЭН 6 ИК-лампы 7 Контролируемые параметры 8 Справочная информация Программное малогабаритной рабочей Описание Блок предназначен для установки связи с нижним уровнем САУ малогабаритной сушильной установки по интерфейсу RS-485. Блок предназначен для выбора ручного или автоматического режима работы САУ. Блок предназначен для выбора контролируемого параметра САУ (температура в термокамере, температура поверхности рыбы, внутренняя температура рыбы), а также ввода величины уставки. Блок предназначен для индикации и управления работой центробежного вентилятора МСУ. Блок предназначен для управления работой трубчатого электронагревателя МСУ. Является индикатором подводимой к нему мощности. Блок предназначен для управления работой инфракрасных ламп МСУ. Является индикатором подводимой к ним мощности. Блок разделен на три секции, в каждую из которых можно вывести показания одного из контролируемых САУ показателей. В данный блок выводится информация о работе аппаратных модулей нижнего уровня, а также выбранная программа работы САУ. обеспечение сушильной станции оператора «Система установкой» автоматического обеспечивает малогабаритной управления функционирование сушильной установки в информационной сети в качестве «мастера сети». Обмен информацией с аппаратными модулями осуществляется в сети RS-485 по стандартному протоколу «ОВЕН». 151 4.3.2.1 Программная реализация протокола «ОВЕН» Программная реализация протокола «ОВЕН» осуществляется средствами Delphi с помощью библиотеки OWEN_IO.lib, которая позволяет организовать поддержку приборов ОВЕН в сети RS-485. Так, функция открытия порта для установки соединения выглядит следующим образом: function OpenPort(n,speed, parity,bits,stop,converter:DWORD): Integer, где n – номер порта; speed – скорость порта устанавливаемая от 300 кбит/с (-3) до 115200 кбит/с (8); parity – бит чётности (0-без бита чётности, 1- чётный, 2 нёчетный); bits – бит данных (7 или 8 бит данных); stop – указываются стоповые биты; converter – указывается тип управляющего преобразователя сети. В случае использования третьего порта, подключённого к автоматическому преобразователю АС4 на скорости 9600 кбит/с без бита чётности, с данными в формате 8 бит функция выглядит следующим образом: OpenPort(1, 2, 0, 1, 0, 1). Функция возвращает значение 0 при корректном открытии порта. Закрытие порта осуществляется функцией: function ClosePort: Integer. Чтение данных с приборов МВА8 и МДВВ в формате числа с плавающей точкой осуществляется функцией: function ReadFloat24 (adr,adr_type:DWORD; value:Single; index:Integer): Integer, где: adr – адрес устройства в сети RS-485; adr_type – длина адреса (8 или 11 бит); value – переменная куда считываются данные. command:PChar; var 152 Остальные параметры приводятся производителем по умолчанию, таким образом, для считывания с прибора с адресом 8 в формате 8 бит в переменную values, функция имеет вид: ReadFloat24 (8, 0, 'rEAd', values, -1). Аналогично осуществляется операция вывода управляющих сигналов на устройство МВУ8. Функция вывода имеет вид: function WriteFloat24(adr,adr_type:DWORD; command:PChar; value:Single; index:Integer): Integer. При выводе управляющего сигнала на прибор с адресом 8 в формате 8 бит из переменной values1 функция имеет вид: WriteFloat24(9,0,'r.oe',values1,-1). 4.3.2.2 Алгоритм работы программного обеспечения «Система автоматического управления малогабаритной сушильной установкой» Упрощённый алгоритм работы программного обеспечения «Система автоматического управления малогабаритной сушильной установкой» представлен на рисунке 4.6. При запуске программного обеспечения происходит считывание конфигурационного файла системы. По конфигурационному файлу системы происходит первоначальная инициализация системы программно-аппаратного комплекса. Устанавливаются значения задатчика, режимы архивации данных, отображения графиков, телекоммуникационные режимы. Установление связи с нижним уровнем осуществляется по нажатию кнопки «Установить соединение». Порт связи также прописывается в конфигурационном файле системы. После установки соединения система автоматического управления с заданным шагом начнёт считывать по сети показания датчиков системы, подключённых к модулю ввода аналоговому измерительному МВА8. 153 Рисунок 4.6 - Алгоритм работы программного обеспечения «Система автоматического управления малогабаритной сушильной установкой» 154 Система автоматического управления анализирует выбранный пользователем режим работы (автоматический или ручной). В ручном режиме контроль технологического процесса осуществляет оператор, непосредственно контролирующий подводимую мощность к исполнительным механизмам, а также контролирующий влажностный и температурный режим в термокамере сушильной установкой малогабаритной сушильной установки. В автоматическом режиме управление осуществляется без вмешательства оператора, ход процесса контролируется программой, сформированной в программном обеспечении «Конструктор алгоритмов работы малогабаритной сушильной установки» и загруженной в систему. При условии, что программа не была загружена в систему, управление осуществляется по программе, заложенной в программно-аппаратный комплекс по умолчанию. В соответствии с конфигурационным файлом системы при использовании режима «Сервис Webcam» и подключении к рабочей станции, на которой используется программное обеспечение «Система автоматического управления малогабаритной сушильной установкой», web-камеры, возможно передавать видео ряд на автоматизированное рабочее место удалённого доступа и webприложение. Работа по формированию видео ряда обеспечивается за счёт использования программного модуля «WEBCAM». Видео ряд, визуализирующий технологический процесс тепловой обработки и обезвоживания рыбы, в online режиме перенаправляется по средствам программного модуля «DATAREADER» на автоматизированное рабочее место удалённого доступа. Программный модуль «DATAREADER», который интегрирован в систему автоматического управления малогабаритной сушильной установкой, функционирует постоянно. Программный модуль «DATAREADER» предназначен не только для передачи видео ряда, но и для полного обеспечения информационного взаимодействия между системой автоматического управления и ее автоматизированным рабочем местом удалённого доступа или web-приложением. 155 Поступление команд от программного обеспечения «Автоматизированное рабочее место удалённого доступа к САУ МСУ» осуществляется в режиме ожидания. Функционирование информационных потоков, протекающих во время работы малогабаритной сушильной установки, представлено на рисунке 4.7 Рисунок 4.7 - Структурная схема информационных потоков. В качестве надёжного источника для транспорта потоков информации используется база банных Microsoft Access - «MSY_DATA». Использование базы данных, поддерживающей многопользовательский режим, позволяет устранить ошибки при подключении к единым ресурсам при их использовании. База данных содержит две таблицы «IN» и «OUT». Таблица «IN» содержит информацию, поступающую от удалённых средств управления малогабаритной сушильной установкой, а таблица «OUT» содержит информацию со всех датчиков и исполнительных механизмов системы. 156 Online-сервис «Мобильный обозреватель» функционирует по технологии FTP (File Transport Protocol). В процессе функционирования программного обеспечения «Система автоматического управления малогабаритной сушильной установкой» в непрерывном режиме отслеживается состояние работоспособности системы. При выявлении каких-либо ошибок, например, связанных с работой Com-порта или работой модулей автоматики, программное обеспечение оповестит о них. На экране высветится информационное сообщение об ошибке и краткая информация о ней. Пример информационного сообщения представлен на рисунке 4.8. Рисунок программного 4.8 – Информационные обеспечения «Система сообщения функционирования автоматического управления малогабаритной сушильной установкой» Вся информация об ошибках записывается в лог-файл системы. Формат имени лог-файла содержит дату и время первой возникшей ошибки последнего пуска установки: errors_18-32-39_030213.log. 157 4.3.2.3 Функциональная схема работы программного обеспечения «Система автоматического управления малогабаритной сушильной установкой» Программная часть программно-аппаратного комплекса автоматического управления процессами тепловой обработки и обезвоживания рыбы фактически позволяет пользователю самостоятельно конструировать функциональную схему системы автоматического управления, позволяет выбирать исполнительные механизмы (трубчатый электронагреватель, инфракрасные лампы) и вид поступающей информации с объекта (температура в термокамере, температура поверхности рыбы, внутренняя температура рыбы) Используя программное обеспечение «Конструктор алгоритма работы малогабаритной сушильной установки» пользователь может задавать различные комбинации этих параметров во времени, в зависимости от запрограммированного этапа работы. Приведём пример функциональной схемы системы автоматического управления при радиационном способе обезвоживания, при котором поддерживается постоянной температура поверхности рыбы с помощью инфракрасных ламп. Типовая функциональная схема работы системы управления в этом случае представлена на рисунке 4.9. ОУ - объект управления, Рег. - ПИД регулятор, Тпв - температура поверхности рыбы, Е(t) - рассогласование между заданным значением и регулируемым значением температуры поверхности, P(t) - управляющее воздействие, F(t) - возмущающее воздействие. Рисунок 4.9 – Функциональная схема системы автоматического управления при радиационном способе обезвоживания 158 Аналогичная система автоматического управления МСУ реализована для трубчатого электронагревателя, а вместо температуры поверхности рыбы, пользователем может быть выбрана температура в термокамере либо внутренняя температура рыбы. Причём при автоматическом управлении одним из исполнительных механизмов, на другой может быть подана фиксированная мощность. Для оптимизации автоматического коэффициентов управления использовалось разработанное ПИД малогабаритной регулятора сушильной системы установкой программное обеспечение PID OPTIMIZE VIEWER. При работе системы автоматического управления для реализации стадийного комбинированного метода сушки используется более сложная функциональная схема. Так как один из регуляторов системы должен поддерживать температуру в термокамере за счёт конвективной составляющей, а другой регулятор поддерживать температуру поверхности рыбы, подверженной обезвоживанию. Типовая функциональная схема работы системы управления при работе стадийного комбинированного метода тепловой обработки представлена на рисунке 4.10. Рисунок 4.10 – Функциональная схема работы системы управления при работе стадийного комбинированного метода тепловой обработки 159 На рисунке 4.10 Ткам – температура в термокамере. В данном случает F и F1 – не что иное, как перекрёстное влияние трубчатых электронагревателей на температуру поверхности рыбы, а также влияние инфракрасных ламп на общую температуру в термокамере. Программное обеспечение «Система автоматического управления малогабаритной сушильной установкой» является полностью самостоятельным приложением, способным обеспечить функционирование малогабаритной сушильной установки. Вместе с тем, использование прикладных программных средств программно-аппаратного исследования режимов тепловой комплекса обработки позволяет и сделать обезвоживания процесс рыбы, формирования новых программ функционирования более оперативным и качественным. 4.3.3 Прикладные программные средства программно-аппаратного комплекса гибкого автоматического управления процессами тепловой обработки и обезвоживания рыбы Прикладные программные средства обеспечивают функции модульности программной части программно-аппаратного комплекса, снимая часть функций по обеспечению информационной среды основного программного обеспечения «Система автоматического управления малогабаритной сушильной установкой». 4.3.3.1 Программный модуль «Конфигуратор системы автоматического управления малогабаритной сушильной установкой» Одним из основных прикладных программных средств, без которого невозможно функционирование системы автоматического управления, является программный модуль «Конфигуратор системы автоматического управления малогабаритной сушильной установкой». 160 «Конфигуратор САУ МСУ» предназначен для настройки программной части верхнего уровня системы автоматического управления малогабаритной сушильной установки. конфигурационным Программный файлом системы модуль работает с автоматического основным управления малогабаритной сушильной установки: «config.ini». Программный модуль позволяет пользователю производить следующие операции: − производить настройки соединения верхнего и нижнего уровней программно-аппаратного комплекса; − конфигурировать устройства ввода-вывода информации; − производить первоначальную настройку цифровых ПИД регуляторов; − выполнять сетевые настройки для функционирования модулей «DATAREADER» и «WEBCAM»; − подключать телекоммуникационные функции, такие как «Мобильный обозреватель САУ МСУ», Web-приложение САУ МСУ; − подключать режим архивации данных. Описание секций конфигурационного файла системы представлено в таблице 4.3. 161 Таблица 4.3 – Описания секций конфигурационного файла САУ МСУ №№ 1 2 3 4 5 6 7 8 Секции [Screen] Tvalue=60 TypUst=2 [Com] port=3 speed=5 interface=1 H=2000 Arxiv=0 Informmessage=1 [MBA8] Adr=16 CHi_NUM=5 CHi_M=1 CHi_S=0 [MBY8] Adr=8 OUTi_NUM=1 OUTi_MIN=0 OUTi_MAX=98 [MDBB8] Adr=8 OUTDi_NUM=1 [Graf] i_M=1 i_V=1 Fix=1 FixT=60 Time_delitel=60 Time_os=Время, мин Sglaj=0 [PID] K=10 Ti=5 Td=0 Umin=0 Umax=98 PID_P=50 PID_Type=3 [FTP] Server=ftp.narod.ru Login=votmax Password=apple Port=21 IIS=c:\inetpub\wwwr oot WWW=0 WebCam=0 Описание Секция предназначена для инициализации задатчика. Tvalue – значение задатчика по умолчанию, TypUst – контроль температуры (1 - в термокамере, 2 - поверхности сырья, 3 - внутренней). Секция содержит настройки USB соединения на порт, скорость и вид интерфейса коммуникационного оборудования. В данной случае выбран COM порт 3, работающий на скорости 9600 б/с. Интерфейс прибора АС4. Секция содержит информацию об использовании архивации данных и выводе информационных сообщений. Секция настроек прибора МВА8, содержит адрес устройства, а также информацию о используемых каналах (i), используемом масштабном коэффициенте M и смещении S. Секция настроек прибора МВУ8, содержит адрес устройства, информацию о используемых каналах (i), а также информацию о максимальном и минимальном значении выходных сигналов. Секция настроек прибора МDBB8, содержит адрес устройства, а также информацию о используемых каналах (i). Секция предназначена для инициализации графиков, для каждого графика (i) указывается масштабный коэффициент M и смещение V. Определяется режим фиксации времени Fix (1 - с фиксацией по FixT, сек; 2 - без фиксации). Определяется масштабность временной шкалы (Time_delitel), а также ее подпись (Time_os). Настраивается сглаживание графиков. Секция начальных настроек ПИД-регуляторов для программы по умолчанию функционирования малогабаритной сушильной установки. Описываются минимальные и максимальные ограничения на управляющие сигналы (Umin, Umax). Секция настроек телекоммуникационных online функций. В секции указывается учетная запись для доступа к ftp-серверу (Server, Login, Password, Port), а также учетная запись для доступа к Web-приложению САУ МСУ. Указывается директория размещения серверной части Webприложения (IIS). При подключении к системе Web-камеры, параметр WebCam установливается равным единице. 162 4.3.3.2 Программное обеспечение «Конструктор алгоритма работы малогабаритной сушильной установки» Программное обеспечение «Конструктор алгоритма работы малогабаритной сушильной установки» предназначено для проектирования алгоритма, по которому будет функционировать система управления в автоматическом режиме, рисунок 4.11. Рисунок 4.11 - Экранная форма программного обеспечения «Конструктор алгоритмов работы МСУ» «Конструктор алгоритмов работы МСУ» обеспечивает гибкость всего программно-аппаратного комплекса, так как позволяет настраивать программу под конкретные Программное технологические обеспечение даёт процессы возможность тепловой обработки пользователю сырья. вводить до 1000 этапов работы и на каждом конкретном этапе позволяет задавать различные комбинации мощности) режимов работы (автоматический режим, режим постоянной исполнительных центробежный вентилятор), механизмов (инфракрасные контролируемых параметров лампы, ТЭНы, (температура в термокамере, температура поверхности рыбы или внутренняя температура) Технологический процесс тепловой обработки рыбы, описанный в алгоритмах, можно предварительно смоделировать в разработанном программном обеспечении «Моделирование процессов термической обработки гидробионтов» для оперативного контроля выбранных режимов. 163 Пример записи программы функционирования малогабаритной сушильной установки для стадий подготовки полуфабриката для горячего копчения в комбинированном режиме функционирования представлен в таблице 4.4. Таблица 4.4 – Пример программы Этап Наименование этапа Продолжительность, мин Поддерживаемая температура Задатчик Работа вентилятора Режим работы ТЭН Режим работы ИКлампы 1 Разогрев 30 2 Подсушка 15 3 Проварка 60 4 Останов 15 В термокамере 70 да регулятор регулятор Поверхности рыбы 70 да Мощн. 50 % регулятор В термокамере В термокамере 110 да Мощн. 100 % регулятор 0 да Мощн. 0 % Постоянная мощность 0 % В случае таблицы 4.4. программно-аппаратный комплекс предварительно производит разогрев термокамеры до температуры 70 °С и в течение 30 минут поддерживает ее. Завершение каждого режима сопровождается тремя звуковыми сигналами. После размещения рыбы термокамера функционирует в течение 15 минут в режиме «Подсушки». Режим обеспечивается работой трубчатого электронагревателя на 50 % подводимой мощности, инфракрасными лампами управляет регулятор. По окончании режима подсушки, малогабаритная сушильная установка переходит в режим «Проварки», в котором температура в термокамере поддерживается на уровне 110 °С в течение 60 минут. На трубчатый электронагреватель подводится 50 % мощности, инфракрасными лампами управляет регулятор. Режим «Останов» предназначен для проветривания термокамеры малогабаритной сушильной установки в течение 15 минут. Программное обеспечение «Конструктор алгоритма работы МСУ» позволяет составлять и комбинировать любые режимы функционирования малогабаритной сушильной установки. 164 4.3.3.3 Программное обеспечение «Анализатор экспериментальных данных САУ МСУ» Программное обеспечение «Система автоматического управления малогабаритной сушильной установкой», в случае задания в конфигурационном файле системы функции архивации данных, будет вести в процессе работы запись всех переменных системы в базу данных Microsoft Acсess. В Delphi реализация подключения к базе данных выполнена с помощью интерфейса программирования приложений для доступа к данным ActiveX Data Objects, разработанного компанией Microsoft с использованием драйвера Microsoft Jet 4.0. В наименование базы данных входит дата и время запуска установки, во время которого велась архивация. Структура базы данных представлена в таблице 4.5. Таблица 4.5 – Структура архивной базы данных Наименование поля Status Описание поля В поле содержится описание происходящих действий, например, «Запуск», «Работа», «Включение исполнительного механизма…» Time_real Поле сохраняет текущее время работы Time_PO Поле сохраняет время работы от начала запуска программноаппаратного комплекса, с T_Optris Температура поверхности сырья, °С T_Product1,2,3,4 T_SUM P_Vent P_TEN P_LAMP Внутренняя температура продукта по слоям, °С Температура в термокамере, °С Подводимая мощность к вентилятору, % Подводимая мощность к трубчатому электронагревателю, % Подводимая мощность к инфракрасным лампам, % V Влажность в термокамере установки, % M Масса исследуемого образца, кг 165 Для просмотра заархивированных данных можно использовать Microsoft Acсess, однако использованием наглядности полученных разработанного данных программного можно обеспечения добиться с «Анализатор экспериментальных данных САУ МСУ», рисунок 4.12. Рисунок 4.12 - Экранная форма анализатор экспериментальных данных программного обеспечения «Анализатор экспериментальных данных САУ МСУ» Программное обеспечение позволяет выводить на печать необходимые графики, задавать временные рамки технологического процесса, а также производить масштабируемость переменных для наглядности отображения данных. Помимо функции отображения графиков, программное обеспечение обладает функцией подсчёта энергозатрат как по каждому исполнительному механизму в отдельности, так и суммарные затраты энергии в кВт•ч. Задание временных рамок позволяет выбирать из всех продолжительности технологического процесса необходимые этапы технологической обработки рыбы. Расчётные значения затрат электроэнергии непосредственно для данного этапа работы. будут определены 166 4.3.3.4 Программное обеспечение «Автоматизированное рабочее место удалённого доступа к САУ МСУ» Программное обеспечение «Автоматизированное рабочее место удалённого доступа к САУ МСУ» («АРМУД САУ МСУ») предназначено для организации рабочего места оператора малогабаритной сушильной установки на определённом расстоянии от нее в пределах локальной сети организации. «АРМУД САУ МСУ» работает в локальных сетях, построенных по стандарту Ethernet. Экранная форма программного обеспечения «АРМУД САУ МСУ» представлена на рисунке 4.13. Интерфейс программного обеспечения выполнен в том же стиле, что и «САУ МСУ», поэтому он не требует привыкания и дополнительного обучения оператора. Рисунок 4.13 - Экранная форма программного обеспечения «АРМУД САУ МСУ» В информационной системе программно-аппаратного комплекса на базе программного обеспечения «АРМУД САУ МСУ» реализованы функции сетевого контроля и управления малогабаритной сушильной установкой. Программное обеспечение позволяет удалённо управлять всем технологическим процессом, протекающим в малогабаритной сушильной установке. Для визуализации технологического процесса выводится на экран в online-режиме видео поток с 167 web-камеры, формируемый программным модулем «WEBCAM». Отображение видео потока позволяет пользователю (оператору) контролировать визуально технологический процесс сушки рыбы в малогабаритной сушильной установке. Взаимодействие с системой автоматического управления малогабаритной сушильной установкой основано на функционировании программного модуля «DATAREADER», производящего информационный обмен посредством базы данных «MSY_DATA», принцип работы которой описан выше. Программное обеспечение «АРМУД САУ МСУ» подключается к САУ МСУ по клиент-серверной технологии, выступая при этом в качестве «клиента». На сервере малогабаритной сушильной установки должно быть запущено программное обеспечение «САУ МСУ». По нажатию кнопки «Установить соединение» происходит подключение программного обеспечения «АРМУД САУ МСУ» к «САУ МСУ». Во время функционирования удалённого доступа происходит постоянный контроль установленного соединения по средствам базы данных «MSY_DATA». Программное обеспечение «АРМУД САУ МСУ» посылает информационные сообщения в САУ МСУ и ожидает ответ. В случае не поступления ответа соединение считается разорванным, и организуется автоматическое восстановление соединения. При невозможности установить соединение на экран программного обеспечения «АРМУД САУ МСУ» выводится тревожное сообщение: «Внимание! Соединение потеряно!». В случае удалённого управления, программная часть также контролирует установленное соединение, однако дальнейшее функционирование малогабаритной сушильной установки организуется в зависимости от её режима работы. В ручном режим и автоматическом режиме с программой по умолчанию происходит останов процесса сушки. В автоматическом режиме с пользовательской программой процесс сушки обеспечивается до завершения алгоритма работы программы. 168 4.3.3.5 Программное обеспечение «Мобильный обозреватель САУ МСУ» Как отмечалось ранее, в информационной системе программно-аппаратного комплекса автоматического управления процессами тепловой обработки и обезвоживания сырья присутствуют телекоммуникационные функции, способствующие созданию и расширению информационной среды контроля и управления процессами сушки гидробионтов в малогабаритной сушильной установке. Программное обеспечение выполняет одну из таких функций. Программное обеспечение «Мобильный обозреватель САУ МСУ» будет работать при включении функции «Online-мониторинг» в основном конфигурационном файле системы, приложение П. Online-мониторинг основан на использовании протокола FTP, предназначенного для передачи файлов в информационных компьютерных системах. Работа с протоколом FTP выполнена с помощью стандартной компоненты Delphi «IdFTP». Программное обеспечение «Мобильный обозреватель САУ МСУ» формирует файлы в формате html и передаёт их на удалённый сервер. В системе, в качестве удалённого сервера, выбран сервер Мурманского государственного технического университета: http://ftp.mstu.edu.ru. Установка FTP сервера на локальном компьютере может быть установлена с помощью стандартных возможностей Windows в меню «Установка компонентов Windows». Пользователи, используя телекоммуникационные каналы связи, такие как мобильная связь, Интернет, и набирая в браузере мобильных устройств адрес http://aivt.mstu.edu.ru/msu_viewer.html, в online-режиме производят мониторинг функционирования программно-аппаратного комплекса. В качестве переменных мониторинга вынесена вся получаемая с датчиков системы информация, а также вынесена информация о режимах работы термокамеры механизмов (центробежный инфракрасные лампы). вентилятор, трубчатый и исполнительных электронагреватель, 169 Пример формируемого по адресу http://aivt.mstu.edu.ru/msu_viewer.html сообщения: Обозреватель САУ МСУ Время: 28 сек Начальные параметры: Тип управления - Автоматическое Контролируемые параметры: Т(поверх.) - 60 °С Т(внутр.) - 45 °С Т(камера) - 65 °С Т(симисторы) - 15 °С Управление: Вентилятор - ВЫКЛ ТЭН – 50 % ИК-Лампы – 50 % Информация мониторинга обновляется с шагом функционирования системы автоматического управления программно-аппаратного комплекса. Для уменьшения затрат трафика используется принцип минимизации кода, осуществленный на языке гипертекстового документа HTML. Одной из проблем протокола FTP является его защита. Протокол не шифруется, при аутентификации передаются логин и пароль открытым текстом, поэтому разработка, помимо мониторинга, ещё и удалённого контроля, в данной телекоммуникационной функции программно-аппаратного комплекса была нецелесообразной. Телекоммуникационные применены, например, функции начальником Online-мониторинга цеха технологических параметров сушки гидробионтов. для могут мониторинга быть заданных 170 4.3.3.6 «Web-приложение системы автоматического управления малогабаритной сушильной установкой» Развитие информационных технологий в настоящее время способствовало появлению тенденции разработки различных программ в виде web-приложений. Web-приложение – это клиент-серверное приложение, в котором в качестве клиента выступает браузер пользователя, а в качестве сервера – web-сервер. Web-приложения обладают существенным преимуществом, так как их функции выполняются независимо от операционной системы, вида браузера и мобильного устройства для выхода в «Интернет» пользователя, приложения Н, О. Экранная форма Web-приложения системы автоматического управления малогабаритной сушильной установкой в браузере Internet Explorer представлена на рисунке 4.14. В отличие от программного обеспечения «АРМУД САУ МСУ», работающего непосредственно в локальной сети, Web-приложение «САУ МСУ» работает также и в глобальной сети «Интернет». Использование Web-приложения «САУ МСУ» позволяет значительным образом расширить границы обустройства рабочего места оператора малогабаритной сушильной установки. Для функционирования Web-приложения на сервере системы автоматического управления установлена служба IIS. За безопасное соединение через открытую информационную среду Интернет обеспечивается и защиту информационной системе программно-аппаратного комплекса отвечает настроенный протокол SSL. Подключение к серверу системы автоматического обеспечения обеспечивается по аутентификации пользователя с его определенной учетной записи. На сервере САУ МСУ доступ к web-приложению обеспечивается по адресу https://localhost/. В локальной сети или в сети интернет доступ к web-приложению будет обеспечиваться по IP адресу сервера в данной сети. 171 Рисунок 4.14 – Экранная форма web-приложения САУ МСУ Механизмы взаимодействия Web-приложения с САУ МСУ основаны на использовании технологии ASP.NET фирмы Microsoft и языка программирования Visual Basic. Особенность активных ASPX (Active Server Pages) страниц является то, что с помощью сценариев VBScript на языке программирования Visual Basic можно искусственно формировать HTML страницы, наполняя их каждый раз новым динамически изменяющимся содержимым. Web-приложение САУ МСУ состоит из четырех страниц, представленных в таблице 4.6. Таблица 4.6 – Описание страниц web-приложения САУ МСУ № 1 2 Наименование страницы index.htm msy.htm 3 msy_contr.aspx 4 datareader.aspx Технология Описание формирования HTML Главная страница web-приложения HTML Страница «Управление» для отправки сообщений на страницу datareader.aspx ASPX Страница «Контроль» для индикации всех параметров САУ МСУ ASPX Страница связи с САУ МСУ 172 Главная страница web-приложения организована с использованием двух фреймов и выводит на экран страницы «Управление» и «Контроль». Страница «Управление» выполнена в виде тэгов HTML и содержит механизмы передачи сообщений на страницу datareader.aspx с помощью тегов <form></form> по событию «submit». Вид HTML при задании температуры в термокамере выглядит следующим образом: <form method="post" name="form_data" action=" datareader.aspx"> <input name="temp" maxlength="20" value="" /> <input type="submit" value="Задать" name="button"> Особенностью web-приложения является возможность загрузки программы функционирования малогабаритной сушильной установки через web-интерфейс. HTML код на странице msy.htm выглядит следующим образом: <form id="Form1" method="post" enctype="multipart/form-data" runat="server"> <INPUT type=file id=File1 name=File1 runat="server" /> Свойство runat="server" указывает на то, что события формы должны обрабатываться непосредственно сервером. Во всех тегах <form></form> используется скрытый метод передачи информации на страницы-обработчики – «post». Страница «datareader.aspx» является обработчиком событий web- приложения, обработанные события с ее помощью передаются в программный модуль «DATAREADER», интегрированный в систему автоматического управления малогабаритной сушильной установкой. Передача программы функционирования малогабаритной сушильной установки на странице-обработчике «datareader.aspx» организовано следующим образом: 173 Dim fn As String = System.IO.Path.GetFileName(File1.PostedFile.FileName) Dim SaveLocation as String = Server.MapPath("Data") & "\" & fn Try File1.PostedFile.SaveAs(SaveLocation) Response.Write("Программа успешно загружена") Catch Exc As Exception Response.Write("Error: " & Exc.Message) End Try Страница «Контроль» является активной серверной страницей, обновляющейся в реальном времени с шагом функционирования САУ МСУ и выводящей на экран пользователя информацию обо всех технологических параметрах процесса сушки гидробионтов. Взаимодействие с базой данных «MSY_DATA» программного модуля «DATAREADER» со страниц «datareader.aspx» и «msy_contr.aspx» организовано на основе ADO (ActiveX Data Objects) подключения следующим образом: Dim Conn, RS, strSQL Conn = Server.CreateObject("ADODB.Connection") Conn.Open ("Provider=SQLOLEDB.1; Initial Catalog=MSY_DATA; Data Source=localhost") RS = Server.CreateObject("ADODB.Recordset") strSQL = "select * from DATA" RS.Open (strSQL, Conn) На основании считанной с базы данных «MSY_DATA» информации происходит формирование страницы «Контроль» в виде HTML структуры. Формирование страниц обеспечивается функцией Response.Write (). Помимо взаимодействия с программным модулем «DATAREADER» webприложения получает видеопоток и с программного модуля «WEBCAM». Отображение видео потока позволяет пользователю (оператору) контролировать 174 визуально технологический процесс сушки гидробионтов в малогабаритной сушильной установке. Таким образом, возможности web-приложения «САУ МСУ» позволяют подключаться к системе автоматического управления, не привязываясь к конкретному местоположению малогабаритной сушильной установки. В отличие от программного обеспечения «Мобильный обозреватель «САУ МСУ» web-приложение «САУ МСУ» позволит начальнику цеха, технологу, инженеру вести постоянный контроль технологического процесса сушки гидробионтов непосредственно не находясь у сушильной установки. Web-приложение САУ МСУ позволяет контролировать процесс сушки гидробионтов с любых мобильных устройств, в любых операционных системах, поэтому использование данного приложения возможно на бесплатных «Open Source» ресурсах, например на операционных систем Linux. Учитывая тот факт, что разработанные телекоммуникационные функции для малогабаритной сушильной установки легко переводятся и перенастраиваются на другие установки и технологические процессы, можно предложить внедрение Web-приложений на все имеющиеся технологические установки и системы организации. Такое внедрение позволит сконцентрировать информацию, поступающую от различных технологических процессов, будь то сушка, копчение, выпечка на едином рабочем месте и отказаться от высоко стоимостных SCADA-систем. 175 4.4 Разработка оптимизации программных алгоритмов для моделирования и цифровых пропорционально – интегрально – дифференциальных регуляторов программно-аппаратного комплекса В автоматическом режиме работы системы управление технологическим процессом осуществляется пропорциональных посредством встроенных интегро-дифференциальных (ПИД) цифровых регуляторов, использование которых обуславливается их распространённостью в системах автоматического управления, простотой и надёжностью. Для уменьшения времени поиска оптимальных параметров цифровых ПИД регуляторов использовалось разработанное программное обеспечение PID OPTIMIZE VIEWER, с помощью которого производилась первоначальная настройка цифровых ПИД регуляторов. Рисунок 4.15 – Экранная форма программного обеспечения PID OPTIMIZE VIEWER 176 Программное обеспечение PID OPTIMIZE VIEWER позволяет моделировать поведение объектов управления до десятого порядка включительно с возможностью определения постоянной времени запаздывания объекта. 4.4.1 Основные функциональные особенности программного обеспечения PID OPTIMIZE VIEWER Основные функциональные особенности программного обеспечения PID OPTIMIZE VIEWER при моделировании поведения САУ: − выбор структуры цифрового регулятора (ПИ, ПД, ПИД); − выбор формы записи цифрового ПИД регулятора (рекуррентная, нерекуррентная); − выбор ограничения как на выходе цифрового ПИД регулятора (рекуррентная и нерекуррентная форма записи), так и внутри регулятора (рекуррентная форма записи); − задание формы сигнала задающего воздействия q(t); − возможность определение шага квантования цифрового ПИД регулятора по методике Т95 на основе передаточной функции объекта управления. Для получения качественного управления ПИД регулятор необходимо настроить по заданным критериям качества. Под критериями качества понимаются интегральные оценки: интеграл от абсолютной величины ошибки управления, интеграл от квадрата ошибки управления и так далее. В зависимости от целей управления должна быть выбрана соответствующая интегральная оценка. Интегральная оценка является обобщённым показателем качества переходного процесса, при этом, в отношении ПИД регулятора, является функцией, зависящей от параметров пропорциональной составляющей регулятора, интегральной и дифференциальной постоянных времени, а также шага квантования. Задачей оптимизации называется задача поиска минимума скалярной функции на множестве значений ее аргумента [40]. В отношении ПИД-регулятора, 177 задача оптимизации - определение минимальной величины интегральной оценки на множестве значений параметров регулятора. В системе используется пять интегральных оценок, как традиционных, так и модифицированных: ∫ E (t )dt; (4.1) ∫E (4.2) 2 (t )dt ; ∫ E (t ) m (4.3) * k * t n dt ; ∫E m (t ) + k * E ' (t ) dt ; (4.4) ∫E m (t ) + k * ∆U (t ) dt. (4.5) n n Значения m, k, n - вводятся пользователем. Оптимизация цифрового ПИД регулятора осуществляется в программном обеспечении в автоматизированном режиме с помощью следующих математических методов поиска экстремума с точностью Е, задаваемой пользователем: − метода покоординатного спуска; − метода градиентного спуска с постоянным шагом спуска; − метода наискорейшего градиентного спуска с переменным шагом; − метода наискорейшего градиентного спуска с диверсифицированным по каждому параметру цифрового ПИД регулятора шагом спуска. В настоящее время существует большое разнообразие алгоритмов поиска оптимума, основанных на различных математических методах [131]. Задача выбора подходящего для решения конкретной задачи алгоритма весьма актуальна. При разработке программных алгоритмов определения оптимальных параметров ПИД регулятора выбор используемого математического алгоритма представляет собой компромисс между точностью приближения к точке оптимума, временными затратами электронной вычислительной машины и простотой реализации. Так, наиболее простыми, с точки зрения программной реализации, являются следующие методы оптимизации: 178 - метод покоординатного спуска; - метод градиентного спуска. Метод градиентного спуска применим для расчёта широкого круга сложных прикладных задач [1]. Основная идея метода градиентного спуска состоит в том, чтобы двигаться к минимуму функции интегральных оценок в направлении ее наиболее быстрого убывания, которое определяется антиградиентом ∇F: K [ j + 1] = K [ j ] − H * ∇F ( K [ j ]); (4.6) Ti[ j + 1] = Ti[ j ] − H * ∇F (Ti[ j ]); (4.7) Td [ j + 1] = Td [ j ] − H * ∇F (Td [ j ]). (4.8) В формулах j-номер итерации определения оптимального параметра; H - шаг, с которым осуществляется градиентный спуск, на практике шаг может выбираться: постоянным; дробным; переменным. Выбор постоянного и дробного шагов с точки зрения скорости и точности сходимости метода градиентного спуска не оптимален. Если постоянный шаг выбирается малым, то метод сходится медленно. Увеличение постоянного шага приводит к расходимости метода. Использование дробного шага, как и постоянного, приводит к увеличению итераций поиска оптимума. Метод градиентного спуска с использование переменного шага, который ещё называется методом наискорейшего градиентного спуска, позволяет избавиться от недостатков постоянного и дробного шагов, сократив количество итераций поиска и увеличив вероятность сходимости метода. Такой метод требует определения шага H на каждой итерации при помощи одномерной оптимизации. Однако, использование одного и того же значения шага H для каждого параметра ПИД регулятора приводит к определённому затягиванию процесса поиска оптимума. Как показала практика, при использовании дифференцируемого по 179 каждому параметру ПИД регулятора шага градиентного спуска сходимость метода улучшается, а количество итераций поиска оптимума уменьшается. Формулы при использовании дифференцированного шага преображаются: K [ j + 1] = K [ j ] − H [ K ] * ∇F ( K [ j ]); (4.9) Ti[ j + 1] = Ti[ j ] − H [Ti ] * ∇F (Ti[ j ]); (4.10) Td [ j + 1] = Td [ j ] − H [Td ] * ∇F (Td [ j ]). (4.11) Шаг по каждому параметру ПИД регулятора определяется исходя из условий: F ( K [ j ] − H [ K ] * ∇F ( K [ j ]) → min; (4.12) F (Ti[ j ] − H [Ti ] * ∇F (Ti[ j ]) → min; (4.13) F (Td [ j ] − H [Td ] * ∇F (Td [ j ]) → min . (4.14) Определение дифференцируемого по каждому параметру ПИД регулятора шага наискорейшего градиентного спуска возможно при помощи метода одномерной оптимизации. Основная идея метода покоординатного спуска, как и у градиентного, состоит в том, чтобы свести задачу о нахождении наименьшего значения функции интегральных оценок от значений параметров K, Ti, Td к многократному решению одномерных задач оптимизации по каждой переменной. Для уменьшения временных затрат электронной вычислительной машины на определение оптимальных параметров ПИД регулятора, целесообразней использовать метод золотого сечения. Поиск с помощью метода золотого сечения является асимптотически наиболее эффективным способом реализации минимаксной стратегии поиска, так как требует наименьшего числа «оцениваний» значения функции для достижения заданной точности по сравнению с другими методами исключения интервалов. Как известно, основным недостатком метода золотого сечения является то, что если в некоторой области функция, помимо ярко выраженного глобального экстремума, имеет несколько локальных минимумов, то процесс, вполне вероятно, может сойтись к одному из них. На рисунке 4.16 180 представлена ситуация, когда метод золотого сечения по коэффициенту (К) сходится к точке локального экстремума (B), а не глобального (A). Рисунок 4.16 – Ситуация нескольких экстремумов Рисунок 4.17 – Решение ситуации с несколькими экстремумами Для устранения влияния локальных минимумов целесообразно разбивать всю область поиска оптимального параметра ПИД регулятора на N частей, и на каждой части, методом золотого сечения, определять свой локальный минимум. Глобальный экстремум определится на основании анализа локальных минимумов на каждой из N частей. Соответственно, увеличивая значение N, увеличивается и точность работы программного алгоритма. Для ситуации, показанной на рисунке 1, вполне подходит значение N равное шести, а сам метод золотого сечения определённо сойдётся к точке глобального экстремума (А), рисунок 4.17. Как показали проведённые исследования, алгоритмы поиска оптимальных параметров регулятора разработанного программного обеспечения получились в 181 большей степени оптимальней, чем модуль SIMULINK RESPONSE OPTIMIZATION пакета прикладных программ MATLAB версии 7.7.0 [7]. Так, например, для передаточной функции описывающей изменение температуры в термокамере сушильной установки при работе с использованием трубчатого электронагревателя, полученной во второй главе, с двукратным ограничением по управлению, подобранные коэффициенты ПИД регулятора по интегральной оценке №2 методом наискорейшего градиентного спуска с переменным шагом будут: K= 10.754, Ti= 28.053, Td= 0.568. Таким образом, разработанное программное обеспечение PID OPTIMIZE VIEWER позволяет моделировать поведение объектов управления с возможностью определения постоянной времени запаздывания объекта и может быть использовано при определении оптимальных коэффициентов ПИД регуляторов не только для системы автоматического управления разработанного программно-аппаратного комплекса автоматического управления малогабаритной сушильной установкой, но и для других систем. 4.5 Компьютерный метод исследования процессов тепловой обработки рыбы при обезвоживании Полученные во второй и третьей главе передаточные функции изменения температуры в термокамере малогабаритной сушильной установки в зависимости от работы исполнительных механизмов – трубчатого электронагревателя или инфракрасных ламп, а также полученная математическая модель прогрева рыбы в процессе сушки в малогабаритной сушильной установке для удобства использования и применения легли в основу разработанного компьютерного программного обеспечения, приложения Л, М: - компьютерная модель прогрева рыбы в процессе тепловой обработки; - моделирование процессов тепловой обработки рыбы. 182 Рисунок 4.18 – Экранная форма программного обеспечения «Компьютерная модель прогрева рыбы в процессе сушки» В первом программном обеспечении «Компьютерная модель прогрева рыбы в процессе тепловой обработки» заложены формулы для определения постоянных времени изменения внутренней температуры рыбы и температуры на поверхности рыбы в зависимости от удельной поверхности образца, подверженного обработке. Входными параметрами для расчёта будут являться: - способ обезвоживания (конвективный, радиационный, комбинированный); -температура окружающей среды, °С; -температура тепловой обработки, °С; -удельная поверхность рыбы, подверженной обработке, м2/кг; -продолжительность тепловой обработки, с. 183 По нажатию кнопки «Расчёт» программное обеспечение определить передаточные функции для построения графиков изменения температуры поверхности рыбы и её внутренней температуры во времени. Таким образом, пользователю, технологу не обязательно знать все полученные зависимости, а работать непосредственно в готовом программном обеспечении. Сформированный математический аппарат позволяет также разработать компьютерную нелинейную математическую модель процесса тепловой обработки рыбы при обезвоживании. Структурная схема малогабаритной сушильной установки для разрабатываемой компьютерной модели представлена на рисунке 4.19. Рисунок 4.19 – Структурная схема разрабатываемой компьютерной модели процесса тепловой обработки рыбы при обезвоживании Входным параметром структурной схемы являются температура окружающей среды (Токр). Параметры подаваемой мощность на исполнительные механизмы Pтен, Рвент и Рик определяются непосредственно системой автоматического управления в зависимости от алгоритма работы малогабаритной сушильной установки, режима сушки, а также удельная поверхность гидробионта, для расчета передаточных функций по Тпов и Твн. 184 Компьютерная нелинейная математическая модель процесса тепловой обработки рыбы при обезвоживании получила развитие в разработанном программном обеспечении «Моделирование процессов тепловой обработки рыбы». Вид экранной формы программного обеспечения представлен на рисунке 4.20. Рисунок «Моделирование 4.20 – Экранная форма программного обеспечения процессов тепловой обработки рыбы» Для моделирования тепловой обработки путассу при её обезвоживании радиационным способом при температуре 50 °С необходимо ввести в программное обеспечение следующие настройки: Способ: Радиационный. Удельная поверхность гидробионта: 0,165 м2/кг. Температурный режим: 50 °С. 185 Параметры ПИД-регуляторов: рассчитанные оптимальные. Программное обеспечение по разработанному методу по введённой удельной поверхности рыбы определит постоянные времени нагрева и определит передаточные функции для расчёта Тпов и Твн в виде, аналогичном представленному в таблице 4.7. Таблица 4.7 – Передаточные функции Тпов и Твн. Внутренняя температура Температура поверхности После ввода всех параметров программное обеспечение произведёт моделирование технологического процесса. Результаты данного моделирования представлены на рисунке 4.20. Рисунок 4.21 – Моделирование радиационного способа обработки путассу при температуре 50 °С. 186 Отличительной особенностью разработанного программного обеспечения является функция прогноза массопотерь и остаточной массы продукта. Функция прогноза осуществляется на основе накопленного опыта сушки различных образцов гидробионтов. Программное обеспечение «Моделирование процессов тепловой обработки рыбы» позволяет с достаточной степенью достоверности моделировать различные способы тепловой обработки, позволяет анализировать температуру поверхности и внутреннюю температуру сырья. Стоит отметить, что разработанное программное обеспечение «Моделирование процессов тепловой обработки рыбы» позволяет загружать алгоритмы программы, подготовленные для системы автоматического управления малогабаритной сушильной установкой в конструкторе. Таким образом, разработанный математический аппарат позволил в виде программного обеспечения реализовать математическую температурная модель технологического процесса тепловой обработки рыбы, основанную на методе расчёта внутренней температуры рыбы, температуры поверхности рыбы по средствам использования величины удельной поверхности полуфабриката, подверженного обезвоживанию. Использование компьютерного моделирования обработки рыбы процессов тепловой при обезвоживании позволяет сократить время на анализ и апробацию новых температурных режимов тепловой обработки для различных образцов рыб, а также может быть применено при разработке новых кулинарные блюд и решений. 187 4.6 Выводы по четвертой главе Приведены основные составляющие аппаратной и программной части программно-аппаратного комплекса автоматического управления процессами тепловой обработки и обезвоживания рыбы. Представлена структурная схема аппаратной части и основные используемые модули автоматики фирмы «Овен». Применение автоматики российского производителя, в отличие от иностранных производителей, позволило снизить себестоимость программно-аппаратного комплекса. Представлена структура программной части комплекса, включающая в себя как основное программное обеспечение «Система автоматического управления программные малогабаритной средства, сушильной образующие установкой», информационную так и прикладные среду комплекса. Приведён алгоритм работы программного обеспечение «Система автоматического управления малогабаритной сушильной установкой» Обозначены системные требования и информационная безопасность программно-аппаратного комплекса. Использование современных информационных средств сетевого контроля, таких телекоммуникационных функций как АРМУД САУ МСУ, мобильный обозреватель, а также web-приложение САУ МСУ позволило не привязывать рабочее место оператора к малогабаритной сушильной установке. Применение мобильных средств online-мониторинга и контроля по телекоммуникационным каналам связи позволило производить контроль технологического процесса, даже не находясь в помещении цеха, где установлена установка. Регуляторы программно-аппаратного комплекса настроены на оптимальное управление технологическим процессом тепловой обработки рыбы с помощью разработанного программного обеспечения «PID OPTIMIZE VIEWER». На базе программного обеспечения «Система автоматического управления малогабаритной сушильной установкой», с использованием прикладных программных средств, реализована система гибкого автоматического управления 188 процессами термической обработки сырья, необходимая малых предприятиям пищевой промышленности. Гибкость обеспечивается за счёт разработки собственных алгоритмов технологических процессов на базе программного обеспечения «Конструктор алгоритмов работы малогабаритной сушильной установки». Сформированы алгоритмы программ для процессов сушки и вяления рыбы. Применены телекоммуникационные средства обеспечения технологического процесса, позволяющие снизить затраты на производство готовой продукции в результате применения мобильного удалённого контроля и управления технологическим процессом. Реализована математическая температурная модель технологического процесса обезвоживания рыбы в термокамере, основанная на методе расчёта внутренней температуры рыбы, температуры поверхности рыбы по средствам использования величины удельной поверхности полуфабриката, подверженного обезвоживанию в виде компьютерного программного обеспечения. Результаты диссертационной работы в виде программно-аппаратного комплекса гибкого автоматического управления процессами термической обработки сырья для малогабаритной сушильной установки внедрены в производство ООО «Интро» (г. Мурманск, ул. Спортивная, д. 13) с целью изготовления и реализации через розничную торговлю готовой продукции. Разработанная малогабаритная сушильная установка внедрена в учебноэкспериментальный цех ФГБОУ ВПО «Мурманский технический университет», а также используется в подготовке студентов по специальности государственный учебном процессе при 220700.62 «Автоматизация технологических процессов и производств» (выполнение лабораторных работ по дисциплине «Технология пищевых производств»). 189 Глава 5 Экономическая оценка проекта автоматизации малогабаритной сушильной установки 5.1 Экономическое обоснование проекта автоматизации технологического процесса обезвоживания рыбы В связи с повышением цен на энергоресурсы, развитием рыночной экономики, одной из первоочередных задач бизнеса является внедрение энергосберегающих технологий, гибких автоматических систем управления. Эти факторы приводят к внедрению новых, современных, эффективных средств автоматизации технологических процессов. В предлагаемом автоматизация процесса диссертационном исследовании тепловой обработки и предусматривается обезвоживания рыбы с применением программных и технических средств вычислительной техники. Малогабаритная сушильная установка позволит совершенствовать организацию технологического процесса обработки рыбы. А это, в свою очередь, позволяет планировать уменьшение затрат времени при выполнении аналогичного объёма работ и снижение затрат, в части экономии электроэнергии. Для оценки денежных потоков, которые будут генерировать применяемое техническое решение, необходимо определить объём средств, требуемых для реализации технической части программно-аппаратного комплекса (объём капитальных вложений), текущих затрат, прибыльности, эффективности и срока его окупаемости. Целью настоящей работы является повышение эффективности процессов тепловой обработки рыбы при обезвоживании при снижении себестоимости готовой продукции за счёт применения программно-аппаратного комплекса гибкого автоматического управления при сохранении высокого качества готовой продукции, что позволит увеличить надёжность, качество и эффективность работы системы. 190 5.2 Расчёт капитальных вложений (инвестиции) (КВ) Инвестиции — это капитальные вложения финансовых средств в различные виды экономической деятельности с целью сохранения и увеличения капитала. Реальные инвестиции (капитальные вложения) — это вложения средств в физический капитал предприятий, например, в создание новых основных фондов, реконструкцию старых фондов или их техническое перевооружение. Капитальные вложения, в основном направляются на повышение эффективности деятельности предприятия. Целью этих инвестиций является создание условий для снижения затрат предприятия за счёт замены устаревшего оборудования, переобучения персонала или перемещения производственных мощностей предприятия с более выгодными условиями производства и сбыта. Вместе с тем, инвестиции в создание новых производств предназначены для создания совершенно новых мощностей и освоения новых технологий для выпуска товаров и услуг, ранее данным предприятием не производившихся. Капитальные затраты – это затраты на закупку оборудования, необходимого для осуществления проекта. Для определения капитальных затрат необходимо уточнить какое оборудование необходимо для реализации проекта, какие технические характеристики должны быть у него и найти стоимость такого вида оборудования по прайс-листам магазинов или на сайтах производителей оборудования. Проект разработки программно-аппаратного комплекса гибкого автоматического управления технологическим процессом сушки гидробионтов предполагает оснащение конструирование её системой малогабаритной автоматического сушильной управления, установки и датчиками и исполнительными механизмами. Стоимость оборудования, т.е. исходные данные для расчёта капитальных затрат приведены в таблице 5.1. 191 Таблица 5.1 - Капитальные вложения (КВ) Количе ство Цена, руб. 1 41638 41638 1 20000 20000 2 1 1 332 1551 2000 664 1551 2000 1 1716 1716 1 1175 1175 1 25000 25000 1 1550 1550 1 5180 5180 1 12500 12500 1 1 1 4189 5133 3481 4189 5133 3481 2 5428 10856 1 1829 1829 1 1593 1593 1 12700 12700 1 1 1 3500 890 0 3500 890 0 Симистор BTB24-600B 2 110 220 Ящик монтажный 1 2250 2250 Прочие расходы 1 1100 1100 Наименование оборудования Малогабаритная сушильная установка (метал лист холоднокатаный 8х1500х6000) Малогабаритная сушильная установка (сварочные работы) Инфракрасные лампы КГТ 220-1000-1 ТЭН - 100 А13/2 кВт «S» 220 В Ф2 Камера для ТЭН Центробежный вентилятор АВ – 052 – 2МУЗ № 35346 Термопреобразователь сопротивления ДТС045 типа ТСП 100П фирмы «ОВЕН» Инфракрасный датчик температуры серии CT фирмы «Optris» Датчик температуры ТС-0295/1 фирмы «Элемер» Датчик влажности и температуры ДВТ-03.ТЭ фирмы «РЭЛСИБ»; Фиксирующее наводящее устройство (метал+сварочные работы) Модуль ввода аналоговый ОВЕН МВА8 Модуль вывода управляющий ОВЕН МВУ8 Модуль дискретного ввода/вывода ОВЕН МДВВ Блок управления тиристорами и симисторами БУСТ2 Автоматический преобразователь интерфейсов USB/RS-485 ОВЕН АС4 Блок питания БП14Б-Д4.2-24 Системный блок ПК серии TC-Economo (Intel Pentium, Core i3, Asus H81M-C microATX, 4G DDR3, Intel HD Graphics, 500G-2T) Монитор LCD 18.5" LED 16:9 Benq GL955A Периферийные устройства ПК (мышь, клавиатура ) Программное обеспечение Итого Стоимость, руб. 160715 Следовательно, капитальные вложения с учётом стоимости сушильного аппарата составляют 160715 рублей. 192 5.3 Расчёт текущих затрат Затраты характеризуют денежное выражение ресурсов (материалов, труда персонала, оборудования, финансов, собственных и покупных услуг и т.д.), израсходованных на производство и сбыт продукции и трансформирующихся в себестоимость продукции, работ и услуг предприятия Текущие затраты состоят из материальных затрат (затраты на сырье), амортизационных отчислений по используемому в проекте оборудованию, затрат на заработную плату исполнителям, начислений на оплату труда, а также затрат на организацию рабочих мест, электроэнергию, затрат на ремонт и содержание оборудования и пр. 5.3.1 Затраты на сырье (Зс) Затраты на сырье определяются на основе рецептуры и технологии, которые должны учитывать объем производимой продукции и особенности производства для данного типа предприятия. Технология рецептуры и требования к качеству продукции оформляются в виде технологических карт, кроме того на основной ассортимент продукции разрабатывается комплексная технологическая схема. В технологическом процессе сушки рыбы используется традиционное сырье северного бассейна - путассу, камбала-ёрш, окунь, мойва, филе трески. Исходя из параметров и мощности сушильной установки максимальная загрузка оборудования сырьём составит: путассу - 12 кг, камбала-ёрш – 14 кг, окунь - 12,5 кг, мойва - 11 кг, филе трески - 13 кг. Для поставки на рынок продукции разного ассортимента технологический процесс сушки гидробионтов представленного сырца производился поочерёдно для каждого вида (по 49-50 рабочих дней). Общая сумма затрат на сырье определяется по формуле: Зс = ( К × Ц ) (5.1) 193 где: К - количество сырья по каждому виду (ассортименту) продукции, кг.; Ц - цена сырья, руб. Данные для расчёта представлены в таблице 5.2. Таблица 5.2 - Расчёт затрат на сырье Наименование рыбысырца Условия 1 Путассу Окунь потр. б/г Филе трески Камбала- ерш потр. б/г Мойва Соль Итого Цена на 3.02.14 Цена на 3.02.14 Цена на 3.02.14 Цена на 3.02.14 Цена на 3.02.14 Цена на 3.02.14 Кол-во расходуемо го сырья за год, кг 2 Средняя стоимость единицы сырья 3 Сумма затрат руб. 700 425 550 700 650 276 3301 37 руб./кг 130 руб./кг 138 руб./кг 95 руб./кг 34руб./кг 15 руб./кг - 25900 55250 75900 66500 22100 4125 249775 5=2*3 Для расчёта использованы данные прайс-листов по состоянию на 03 февраля 2014 года регионального предприятия ООО «Путина», а так же ЗАО «Мурманторгснабсервис», занимающихся производством и реализацией рыбы и рыбопродукции. 5.3.2 Расчёт эксплуатационных расходов (Зэкспл) Эксплуатационные расходы связаны с поддержанием в работоспособном состоянии используемых систем, машин и средств автоматизации оборудования. Расчёт общих эксплуатационных затрат на содержание и эксплуатацию оборудования (вода, тепло) обычно устанавливают в процентном отношении от капитальных вложений. В диссертационной работе эксплуатационные расходы приняты 0,3 % от капитальных вложений и составляют: Зэкспл = КВ × 0,003 = 160715 × 0,003 = 482 руб. (5.2) 194 Следовательно, годовая сумма эксплуатационных расходов составит 482 рубля. 5.3.3 Расчёт расходов на оплату труда (Ззп) Телекоммуникационные функции разработанной системы, позволяют в удалённом доступе, производить мониторинг и управление технологическим процессом. Поэтому, вполне достаточно иметь минимальное количество персонала занятого неполный рабочий день. Для обеспечения нормальной работы малогабаритной сушильной установки необходим следующий персонал: - технолог для контролирования технологического процесса изготовления гидробионтов – 0,5 ставка; - наладчик по ремонту и обслуживанию аппаратуры, релейной защиты и автоматики – 1 человек на 0,5 ставки. Рассчитаем заработную плату персоналу исходя из минимального размера оплаты труда. Федеральный закон «О минимальном размере оплаты труда» № 82-ФЗ от 19 июня 2000 г. (с изменениями и дополнениями от 2 декабря 2013 года) установлен в Российской Федерации минимальный размер оплаты труда – 5554 рублей. С 1 ноября 2013 года в Мурманской области установлена минимальная заработная плата в размере 10730 рублей. Минимальный размер оплаты представляет собой низшую границу стоимости неквалифицированной рабочей силы, исчисляемой в виде денежных выплат в расчёте на месяц, которые получают лица, работающие по найму, за выполнение простых работ в нормальных условиях труда. В минимальный размер оплаты труда не включаются доплаты и надбавки, также премии и другие поощрительные выплаты. В районах Крайнего Севера на все виды основного заработка начисляется: 1) районный коэффициент - в зависимости от района, условий труда и климатический условий от 10 до 100 % (в Мурманске – 40 %). 195 2) полярная надбавка - начисляется в зависимости от стажа и возраста проживающего на Севере, максимально 80 %. Определим заработную плату персонала с учётом полярных надбавок (80 %) и районного коэффициента (40 %), расчёты сведём в таблицу 5.3. Таблица 5.3 - Расчёт расходов на оплату труда персонала Должность Технолог Наладчик Итого: Кол-во ставок Оклад, руб. 0,5 0,5 3000 2554 Районный коэф-нт, руб. 1200 1020 Полярная надбавка, руб. 2400 2040 Общая сумма за год, руб. 79200 67400 146600 Следовательно, годовая сумма расходов на оплату труда персонала составит 146600 рублей. 5.3.4 Расчёт страховых взносов (Зсв) В соответствии с Федеральным законом от 24 июля 2009 года № 212-ФЗ (с изменениями и дополнениями) «О страховых взносах в Пенсионный фонд Российской Федерации, Фонд социального страхования Российской Федерации, Федеральный фонд обязательного медицинского страхования» в 2014 году установлены следующие тарифы страховых взносов: а) 22 % - Пенсионный фонд РФ; б) 2,9 % - Фонд социального страхования РФ; в) 5,1 % - Фонд обязательного медицинского страхования. В целях оптимизации налогообложения, предприятия могут применять упрощённую систему налогообложения. В соответствии с главой 26.2 Налогового кодекса, упрощённая система налогообложения (УСН) применяется наряду с иными режимами налогообложения, предусмотренными законодательством РФ о налогах и сборах. Применение упрощённой системы налогообложения организациями 196 предусматривает их освобождение от обязанности по уплате налога на прибыль организаций, налога на имущество организаций и страховых взносов, НДС. В обязательном порядке уплачиваются страховые взносы на обязательное пенсионное страхование. При выборе предприятием объекта налогообложения - «доходы уменьшенные на величину расходов» ставка страховые взносы начисляются по ставке – 14 %. Расчёт страховых взносов производится от расходов на оплату труда работников, включаемых в затраты производства в соответствии с установленным законодательством порядком и ставкой налога. Зсв = Зот × (0,14) = 146600 × 0,14 = 20524 руб. (5.3) Следовательно, годовая сумма страховых взносов, составит 20524 рубля. 5.3.5. Расчёт суммы амортизации (Зам) Амортизация – процесс постепенного перенесения стоимости основных производственных фондов по мере их морального и физического износа на себестоимость производимой продукции, выполненных работ, оказанных услуг. Амортизационные отчисления исчисляются исходя из срока полезного использования и первоначальной стоимости оборудования. Для расчётов применяется формула: ПС × НА (5.4) 100 где: ПС – первоначальная стоимость оборудования определяемая как сумма Зам = затрат на приобретение или изготовление оборудования, транспортные расходы на его доставку при покупке и монтаж оборудования (при необходимости). В данном экономическом обосновании первоначальная стоимость оборудования и будет являться капитальными вложениями; НA – норма амортизации, устанавливается в зависимости от срока полезного использования объектов основных средств и классификации основных 197 средств, включаемых в амортизационные группы. В соответствие с Постановлением Правительства РФ от 1 января 2002 года № 1 «О Классификации основных средств, включаемых в амортизационные группы» (с изменениями и дополнениями от 10 декабря 2010 года) разработанная и внедряемая малогабаритная сушильная установка относится к пятой группе оборудования (код 14 2925000 - «Машины и оборудование для пищевой и табачной промышленности»). Это имущество со сроком полезного использования свыше 7 лет до 10 лет включительно. Примем срок полезного использования равным 7 годам. Норма амортизации (НА) составит: 1 1 = = 14,3 % (5.5) СПИ × 100 7 × 100 где: СПИ – срок полезного использования малогабаритной сушильной НА = установки. Следовательно, сумма амортизации за год эксплуатации установки составит: Зам = ПС × НА 160715 × 14,3 % = = 22982 руб. 100 100 5.3.6. Расчёт затрат на электроэнергию (Зэ) Федеральной службой по тарифам (ФСТ России) приказом от 11 октября 2013 года № 185-э/1 «О предельных уровнях тарифов на электрическую энергию (мощность) на 2014 год» установлены предельные минимальные и максимальные уровни тарифов на поставляемую потребителям электрическую и тепловую энергию. Предельный минимальный уровень тарифа на электрическую энергию для населения Мурманской области установлен в размере 2 рубль 33 копеек за кВт/час, а максимальный - 2 рубль 34 копеек за кВт/час (с НДС). Уровень рассчитан в среднем по области, без учёта дифференциации по группам 198 потребителей, уровням напряжения, числу часов использования заявленной мощности. Расчёт время работы оборудования и затрат на электроэнергию представлен в таблице 5.4. Таблица 5.4 - Расчёт затрат на электроэнергию Способы сушки Показатели Средние затраты эл. энергии в день, кВт·ч Тариф 1 кВт•ч с учётом НДС, руб. Стоимости потреблённой электроэнергии, руб. Дней работы по производственному календарю 2014 г. Полная стоимость потреблённой электроэнергии, руб. (Зэ) Конвективный Радиационный 14,4 11,2 Стадийный комбинированный 10 2,33 2,33 2,33 28,1232 21,8736 19,53 247 247 247 6946,38 5401,89 4823,91 5.3.7. Расчёт прочих затрат (Зпр) По статье «Прочие затраты» отражаются: − расходы на экспертизу и лабораторный анализ товаров, продуктов, пищи; − расходы по обеспечению нормальных условий труда и техники безопасности: текущие расходы на устройство и содержание вентиляторов, ограждение машин и механизмов, люков и прочих видов устройств некапитального характера, плату медицинским учреждениям (поликлиникам, санитарно-эпидемиологическим станциям) за медицинский осмотр работников общественного питания, стоимость мыла, медикаментов и перевязочных средств и др.; − оплата услуг телефонной и факсимильной связи; 199 − вознаграждения за изобретения и рационализаторские предложения; − расходы по подготовке, переподготовке и повышению квалификации кадров; − расходы на упаковку готовой продукции; − прочие затраты. В настоящее время ориентировочная сумма прочих расходов (Зпр) определяется по нормативу – 0,5 % от стоимости сырья. Зп = Зс × Нп = 249775 × 0,005 = 1248 руб. (5.6) где: Зс – затраты на сырье, руб. Нп – норматив прочих расходов, %. 5.3.8. Смета затрат и калькуляция себестоимости Смета затрат на производство является основным документом, непосредственно связанным с планированием затрат и управлением ими на предприятии. Смета - это полный свод затрат предприятия за некоторый период времени на весь объем производства и реализации его продукции. В смету включаются все затраты, связанные с производством и реализацией продукции, независимо от того, в каком именно подразделении предприятия и на какие конкретные цели они будут расходованы. Смета затрат и калькуляция себестоимости представлена в таблице 5.5 и представляет собой сумму всех текущих затрат связанных с производством продукции - сушкой гидробионтов: 200 Таблица 5.5 - Смета затрат и калькуляция себестоимости продукции при различных способах сушки Способы сушки Статьи калькуляции 1.Затраты на сырье Зс 2.Эксплуатационных расходов Зэкспл 3.Расходы на оплату труда Ззп 4.Страховые взносы Зсв 5.Сумма амортизации Зам 6.Прочие затраты Зпр 7.Затраты на электроэнергию Зэ 8.Итого затрат, сумма руб. Зобщ 9. Себестоимость 1кг (усредненно). С\ст Стадийный комбинированный Конвективный Радиационный 249775 руб. 249775 руб. 249775 руб. 482 руб. 482 руб. 482 руб. 146600 руб. 146600 руб. 146600 руб. 20524 руб. 20524 руб. 20524 руб. 22982 руб. 22982 руб. 22982 руб. 1248 руб. 1248 руб. 1248 руб. 6946 руб. 5402 руб. 4824 руб. 448557 руб. 447013 руб. 446435 руб. 297 руб. 295 руб. 294 руб. Для того, чтобы рассчитать себестоимость 1 кг готовой сушёной рыбы, необходимо учесть всю специфику технологического процесса, а именно потерю рыбой-сырцом начального веса. Таким образом, с учётом потери рыбой-сырцом начального веса, вес готовой продукции (Кгот) составит 1513 кг. Себестоимость 1 кг готовой сушёной рыбы рассчитана и представлена в пункте 9 таблицы 5.5. 201 5.4 Расчёт плановых доходов от реализации продукции Рассчитаем усреднённую отпускную цену реализации продукции. Цены на вяленную рыбопродукцию в розничных торговых сетях города Мурманска (цены по состоянию на 01.01.2014 года) и у оптовых поставщиков (ООО «СевРыбСервис») согласно прайс-листов составляют: камбала - 480 руб./кг, мойва -120 руб./кг, ерш вяленый ср/мел. (80-120 гр., 20-25 см) 350 руб./кг, ерш вяленый крупный (120+ гр., 25+ см) - 520 руб./кг., окунь вяленый крупный (0,3+) - 400 руб./кг, окунь вяленый мелкий (0,3-) 250 руб./кг. Усреднённая цена реализации вяленной рыбопродукции составит - 415 рублей. Рассчитаем выручку от реализации всей произведённой продукции. Выручку можно рассчитать как произведение цены реализации продукции на количество произведенной и реализованной продукции. ВР = Ц × Кгот (5.7) где: Кгот – количество реализованной готовой продукции, с учётом потери веса в ходе технологического процесса, кг. Таблица 5.6 - Цена реализации и выручка от реализации продукции при различных режимах сушки Способы сушки Показатели 415 руб. 415 руб. Стадийный комбинированный 415 руб. 627895 руб. 627895 руб. 627895 руб. Конвективный Радиационный Цена реализации продукции Выручка от реализации продукции Сравнив результаты произведённых расчётов и цен на отпускную продукцию для оптовых покупателей, уже можно сделать вывод о конкурентоспособности продукции, изготовленной на малогабаритной сушильной установке. 202 5.5 Расчёт сводных показателей экономической эффективности Прибыль один из основных производственно-хозяйственной финансовых деятельности показателей предприятия. оценки Прибыль представляет собой разницу между ценой, по которой реализуется продукция, и полной себестоимостью её изготовления, а в целом по предприятию определяется как разница между выручкой от реализации продукции и себестоимостью реализованной продукции. Плановая прибыль от реализации продукции рассчитывается по формуле где: ПР = ВР (Доходы) − Зобщ (Расходы) ПР – прибыль от реализации продукции, руб.; (5.8) ВР – выручка, или доходы предприятия, руб.; Зобщ – итого суммарные затраты, или расходы предприятия, руб. Чистая прибыль (убыток) отчётного периода – часть прибыли (убытка), остающейся в распоряжении предприятия после уплаты налогов и других обязательных платежей в бюджет. А именно, после уплаты единого налога для упрощённой системы налогообложения. Ставка налога УСН составляет 15 %. ЧП = ПР – ЕН (5.9) Единый налог (ЕН) исчисляется как произведение налоговой базы (ПР) на ставку единого налога (СН). ЕН = ПР × СН (15 %) где: СН - ставка единого налога (15 %). (5.10) 203 Таблица 5.7 - Расчёт прибыли от реализации и чистой прибыли при различных режимах сушки Показатели Способы сушки Конвективный Радиационный Выручка (доход), ВР Затраты (расходы), Зобщ. Прибыль от реализации, ПР Единый налог для УСН Чистая прибыль, ЧП Стадийный комбинированный 627895 руб. 627895 руб. 627895 руб. 448557 руб. 447013 руб. 446435 руб. 179338 руб. 180882 руб. 181460 руб. 26900 руб. 27130 руб. 27220 руб. 152438 руб. 154240 руб. 153752 руб. 5.6 Экономическая эффективность Экономическая эффективность проектного решения определяется годовым экономически эффектом и сроком окупаемости: Годовой экономический эффект Ээф = ПР– Е × КВ где: КВ – капитальные вложения в проект, руб.; (5.11) ПР – годовой прирост прибыли; Е – нормативный коэффициент окупаемости капитальных вложений (Е = 0,1). Срок окупаемости Срок окупаемости - период времени, необходимый для того, чтобы доходы, генерируемые инвестициями, покрыли затраты на инвестиции. Иными словами - это срок возврата денежных средств вложенных в проект. Ток = КВ Ээф (5.12) 204 Таблица 5.8 - Расчёт экономического эффекта и срока окупаемости при различных режимах сушки Показатели Способы сушки Конвективный Прибыль от реализации, ПР Капитальные вложения, КВ Годовой экономический эффект, Ээф Срок окупаемости, Ток Радиационный Стадийный комбинированный 179338 руб. 180882 руб. 181460 руб. 160383 руб. 160715 руб. 159164 руб. 163300 руб. 164810 руб. 166290 руб. 0,98 года 0,97 года 0,94 года Расчёт чистого дохода Чистый доход предприятия от реализации инвестиционного проекта представляет собой разницу между поступлениями (притоком средств) и выплатами (оттоком средств) предприятия в процессе реализации проекта применительно к каждому интервалу планирования. На практике принято представлять чистый доход в виде суммы чистой прибыли и амортизационных отчислений. Чистый доход предприятия рассчитывается по формуле: Дт=ЧП+АМ (5.13) Таблица 5.9 - Расчёт чистого дохода при различных режимах сушки Показатели Чистая прибыль, ЧП Сумма амортизации, Зам Чистый доход, Дт Способы сушки 152438 руб. 153752 руб. Стадийный комбинированный 154240 руб. 22982 руб. 22982 руб. 22982 руб. 175420 руб. 176734 руб. 177222 руб. Конвективный Радиационный 205 Расчёт рентабельности Рентабельность обобщающий - показатель, отражающий уровень эффективности деятельности предприятия в целом и производства продукции в частности. Уровни рентабельности продукции: − убыточная – уровень рентабельности отрицательный; − низкорентабельная – уровень рентабельности находится в пределах +10 %; − рентабельная – уровень рентабельности находится в пределах от +10 % до +50 %; − высокорентабельная – уровень рентабельности свыше +50 %. Для оценки эффективности производства продукции или затрат рассчитаем: - Рентабельность продукции показывает, сколько прибыли приходиться на один рубль затрат. Рентабельность продукции (Рп) по формуле: Рп = ПР × 100 ( % ) Зобщ (5.14) - Чистая рентабельность продукции показывает, сколько чистой прибыли приходиться на один рубль затрат. Чистая рентабельность продукции (ЧРп,) % определяется по формуле: ЧРп = ЧП × 100 % Зобщ (5.15) - Рентабельность капитальных вложений (рентабельность капитала) характеризует величину прибыли, приходящейся на 1 руб. основных фондов, и определяется как отношение прибыли (ПР) к стоимости реальных инвестиций (капитальных вложений) (КВ). основных фондов Рентабельность капитальных вложений (Ркв) определяется по формуле: ПР × 100 (%) (5.16) КВ - Чистая рентабельность инвестиций (капитальных вложений), (ЧРкв) % Ркв = определяется по формуле: 206 ЧРкв = ЧП × 100 (%) КВ (5.17) Таблица 5.10 - Расчёт рентабельности при различных режимах сушки Показатели Рентабельность продукции, Рп Чистая рентабельность продукции, ЧРп Рентабельность реальных инвестиций (капитальных вложений), Ркв Чистая рентабельность инвестиций (капитальных вложений), ЧРкв Способы сушки Конвективный Радиационный Стадийный комбинированный 39,9 % 40,5 % 40,6 % 33,9 % 34,4 % 34,5 % 111,8 % 112,5 % 114,0 % 95,0 % 95,7 % 96,9 % Можно сделать вывод, что рентабельность продукции стабильно высокая при всех режимах сушки и находится в пределах рентабельной продукции (40 %). Один рубль вложенных затрат приносит приблизительно 40 копеек прибыли. Рентабельность капитальных вложений показывает, что каждый вложенный рубль в основные фонды приносит 95 копеек прибыли. Результаты сводных показателей экономической эффективности быть сведены в таблицу 5.11. могут 207 Таблица 5.11 - Сводные показатели экономической эффективности Способы сушки Показатели Конвектив ный Радиацион ный Стадийный комбинированный Выручка (доход), ВР Итого себестоимость продукции, Зобщ Прибыль от реализации продукции, ПР Единый налог для УСН 627895 руб. 627895 руб. 627895 руб. 448557 руб. 447013 руб. 446435 руб. 179338 руб. 180882 руб. 181460 руб. 27130 руб. 27220 руб. Чистая прибыль, ЧП Капитальные вложения, КВ Годовой экономический эффект, Ээф Срок окупаемости, Ток Чистый доход, Дт Рентабельность продукции, Рп Чистая рентабельность продукции, ЧРп Рентабельность реальных инвестиций (капитальных вложений), Ркв Чистая рентабельность инвестиций (капитальных вложений), ЧРкв 152438 руб. 153752 руб. 154240 руб. 160383 руб. 160715 руб. 159164 руб. 163300 руб. 164810руб. 166290 руб. 0,98 года 0,97 года 0,94 года 175420 руб. 176734 руб. 177222 руб. 26900 руб. 39,9 % 40,5 % 40,6 % 33,9 % 34,4 % 34,5 % 111,8 % 112,5 % 114,0 % 95,0 % 95,7 % 96,9 % 208 5.7. Расчёт критического объёма производства и реализации продукции Точка безубыточности является критерием эффективности деятельности организации. Организация, не достигающая точки безубыточности, действует неэффективно с точки зрения сложившейся рыночной конъюнктуры. Под точкой безубыточности (критической точкой, мёртвой точкой, точкой равновесия) понимается та точка объёма продаж, в которой издержки равны выручке от реализации всей продукции, а прибыль, соответственно, равна нулю. Поэтому критическую точку можно рассматривать как минимально приемлемый уровень продаж продукции или услуг. Расчёт критического объёма производства продукции (критической точки): 𝑊кр = Зпост Ц – Зпер. ед Зпер . ед = где: Зпер Кгот (5.18) (5.19) Wкр – критический объем продаж, кг; Зпер – переменные затраты на весь выпуск, руб.; Зпост – постоянные затраты, руб.; Зпер.ед – переменные затраты на единицу продукции, руб.; Кгот – количество произведённой и реализованной готовой продукции, с учетом потери веса в ходе технологического процесса, кг. Проведем расчёт критической точки безубыточности для стадийного комбинированного метода сушки. Сгруппируем в таблице 5.12 постоянные и переменные затраты при стадийном комбинированном методе. 209 Таблица 5.12 - Группировка постоянных и переменных затрат Постоянные затраты Эксплуатационных расходов, Зэкспл Затраты на электроэнергию, Зэ Сумма амортизации, Зам Зпост (руб.) Переменные затраты (руб.) 482 Затраты на сырье, 249775 Зс 4824 Расходы на оплату труда, 146600 Ззп 22982 Страховые взносы, 20524 Зсв Прочие затраты, 1248 Зпр Итого: 28288 руб. З пер. Итого: 418147 руб. Зпер.ед = 418147/1513 = 276 руб. Wкр = 28288/(415 – 276) = 203 кг. Построим график соотношения доходов и расходов и определения критической точки (рис.1). Точка безубыточности является критерием эффективности деятельности организации. Организация, не достигающая точки безубыточности, действует неэффективно с точки зрения сложившейся рыночной конъюнктуры. Для руководства точка безубыточности является важным ориентиром в анализе, так как она показывает уровень продаж, ниже которого организация будет нести убыток. Поэтому её можно рассматривать как минимально приемлемый уровень продаж готовой продукции. В результате проведённых расчетов и определения критической точки безубыточности, можно сделать вывод, что необходимо произвести готовой сушёной продукции 203 кг, чтобы покрыть текущие расходы. При наращивании объёмов производства и продажи, будет получена прибыль. По произведённым расчётам фактический объем сушёной продукции за год - 1513 кг, а это уже уровень прибыльности производства. 210 Рисунок 5.1 - График соотношения доходов и расходов и определения критической точки 211 5.8 Выводы по пятой главе Таким образом, расчёты показывают, что при применении стадийного комбинированного метода сушки, объем продаж сушёной рыбы в количестве 1513 кг, принесёт доход в размере 627895 рублей, а прибыль составит 181460 рублей. Срок окупаемости будет равен 0,94 года. Результаты расчётов показывают, что малогабаритная сушильная установка рентабельна. Рентабельность продукции составляет 40,6 %, т.е. один рубль вложенных затрат, приносит прибыль в размере 0,40 рублей. Использование малогабаритной сушильной установки с программно-аппаратным комплексом целесообразно, и, как показывают расчёты, максимально эффективно при использовании стадийного комбинированного метода. Финансирование произведено за счёт собственных средств. Но возможно привлечение и кредитных средств на непродолжительный период времени (1 года - в соответствие со сроком окупаемости). Поведя анализ экономических показателей можно сделать вывод, что данный проект является рентабельным, эффективным и имеет положительное значение. После того, как производство окупится, возможно увеличение производственных мощностей, поскольку из расчётов видно, что рентабельность капитальных вложений имеет высокий показатель (96,9 %). 212 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. В настоящей работе предложен энергоэффективный стадийный метод комбинированного нагрева и обезвоживания рыбы с бесконтактным измерением температуры её поверхности при использовании конвективной и радиационной составляющих нагрева, обеспеченных трубчатым электронагревателем и инфракрасными лампами. 2. Разработан программно-аппаратный комплекс гибкого автоматического управления процессами термической обработки рыбы, реализующий функционирование разработанного комбинированного метода нагрева при стадийной работе исполнительных механизмов и обладающий средствами удалённого мобильного доступа и контроля. 3. Программно-аппаратный комплекс оснащён телекоммуникационным обеспечением с использованием сетевых технологий и средств мобильной связи, которые способствуют удалённому всеобъемлющему контролю над ходом технологического процесса и управлению им. 4. Проведено исследование программно-аппаратного работоспособности комплекса гибкого и эффективности автоматического управления процессами нагрева рыбы, подтверждающее, что разработанный комплекс позволяет добиться повышения эффективности технологического процесса (интенсификация процесса при снижении энергозатрат). 5. Разработано и запатентовано устройство для бесконтактного измерения температуры поверхности рыбы, подверженной процессу нагрева и обезвоживания, предложен способ измерения температуры данным устройством. 6. Предложены математические модели изменения температуры в термокамере малогабаритной сушильной установки, используемые в ходе оптимизации управления температурой. 7. Предложена методика расчёта переходного процесса тепловой обработки рыбы (изменение внутренней температуры, температуры поверхности рыбы, температуры в термокамере) при различных методах, основанная на получении 213 аппроксимированных передаточных функции рыбы в зависимости от величины её удельной поверхности и используемого метода нагрева. 8. Реализована математическая температурная модель технологического процесса обезвоживания рыбы, основанная на методе расчёта внутренней температуры рыбы, температуры поверхности рыбы по средствам использования величины удельной поверхности полуфабриката, подверженного обезвоживанию в виде компьютерного программного обеспечения «Моделирование процессов тепловой обработки рыбы». 9. Произведена экономическая оценка проекта автоматизации малогабаритной сушильной установки, показывающая, что данный проект является рентабельным, эффективным и имеет положительное значение. Срок окупаемости проекта составляет 0,94 года. Рентабельность продукции составляет 40,6 %. 214 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Альшина, Е.А. Градиентные методы с ускоренной сходимостью / Е.А. Альшина, A.A. Болтнев, O.A. Качер // Ж. вычисл. матем. и матем. физ., 2005, т. 45, № 3. – С. 374-382. 2. Борисов, Ю. Инфракрасные излучения / Ю. Борисов. – М. : Энергия, 1976. – 56 с. : ил. – (Массовая радиобиблиотека. Вып. 906). 3. Брамсон, М. А. Инфракрасное излучение нагретых тел, издательство / М. А. Брамсон. – М. : Наука, 1964. – 223 с. 4. Быков, В. П. Технология рыбных продуктов. – 2-е изд., перераб. и доп. М. : Пищевая промышленность, 1980. – 320 с. 5. Висков, А. Ю. Повышение эффективности процесса холодного копчения рыбы путем непрерывного контроля внутренних свойств полуфабриката : автореф. дис. … канд. техн. наук : 05.18.12 : 05.13.06 / А. Ю. Висков ; Мурм. гос. техн. ун-т. – Мурманск, 2001. – 20 с. 6. Воскресенский, Н. А. Технология рыбных продуктов / Н. А. Воскресенский, Л. П. Логунов. – М. : Пищ. пром-сть, 1968. – 422 с. 7. Вотинов, М. В. Моделирование и пропорционально-интегрально-дифференциальных оптимизация регуляторов цифровых на базе программного обеспечения pid optimize viewer / М. В. Вотинов, А. А. Маслов // Вестник НГУ. Сер. Информационные технологии. – Новосибирск, 2011. – Т. 9, №. 2. – С. 5-14. 8. Вотинов, М. В. Viewer для моделирования и оптимизации цифровых пропорционально-интегрально-дифференциальных регуляторов [Электронный ресурс] / М. В. Вотинов, А. А. Маслов / Наука и образование – 2011 : материалы междунар. науч.-техн. конф., 4–8 апр. 2011 г. / Мурм. гос. техн. ун-т, Ун-т Тромсё. – Мурманск, 2011. – С. 1212-1216. – Режим доступа: http://www.mstu.edu.ru/science/actions/conferences/files/nio2011-9.pdf. 9. Вотинов, М. В. Автоматизации процессов сушки сырья в пищевой промышленности с использованием средств телематики / М. В. Вотинов, 215 А. А. Маслов // Труды университета. – Караганда (Казахстан), 2013. – № 3 (52). – С. 86-90. 10. Вотинов, М. В. Автоматизация и информационная безопасность / М. В. Вотинов // Наука и образование – 2013 : материалы междунар. науч.-техн. конф., 4–11 марта 2013 г. / Мурм. гос. техн. ун-т. – Мурманск, 2013. – С. 21–23. – Режим доступа: http://www.mstu.edu.ru/science/actions/conferences/files/nio2013- 9.pdf. 11. Вотинов, М. В. Автоматизация процесса термической обработки рыбных ресурсов с использованием информационных технологий / М. В. Вотинов // Арктика: общество и экономика выпуск. – 2014. – № 12. – С. 98-103. 12. Вотинов, М. В. Автоматизация технологического процесса термической обработки сырья в пищевой промышленности на примере малогабаритной сушильной установки / М. В. Вотинов, А. А. Маслов // Вестник НГУ. Сер. Информационные технологии. – Новосибирск, 2012. – Т. 10, № 3. – С. 15-25. 13. Вотинов, М. В. Аспекты энергоэффективности на примере процессов сушки гидробионтов / М. В. Вотинов // Проблемы и перспективы социальноэкономического развития субъектов РФ на современном этапе : материалы VIII межрегиональной межвуз. науч.-практ. конф., 26 апр. 2013 г. / под общ. ред. д-ра экон. наук, проф. И. А. Максимцева. – СПб., 2013. – С. 91-97. 14. Вотинов, М. В. Инновационные решения в области измерения температуры рыбного сырья на предприятиях береговой рыбопереработки [Электронный ресурс] / М. В. Вотинов, М. А. Ершов // Состояние и перспективы развития рыбной промышленности Северного бассейна : материалы IV науч.практ. конф., 17–18 нояб. 2011 г. / Мурм. гос. техн. ун-т. – Мурманск, 2011. – С. 96-98. – Режим доступа: http://elib.mstu.edu.ru/2012/SB_12_11.pdf. 15. Вотинов, М. В. Информационная безопасность систем автоматического управления М. В. Вотинов // Наука, образование, инновации: пути развития : в 2 ч. : материалы V Всерос. науч.-практ. конф., 18–20 марта 216 2014 г. / отв. ред. Я. В. Ганич ; КамчатГТУ. – Петропавловск-Камчатский, 2014. – Ч. 1. – С. 26-27. 16. Вотинов, М. В. Инфракрасные датчики температуры: параметры и особенности применения в технологических процессах [Электронный ресурс] / М. В. Вотинов // Наука и образование – 2010 : материалы юбилейной междунар. науч.-техн. конф., посвященной 60-летию МГТУ, 5-9 апр. 2010 г. / Мурм. гос. техн. ун-т. – Мурманск, 2010. – С. 1343-1345. – Режим доступа: http://www.mstu.edu.ru/science/actions/conferences/files/nio2010-9.pdf. 17. Вотинов, М. В. Использование средств телематики при построении автоматизированных систем управления в пищевой промышленности / М. В. Вотинов // Control Enginiring Россия. – 2014. – № 4 (52). – С. 34-37. 18. Вотинов, М. В. Исследование закономерностей изменения температуры в центре и на поверхности рыбы при различных режимах сушки гидробионтов [Электронный ресурс] / М. В. Вотинов, М. А. Ершов // Наука и образование – 2013 : материалы междунар. науч.-техн. конф., 4-11 марта 2013 г. / Мурм. гос. техн. ун-т. – Мурманск, 2013. – С. 1097-1099. – Режим доступа: http://www.mstu.edu.ru/science/actions/conferences/files/nio2013-9.pdf. 19. Вотинов, М. В. Исследование энергоэффективности процессов сушки гидробионтов в пищевой рыбной промышленности / М. В. Вотинов, М. А. Ершов, А. А. Маслов // Рыбное хозяйство. – 2012. – № 4. – С. 115-117. 20. обработки Вотинов, М. В. Комплексная автоматизация процессов термической рыбы на примере малогабаритной сушильной установки / М. В. Вотинов, А. А. Маслов, М. А. Ершов // Вестник МГТУ : труды Мурм. гос. техн. ун-та / Мурм. гос. техн. ун-т. – Мурманск, 2013. – Т. 16, №. 1. – С. 60-65. 21. Вотинов, М. В. Настройка ПИД регулятора на оптимум с использованием метода покоординатного спуска на основе метода золотого сечения / М. В. Вотинов // Приоритетные направления развития науки и технологий : доклады IX Всерос. науч.-техн. конф. / под общ. ред. Э. М. Соколова. – Тула, 2011. – С. 124-126. 217 22. Вотинов, М. В. Определение зависимости внутренней температуры гидробионта от величины его удельной поверхности при различных режимах сушки / М. В. Вотинов // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование. : в 2 ч. : материалы V Всерос. науч.практ. конф., 25-27 марта 2014 г. / отв. за вып. Н. Г. Клочкова ; КамчатГТУ. – Петропавловск-Камчатский, 2014. – Ч. 1. С. 46-48. 23. Вотинов, М. В. Практические аспекты определения оптимальных параметров цифровых пропорционально-интегрально-дифференциальных регуляторов на основе математических методов [Электронный ресурс] / М. В. Вотинов, А. А. Маслов // Наука и образование – 2011 : материалы междунар. науч.-техн. конф., 4-8 апр. 2011 г. / Мурм. гос. техн. ун-т, Ун-т Тромсё. – Мурманск, 2011. – С. 1207-1212. – Режим доступа: http://www.mstu.edu.ru/science/actions/conferences/files/nio2011-9.pdf. 24. Вотинов, М. В. Практические аспекты определения экстремума функции нескольких переменных на базе математических методов [Электронный ресурс] / М. В. Вотинов // Молодёжь и наука : сб. материалов VII Всерос. науч.техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 50-летию первого полета человека в космос / отв. ред. О. А. Краев. – Красноярск, 2011. – Режим доступа: http://conf.sfu-kras.ru/sites/mn2011/thesis/s3/s3_010.pdf. 25. Вотинов, М. В. Прикладные программные средства программно- аппаратного комплекса гибкого автоматического управления процессами термической обработки сырья / М. В. Вотинов, А. А. Маслов // Наука и образование – 2012 : материалы междунар. науч.-техн. конф., 2-6 апр. 2012 г. / Мурм. гос. техн. ун-т. – Мурманск, 2012. – С. 870-873. – Режим доступа: http://www.mstu.edu.ru/science/actions/conferences/files/nio2012-9.pdf. 26. Вотинов, М. В. Проблемы энергоэффективности режимов сушки гидробионтов / М. В. Вотинов // Наука, образование, инновации: пути развития : в 2 ч. : материалы V Всерос. науч.-практ. конф., 18-20 марта 2014 г. / отв. ред. Я. В. Ганич ; КамчатГТУ. – Петропавловск-Камчатский, 2014. – Ч. 2. – С. 11-14. 218 Вотинов, 27. автоматического М. В. управления Программно-аппаратный процессами комплекс термической гибкого обработки сырья [Электронный ресурс] / М. В. Вотинов, А. А. Маслов, М. А. Ершов // Наука и образование – 2012 : материалы междунар. науч.-техн. конф., 2-6 апр. 2012 г. / Мурм. гос. техн. ун-т. – Мурманск, 2012. – С. 863-866. – Режим доступа: http://www.mstu.edu.ru/science/actions/conferences/files/nio2012-9.pdf. Вотинов, М. В. Программное обеспечение «Система автоматического 28. управления малогабаритной сушильной установкой» / М. В. Вотинов, А. А. Маслов // Наука и образование – 2012 : материалы междунар. науч.-техн. конф., 2-6 апр. 2012 г. / Мурм. гос. техн. ун-т. – Мурманск, 2012. – С. 867-869. – Режим доступа: http://www.mstu.edu.ru/science/actions/conferences/files/nio2012- 9.pdf. 29. Вотинов, М. В. Систематизация требований, предъявляемых к системам автоматического управления сушильными установками [Электронный ресурс] / М. В. Вотинов, А. А. Маслов // Наука и образование – 2011 : материалы междунар. науч.-техн. конф., 4-8 апр. 2011 г. / Мурм. гос. техн. ун-т, Ун-т Тромсё. – Мурманск, 2011. – С. 1216-1219. – Режим доступа: http://www.mstu.edu.ru/science/actions/conferences/files/nio2011-9.pdf. 30. Вотинов, М. В. Состояние и проблемы рыбной промышленности в Российской Федерации / М. В. Вотинов // Проблемы и перспективы социальноэкономического развития субъектов РФ на современном этапе : материалы VIII межрегиональной межвуз. науч.-практ. конф., 26 апр. 2013 г. / под общ. ред. д-ра экон. наук, проф. И. А. Максимцева. – СПб., 2013. – С. 97-101. 31. Вотинов, М. В. Специфика использования инфракрасных датчиков температуры в пищевой промышленности / М. В. Вотинов, М. А. Ершов // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. – 2011. – № 6. – С. 81-83. 32. Вотинов, М. В. Телематическое оснащение технологических процессов термической обработки гидробионтов / М. В. Вотинов // Рыбное хозяйство. – 2013. – № 4. – С. 97-100. 219 Вотинов, 33. М. В. Технико-технологические особенности малогабаритной сушильной установки [Электронный ресурс] / М. В. Вотинов, М. А. Ершов // Наука и образование – 2012 : материалы междунар. науч.-техн. конф., 2-6 апр. 2012 г. / Мурм. гос. техн. ун-т. – Мурманск, 2012. – С. 873-877. – Режим доступа: http://www.mstu.edu.ru/science/actions/conferences/files/nio2012- 9.pdf. 34. Вотинов, М. В. Устройство бесконтактного измерения температуры в пищевой промышленности / М. В. Вотинов, А. А. Маслов // Приборы и методы измерений. – Минск, 2014. – № 1 (8). – С. 46-51. 35. Вотинов, М. В. Устройство пирометрического контроля температуры в технологиях пищевой промышленности датчики и системы / М. В. Вотинов, А. А. Маслов // Датчики и системы. – 2013. – № 3. – С. 38-39. 36. Вотинов, М. В. Экспериментальные исследования технологических процессов высокотемпературной обработки гидробионтов [Электронный ресурс] / М. В. Вотинов. – Режим доступа: http://e-koncept.ru/2013/53544.htm?view. – Загл. с экрана. 37. Вотинов, М. В. Эффективное управление температурой термообработки рыбы / М. В. Вотинов // Новый университет. Сер. Технические науки. – 2015. – № 3/4 (37/38). – С. 44-46. 38. Вотинов, М.В. Результаты исследований процессов обезвоживания при тепловой обработке рыбы / М. В. Вотинов, М. А. Ершов, Д. А. Полонская, Е. А. Смышляева // Молодой ученый. – 2012. – № 6 (41). – С. 487-490. 39. проблемы Вотинова, Е. М. Анализ состояния рыбной промышленности и энергоэффективности на примере сушки гидробионтов / Е. М. Вотинова, М. В. Вотинов // Арктика: общество и экономика. – 2012. – Вып. 8. – С. 133-139. 40. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация // М. : Мир, 1985. – 509 с. 220 41. Гинзбург, А. С. Массовлагообменные характеристики пищевых продуктов / А. С. Гинзбург, И. С. Савина. – М. : Лег. и пищ. пром-сть, 1982. – 279 с. 42. Гинзбург, А. С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов / А. С. Гинзбург. – М. : Пищ. пром-сть, 1973. – 528 с. 43. Гинзбург, А. С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности / А. С. Гинзбург. – М. : Агропромиздат, 1985. – 336 с. 44. Гинзбург, А. С. Технология сушки пищевых продуктов / А. С. Гинзбург. – М. : Пищ. пром-сть, 1976. – 247 с. 45. Гинзбург, А. С. Технология сушки продуктов / А. С. Гинзбург. – М. : Пищ. пром-сть, 1973. – 527 с. 46. Гинзбург, А. С. Генераторы инфракрасного излучения для пищевой промышленности : обзор / А. С. Гинзбург. – М. : [Б. и.], 1971. – 71 с. : ил. 47. Гинзбург, А. С. Инфракрасная техника в пищевой промышленности / А. С. Гинзбург. – М. : Пищ. пром-сть, 1966. – 407 с. : ил. 48. Горбатов, М. В. Техника и технология в мясной промышленности. – М. : Пищевая промышленность, 1973. – 495 с. 49. ГОСТ 24.701-86. Единая система стандартов автоматизированных систем управления. Надёжность автоматизированных систем управления. Основные положения. – Взамен ГОСТ 24.701–83 ; введ. 1987–06–30. – М. : Стандартинформ, 2009. – 12 с. 50. ГОСТ 28115-89. Аппараты и установки сушильные. Классификация. – Введ. 1990–01–01. – М. : Изд-во стандартов, 1989. – 25 с. 51. ГОСТ 34.003–90. Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения. – Взамен ГОСТ 24.003–84, ГОСТ 22487–77 ; введ. 2009–09–01. – М. : Стандартинформ, 2009. – 16 с. 52. ГОСТ Р 51541-99. Энергосбережение. Энергетическая эффективность. Состав показателей. Общие положения. – Введ. 2000–07–01. – М. : Госстандарт России, 1999. – 12 с. 221 53. ГОСТ Р 51750-2001. Энергосбережение. Методика определения энергоемкости при производстве продукции и оказании услуг в технологических энергетических системах. Общие положения. – Введ. 2002–01–01. – М. : Госстандарт России, 2001. – 27 с. 54. Денисенко, В. В. ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации / В. В. Денисенко // Современные технологии автоматизации. – 2006. № 4. – С. 66-74. 55. Ершов, М. А. Методика расчета процессов обезвоживания при холодном копчении и вялении рыбы / М. А. Ершов, О. А. Николаенко // Вестник ВГТА. Сер. Процессы и аппараты пищевых производств. – Воронеж, 2011. – № 1 (47). – С. 27-29. 56. Ершов, М. А. Методика расчета кривых кинетики и динамики обезвоживания в процессах вяления и холодного копчения рыбы / М. А. Ершов, А. М. Ершов, О. А. Николаенко // Вестник МГТУ : труды Мурм. гос. техн. ун-та / Мурм. гос. техн. ун-т. – Мурманск, 2010. – Т. 13, № 4/2. – С. 947-950. 57. Ершов, М. А. Моделирование изменений диффузионных свойств рыбы при обезвоживании / М. А. Ершов, А. М. Ершов // Вестник МГТУ : труды Мурм. гос. техн. ун-та / Мурм. гос. техн. ун-т. – Мурманск, 2012. – Т. 15, № 1. – С. 45-48. 58. Ершов, М. А. Расчетный метод определения влажности на поверхности рыбы в процессах обезвоживания / М. А. Ершов, А. М. Ершов, О. А. Николаенко // Вестник МГТУ : труды Мурм. гос. техн. ун-та / Мурм. гос. техн. ун-т. – Мурманск, 2006. – Т. 9, № 4. – С. 707-709. 59. Закер, К. Компьютерные сети. Модернизация и поиск неисправностей: Пер. с англ. / К. Закер – СПб. : БХВ-Петербург, 2005. – 1008 с. : ил. 60. Зелковиц М., Тоу А., Эннон Дж. Принципы разработки программного обеспечения. – М.: Мир, 1982. – 368 с. 61. Исаев, Г. П. Физические методы обработки гидробионтов. Методическое пособие для слушателей факультета повышения квалификации. – Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2005. – 47 с. 222 62. КЕЛЬВИН АРТО : Инфракрасный термометр для индустрии [Электронный ресурс] : руководство по эксплуатации. – Режим доступа: http://piropm.ru/fotos/!/kelvinARTO.pdf. – Загл. с экрана. 63. Кищенко, Б. И. Все виды обработки рыбы / Б. И. Кищенко – М. : Современные технологии автоматизации; Донецк : Сталкер, 2006. – 110 с. : ил. 64. Концепция долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года [Электронный ресурс] : утв. распоряжением Правительства Рос. Федерации от 17 нояб. 2008 г. № 1662-р : ред. от 8 авг. 2009 г. // Министерство экономического развития Рос. Федерации : офиц. сайт. – Режим доступа: http://www.economy.gov.ru/minec/activity/sections/fcp/rasp_2008_n1662_red_08.08.2 009. – Загл. с экрана. 65. Коробейник, А. В. Технология переработки и товароведение рыбы и рыбных продуктов / А. В. Коробейник. – Ростов н/Д. : Феникс, 2002. – 288 с. 66. Кринецкий, И. И. Основы научных исследований : учеб. пособие для вузов / И. И. Кринецкий. –Киев ; Одесса : Вища школа, 1981. – 208 с. 67. Кузин, Ф. А. Кандидатская диссертация. Методика написания, правила оформления и порядок защиты : практ. пособие для аспирантов и соискателей учёной степени / Ф. А.Кузин. – 10-е изд., доп. – М. : Ось-89, 2008. – 223 с. 68. Лампы накаливания галогенные: Инструкция по эксплуатации ИЖШЦ.675490.002 РЭ. – Саранск: б.и., 2005. – 8 с. 69. Лебедев, П. Д. Сушка инфракрасными лучами / П. Д. Лебедев. - М. : Госэнергоиздат, 1955. - 232 с. 70. Левитин, И. Б. Техника инфракрасных излучений / И. Б. Левитин. – М. ; Л. : Госэнергоиздат, 1959. – 80 с. – (Массовая радиобиблиотека. Вып. 350). 71. Лыков, А. В. Теория сушки. Учебное пособие. – М. : Энергия, 1968. – 472 с.: ил. 72. Лыков, А. В. Теория тепло – и массопереноса / А. В. Лыков, Ю. А. Михайлов. – М. : Госэнергоиздат, 1963. – 330 с. 223 73. Методики определения актуальных угроз безопасности персональных данных при их обработке в информационных системах персональных данных [Электронный ресурс] : утв. ФСТЭК Рос. Федерации 14 фев. 2008 г. – Документ опубликован не был. – Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс». – Загл. с экрана. 74. Моделирование процессов пищевых производств : учебник / Ю. Т. Глазунов, М. А. Ершов, А. М. Ершов, – М. : Колос, 2008. – 360 c. 75. Мурманская область : стат. ежегодник, 2013 / Федер. служба гос. статистики, Территориальный орган Федер. службы гос. статистики по Мурманской области. – Мурманск : [Б. и.], 2014. – 253 с. 76. Мурманская область в цифрах : стат. сб. / Федер. служба гос. статистики, Территориальный орган Федер. службы гос. статистики по Мурманской области. – Мурманск : [Б. и.], 2015. – 138 с. 77. Никитин, Б. Н. Основные теории копчения рыбы / Б. Н. Никитин. – М. : Лег. и пищ. пром-сть, 1982. – 248 с. 78. О внесении изменений и дополнений в Методические указания по расчету регулируемых тарифов и цен на электрическую (тепловую) энергию на розничном (потребительском) рынке, утвержденные Приказом ФСТ России от 6 авг. 2004 г. № 20-э/2 : приказ ФСТ Рос. Федерации от 26 дек. 2011 г. № 823-э // Российская газета. – 2011. – № 297. 79. повышение Об утверждении государственной программы «Энергосбережение и энергетической эффективности на период до 2020 года» [Электронный ресурс] : распоряжение Правительства Рос. Федерации от 27 дек. 2010 г. № 2446-р : ред. от 16 дек. 2013 г. – В данном виде документ опубликован не был. – Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс». 80. Об утверждении Стратегии развития рыбохозяйственного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года [Электронный ресурс] : приказ Росрыболовства от 30 марта 2009 г. № 246. – Документ опубликован не был. – Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс». 224 81. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты российской федерации [Электронный ресурс] : федер. закон от 23 нояб. 2009 г. № 261-ФЗ : ред. от 29 дек. 2014 г. – В данном виде документ опубликован не был. – Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс». 82. Пат. 109559 Рос. Федерация, МПК G 01 J 5/02, G 01 J 5/04 Устройство для непрерывного бесконтактного измерения температуры / Вотинов М. В., Маслов А. А., Вотинов В. В. ; заявитель и патентообладатель ФГОУВПО «Мурм. гос. техн. ун-т». – № 2011114739/28 ; заявл. 14.04.11; опубл. 20.10.11, Бюл. № 29. – 2 с. : ил. 83. Пат. 117266 Рос. Федерация, МПК А23 B 4/03. Малогабаритная сушильная установка / Вотинов М. В., Ершов М. А., Похольченко В. А. ; заявитель и патентообладатель ФГОУВПО «Мурм. гос. техн. ун-т». – № 2012109371/15 ; заявл. 12.03.12 ; опубл. 27.06.12, Бюл. № 18. – 2 с. : ил. 84. Пат. 135234 Рос. Федерация, МПК А 23 В 4/03. Малогабаритная сушильная установка / Вотинов М. В. ; заявитель и патентообладатель ФГОУВПО «Мурм. гос. техн. ун-т». – № 2013132112/13 ; заявл. 10.07.13 ; опубл. 10.12.13, Бюл. № 34. – 2 с. : ил. 85. Пат. 148991 Рос. Федерация, МПК G 01 J 5/00. Устройство для непрерывного бесконтактного измерения температуры / Вотинов М. В. ; заявитель и патентообладатель ФГОУВПО «Мурм. гос. техн. ун-т». – № 2014136810/28 ; заявл. 10.09.14 ; опубл. 20.12.14, Бюл. № 35. – 2 с. : ил. 86. Переработка рыбы и морепродуктов: Учебное пособие. / А.Т. Васюкова. – М. : Издательско-торговая корпорация «Дашков и Ко», 2009. – 104 с. 87. Погорелов, М. С. Оптимизация режимов инфракрасной сушки плодов и ягод и ее оборудование : дис. ... канд. сельскохоз. наук : 05.20.01 / Погорелов Михаил Сергеевич. – Москва, 2007. – 122 c. 88. Похольченко, В. А. Повышение энергоэффективности процессов обезвоживания при производстве копченой, вяленой рыбы и полуфабриката для 225 консервов / В. А. Похольченко, М. А. Ершов // Научное обозрение. – 2012. – № 6. – С. 164-169. 89. Похольченко, В. А. Разработка принципиальной схемы и конструкции промышленной установки для копчения и вяления рыбы / В. А. Похольченко, М. А. Ершов // Вестник ВГТА. Сер. Процессы и аппараты пищевых производств / Воронеж. гос. ун-т инж. технологий. – Воронеж, 2011. – № 1 (47). – С. 35-38. 90. Разработка энергоэффективных процессов конвективного обезвоживания рыбы / М. А. Ершов, А. М. Ершов, Ю. Т. Глазунов, И. Ю. Селяков // Рыбное хозяйство. – 2013. – № 6. – С. 105-107. 91. Рогов, И.А., Жуков, Н.Н. Применение инфракрасного излучения в отраслях пищевой промышленности (обзор) М. : ЦНИИТ ЭИлегпищемаш, 1971. – 79 с. 92. Российский статистический ежегодник. 2014: стат.сб. /Росстат. - Р76 М., 2014. – 693 с. 93. Россия в цифрах – 2014 : краткий стат. сб. / Федер. служба гос. статистики. – M. : Росстат, 2014. – 558 с. 94. Россия в цифрах – 2015 : краткий стат. сб. / Федер. служба гос. статистики. – M. : Росстат, 2015. – 543 с. 95. Руководство по эксплуатации пирометра Кельвин ИКС 4-20/5.pdf – Режим доступа: http://zaoeuromix.ru/files/docs/kelviniks4_20_5.pdf.– Загл. с экрана. 96. Рыба, морские млекопитающие, морские беспозвоночные и продукты их переработки. Правила приемки, органолептические методы оценки качества, методы отбора проб для лабораторных испытаний : ГОСТ 7631-85. – Введ. 1986 – 01 – 01. – М. : Изд-во стандартов, 1985. – 16 с. 97. Рыба, морские млекопитающие, морские беспозвоночные и продукты их переработки. Методы анализа : ГОСТ 7636-85. – Взамен ГОСТ 7636-55; ГОСТ 13893-68; ГОСТ 13929-68; ГОСТ 13930-68. – Введ. 1986 – 01 – 01. – М. : Изд-во стандартов, 1985. – 85 с. 98. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2011617562 Российская Федерация. Анализатор экспериментальных данных САУ 226 МСУ / Вотинов М. В. ; правообладатель ФГБОУВПО «Мурм. гос. техн. ун-т». – № 2011615797 ; дата поступл. 02.08.11; дата регистр. 28.09.11. 99. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2011617606 Российская Федерация. Конфигуратор САУ МСУ / Вотинов М. В.; правообладатель ФГБОУВПО «Мурм. гос. техн. ун-т». – № 2011615796 ; дата поступл. 02.08.11 ; дата регистр. 30.09.11. 100. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2011616585 Российская Федерация. Конструктор алгоритма работы малогабаритной сушильной установки / Вотинов М. В., Ершов М. А., Маслов А. А. ; правообладатель ФГБОУВПО «Мурм. гос. техн. ун-т». – № 2011614855 ; дата поступл. 30.06.11 ; дата регистр. 24.08.11. 101. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2011615754 Российская Федерация. Программное обеспечение PID OPTIMIZE VIEWER для моделирования и оптимизации цифровых пропорциональноинтегрально-дифференциальных регуляторов / Вотинов М. В., Маслов А. А. ; правообладатель ФГБОУВПО «Мурм. гос. техн. ун-т». – № 2011614011 ; дата поступл. 31.05.11; дата регистр. 22.06.11. 102. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2012611844 Российская Федерация. Система автоматического управления малогабаритной сушильной установкой / Вотинов М. В., Ершов М. А., Маслов А. А. ; правообладатель ФГБОУВПО «Мурм. гос. техн. ун-т». – № 2011619749 ; дата поступл. 19.12.11 ; дата регистр. 17.02.12. 103. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2012613614 Российская Федерация. Мобильный обозреватель САУ МСУ / Вотинов М. В. ; правообладатель ФГБОУВПО «Мурм. гос. техн. ун-т». – № 2012611434 ; дата поступл. 28.02.12 ; дата регистр. 18.04.12. 104. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2012613615 Российская Федерация. Автоматизированное рабочее место удаленного доступа к САУ МСУ / Вотинов М. В. ; правообладатель ФГБОУВПО 227 «Мурм. гос. техн. ун-т». – № 2012611435 ; дата поступл. 28.02.12 ; дата регистр. 18.04.12. 105. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 201319988 Российская Федерация. Модуль серверного режима Web-приложения САУ МСУ / Вотинов М. В. ; правообладатель ФГБОУВПО «Мурм. гос. техн. ун-т». – № 2013617694 ; дата поступл. 27.08.13 ; дата регистр. 22.10.13. 106. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2013619987 Российская Федерация. Модуль пользовательского режима Webприложения САУ МСУ / Вотинов М. В. ; правообладатель ФГБОУВПО «Мурм. гос. техн. ун-т». – № 2013617688 ; дата поступл. 27.08.13 ; дата регистр. 22.10.13. 107. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011616587 Российская Федерация. Идентификация модели термо-объекта по переходной характеристике / Вотинов М. В. ; правообладатель ФГБОУВПО «Мурм. гос. техн.ун-т». – № 2011614857 ; дата поступл. 30.06.11 ; дата регистр. 24.08.11. 108. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011613411 Российская Федерация. Автоматизированный программный модуль определения использованием минимума функции диверсифицированного по нескольких каждой переменных переменной с шага градиентного спуска / Вотинов М. В. ; правообладатель ФГБОУВПО «Мурм. гос. техн. ун-т». – № 2011611615 ; дата поступл. 11.03.11 ; дата регистр. 29.04.11. 109. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012611437 Российская Федерация. Программный модуль WEBCAM САУ МСУ / Вотинов М. В. ; правообладатель ФГБОУВПО «Мурм. гос. техн. ун-т. – № 2012611437 ; дата поступл. 28.02.12 ; дата регистр. 18.04.12. 110. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012613616 Российская Федерация. Программный модуль DATAREADER САУ МСУ / Вотинов М. В. ; правообладатель ФГБОУВПО «Мурм. гос. техн. ун-т. – № 2012611436 ; дата поступл. 28.02.12 ; дата регистр. 18.04.12. 228 111. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014614817 Российская Федерация. Дифракционно-волновой измеритель / Вотинов М. В. ; правообладатель ФГБОВПО «Мурм. гос. техн. ун-т». – № 2014612049 ; дата поступл. 12.03.14 ; дата регистр. 08.05.14. 112. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014615299 Российская Федерация. Моделирование прогрева гидробионта в процессе сушки / Вотинов М. В. ; правообладатель ФГБОВПО «Мурм. гос. техн. ун-т». – № 2014612962 ; дата поступл. 03.04.14 ; дата регистр. 22.05.14. 113. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014615453 Российская Федерация. Математическая температурная модель технологического процесса сушки гидробионтов / Вотинов М. В. ; правообладатель ФГБОВПО «Мурм. гос. техн. ун-т». – № 2014612953 ; дата поступл. 04.04.14 ; дата регистр. 27.05.14. 114. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015615542 Российская Федерация. Автоматизированный послойный температурный анализатор АРТА-V / Вотинов М. В. ; правообладатель ФГБОУВПО «Мурм. гос. техн. ун-т». – № 2015612060 ; дата поступл. 23.03.15 ; дата регистр. 20.05.15. 115. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015617031 Российская Федерация. Автоматизированный послойный температурный анализатор АРТА-T / Вотинов М. В. ; правообладатель ФГБОУВПО «Мурм. гос. техн. ун-т». – № 2015612059 ; дата поступл. 23.03.15 ; дата регистр. 26.06.15. 116. Семенов Г.В. Сушка сырья: мясо, рыба, овощи, фрукты, молоко. Учебно-практическое пособие. Серия «Технологии пищевых производств». – Ростов н/Д: издательский центр «МарТ», 2002. – 112 с. 117. Состав показателей. Общие положения. – Введ. 2000–07–01. – М. : Госстандарт России, 1999. – 12 с. 118. Справочник по приборам инфракрасной техники / Л. З. Криксунов [и др.] ; под ред. Л. З. Криксунова. – Киев : Технiка, 1980. – 232 с. : ил. 229 119. Стратегия развития информационного общества в Российской Федерации : утв. Президентом Рос. Федерации 7 фев. 2008 г. № Пр-212 // Российская газета. – 2008. – № 34. 120. Тарасов, И. И. Рыбные богатства Древней Руси / И. И. Тарасов // Рыбацкое подворье. – 2005. – № 2. – С. 8–10. 121. Термопреобразователь сопротивления ДТС045 типа ТСП фирмы «ОВЕН». [Электронный ресурс] общие сведения. – Режим доступа: http://ovenspb.ru/d/237365/d/dts_dtp.pdf – Загл. с экрана. 122. Технология переработки рыбы и морепродуктов : учеб. пособие / Г. И. Касьянов [и др.]. – Ростов н/Д. : Март, 2001. – 416 с. 123. Технология продуктов из гидробионтов / С. А. Артюхова [и др.] ; под ред. Т. М. Сафроновой и В. И Шендерюка. – М. : Колос, 2001. – 496 с. : ил. 124. Технология продуктов из гидробионтов / С. А. Артюхова [и др.] ; под ред. Т. М. Сафроновой и В. И. Шендерюка. – М. : Колос, 2001. – 496 с. : ил. 125. Технология рыбы и рыбных продуктов : учебник для вузов / В. В. Баранов [и др.] ; под ред. А. М. Ершова. – СПб. : ГИОРД, 2005. – 966 c. : ил. 126. Удальцова, М. Н. Термообработка океанических рыб в ИК-аппаратах предприятий общественного питания : дис. ... канд. техн. наук : 05.18.12 / Удальцова Милена Николаевна. – Москва, 1983. – 253 c. 127. Чагин, О. В. Оборудование для сушки пищевых продуктов / О. В. Чагин, Н. Р. Кокина, В. В. Пастин ; Ивановский хим.-технол. ун-т. – Иваново : ИГХТУ, 2007. – 138 с. 128. Элементы теории «пунктирного» обезвоживания в процессах холодного копчения и вяления рыбы / М. А. Ершов [и др.] // Вестник МГТУ : труды Мурм. гос. техн. ун-та / Мурм. гос. техн. ун-т. – Мурманск, 2012. – Т. 15, № 1. – С. 15-20. 129. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года [Электронный ресурс] : утв. распоряжением Правительства Рос. Федерации от 13 нояб. 2009 г. № 1715-р // Министерство энергетики Рос. Федерации : офиц. 230 cайт. – Режим доступа: http://minenergo.gov.ru/activity/energostrategy/index.php. – Загл. с экрана. 130. Albertos P., Mareels I. Feedback and Control for Everyone // SpringerVerlag Berlin Heidelberg. 2010. 318 p. 131. Ang K., Chong G., Li Y. PID control system analysis, design, and technology //IEEE Transactions on Control Systems Technology. – 2005. Vol. 13. – N. 4. – P. 559–576. 132. Ásbjörn Jónsson Dried fish as health food / Matнs ohf / Matis - Food Research, Innovation & Safety 2007, 22 с. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.matis.is/media/matis/utgafa/Skyrsla_32-07.pdf.– Загл. с экрана. 133. Djendoubi, N. Drying of sardine muscles. Experimental and mathematical investigations / N. Djendoubi [et al.] // Food and Bioproducts Processing. – 2009. – Vol. 87, Is. 2. – P. 115–123. 134. Handbook of industrial drying / ed. by Mujumdar A.S. - 3rd ed. - Boca Raton, FL: RC/Taylor & Francis, 2006. - 1280 p. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://en.bookfi.org/book/1311823.– Загл. с экрана. 135. M. Ruiz-Altisenta,∗, L. Ruiz-Garciaa, G.P. Moredaa, Renfu Lub, N. Hernandez-Sancheza, E.C. Correaa, B. Diezmaa, B. Nicolaïc, J. García-Ramosd Sensors for product characterization and quality of specialty crops–A review. Comput. Electron. Agric., 74(2): 176–194. 136. Operators manual optris® CT Infrared Sensor E2013-07-A. [Электронный ресурс] описание. – Режим доступа: http://www.optris.com/optris-ctlt?file=tl_files/downloads/Manuals/Englisch/Compact%20Series/Manual%20optris%20 CT.pdf – Загл. с экрана. 137. Sobukola, O. P. Effect of salting techniques on salt uptake and drying kinetics of African catfish (Clarias gariepinus) / O. P. Sobukola, S. O. Olatunde // Food and Bioproducts Processing. – 2011. – Vol. 89, Is. 3. – P. 170-177. 138. Stuart B. Infrared Spectroscopy: Fundamentals and Applications / Analytical Techniques in the Sciences, 2004 – 224 с. – Режим доступа: http://www.twirpx.com/file/951222/.– Загл. с экрана. 231 139. Studies on salting and drying of Sardine (Sardinella aurita) : Experimental kinetics and modeling / S. Bellagha [et al.] // Journal of Food Engineering. – 2007. – Vol. 78. – P. 947–952. 140. Traffano-Schiffo, M.V., Castro-Giráldez, M., Fito, P.J. Study of ham drying kinetics by Infrared Thermography. InsideFood Symposium, 9-12 April 2013, Leuven, Belgium. – Режим доступа: http://www.insidefood.eu/INSIDEFOOD_WEB/UK/WORD/proceedings/028P.pdf. – Загл. с экрана. 141. Votinov, M. V. The program algorithm for definition extremum of several variables function on the basis of gradient descent’s method Innovative development and developing innovations / M. V. Votinov // Инновационное развитие и развитие инноваций : сб. ст. ежегодной междунар. студ. науч.-практ. конф. / Донской гос. техн. ун-т. – Ростов н/Д., 2011. – С. 61-66. 232 Приложение А 233 234 235 Приложение Б 236 Приложение В 237 238 Приложение Г 239 240 Приложение Д 241 Приложение E 242 Приложение Ж 243 Приложение З 244 Приложение И 245 Приложение К 246 Приложение Л 247 Приложение М 248 Приложение Н 249 Приложение О 250 Приложение П