Разработка автоматизированной системы управления стерилизационным автоклавом

ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ КОНСЕРВНОГО ПРОИЗВОДСТВА И ВОПРОСЫ ЕГО АВТОМАТИЗАЦИИ 5
1.1 Общие сведения о технологии стерилизации консервов 5
1.2 Оборудование, применяемое для стерилизации консервов 12
1.3 Вертикальный автоклав как объект автоматизации 17
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА СТЕРИЛИЗАЦИИ 22
2.1 Математическое описание динамики технологических параметров в промышленном автоклаве 22
2.2 Моделирование изменения температуры и давления в автоклаве 30
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ 41
3.1 Определение структуры управляющих устройств 41
3.2 Структурное описание системы автоматического управления процессом стерилизации в автоклаве 49
3.3 Аппаратная реализация программно-аппаратного комплекса для управления стерилизацией консервов 56
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 66
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 69
ПРИЛОЖЕНИЕ А 72
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 73
ПРИЛОЖЕНИЕ В 74
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 75

Весь текст будет доступен после покупки

Современное пищевое производство, и, в частности, консервная промышленность, предъявляет всё более высокие требования к качеству выпускаемой продукции, энергоэффективности технологических процессов и уровню автоматизации оборудования. Одним из ключевых этапов производства консервов является стерилизация – процесс термической обработки, направленный на уничтожение патогенных микроорганизмов и обеспечение микробиологической стабильности продукта. От точности и надёжности управления этим процессом напрямую зависят как безопасность пищевой продукции, так и её органолептические свойства.
Несмотря на наличие разнообразного оборудования для стерилизации, значительная часть предприятий до сих пор использует устаревшие автоклавы с ручным или частично автоматизированным управлением, что приводит к нестабильности режимов обработки, увеличению энергозатрат и снижению качества конечного продукта. В этой связи актуальной задачей становится разработка современных автоматизированных систем управления (АСУ), способных обеспечить точное поддержание заданных параметров стерилизации – температуры и давления – в реальном времени, а также повысить общую эффективность технологического процесса.
Целью данной выпускной квалификационной работы является разработка автоматизированной системы управления стерилизационным автоклавом, обеспечивающей стабильность и точность технологического процесса стерилизации консервов.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
– провести анализ современного состояния консервного производства и существующих подходов к автоматизации процесса стерилизации;
– разработать математическую модель динамики температуры и давления в промышленном вертикальном автоклаве;
– определить структуру системы автоматического управления процессом стерилизации;
– спроектировать программно-аппаратный комплекс управления автоклавом и обосновать выбор технических средств реализации.
Объектом исследования выступает технологический процесс стерилизации консервов в вертикальном автоклаве.
Субъектом исследования является система автоматического управления данным процессом.
В работе применяются методы теории автоматического управления, математического моделирования, системного анализа, а также методы проектирования программно-аппаратных комплексов.
Практическая значимость результатов исследования заключается в возможности внедрения разработанной автоматизированной системы на предприятиях пищевой промышленности для повышения качества стерилизации, снижения энергопотребления, минимизации человеческого фактора и обеспечения соответствия выпускаемой продукции действующим санитарным и техническим нормам.

Весь текст будет доступен после покупки

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ КОНСЕРВНОГО ПРОИЗВОДСТВА И ВОПРОСЫ ЕГО АВТОМАТИЗАЦИИ
1.1 Общие сведения о технологии стерилизации консервов
Процесс стерилизации представляет собой термическую обработку пищевого продукта, направленную на подавление жизнедеятельности микроорганизмов при температурах от 100 °C и выше. Этот метод выступает ключевым этапом в производстве консервов, обеспечивая их длительную сохранность без порчи.
В ходе стерилизации происходит практически полное уничтожение микрофлоры, а условия внутри упаковки становятся неблагоприятными даже для выживших микроорганизмов. Полная стерильность достигается либо при экстремально высоких температурах (до 180 °C), либо при продолжительной выдержке при более умеренных режимах. Однако такие условия неизбежно ведут к существенным изменениям структуры и состава продукта, что негативно сказывается на его питательной ценности.
Поэтому при выборе режима стерилизации важно не только обеспечить микробиологическую безопасность, но и максимально сохранить органолептические свойства – вкус, аромат и содержание витаминов. Метод теплового консервирования был впервые разработан французским учёным Н. Аппером более чем 150 лет назад и по сей день остаётся одним из самых надёжных и широко применяемых способов длительного хранения пищевых продуктов [19].
Определяющими параметрами стерилизации выступают температура и время её воздействия: чем выше температура, тем короче требуется время для инактивации микроорганизмов, и наоборот.
Период, необходимый для полного уничтожения микрофлоры при заданной температуре, называют «смертельным временем». Эта величина зависит не только от температуры, но и от химического и физического состава продукта, материала и геометрических характеристик тары, а также от вида и начальной численности микроорганизмов в обрабатываемой массе [3].
На практике измерение температуры непосредственно внутри банки затруднено, поэтому управление процессом осуществляется по температуре теплоносителя – среды, окружающей тару. В качестве теплоносителя обычно используют воду, насыщенный пар или горячий воздух. Условное описание технологического режима стерилизации в автоклаве получило название «формула стерилизации».
Для наиболее распространённых на производстве автоклавов периодического действия цикл стерилизации состоит из трёх этапов: сначала осуществляется нагрев теплоносителя до заданной температуры, затем следует выдержка продукта при этой температуре, завершающаяся охлаждением до 30–40 °C – уровня, при котором можно безопасно сбросить давление и провести разгрузку оборудования. Условная запись формулы стерилизации для водяного автоклава с противодавлением имеет следующий вид [5]:
(A-B-C)/? P
Формула для стерилизации в паровоздушной среде с противодавлением:
(a-A-B-C)/? P
где
a – продолжительность продувки автоклава, в течение которой из его объёма вытесняется воздух с помощью пара, мин;
A – фаза нагрева, то есть время, необходимое для повышения температуры теплоносителя в автоклаве от исходного уровня до заданной температуры стерилизации, мин;
B – основной этап стерилизации, представляющий собой время выдержки продукта при установленной температуре, мин;
C – стадия охлаждения, в ходе которой температура и давление в автоклаве снижаются до значений, допускающих безопасную разгрузку оборудования (обычно до 30–40 °C), мин;

Весь текст будет доступен после покупки

1) Воронов, М. В. Автоматическое управление. Управление организационными системами. Цифровые платформы : учебник для вузов / М. В. Воронов, В. И. Пименов, И. А. Небаев. – Москва : Издательство Юрайт, 2024. – 475 с.
2) Бородин, И. Ф. Автоматизация технологических процессов и системы автоматического управления : учебник для среднего профессионального образования / И. Ф. Бородин, С. А. Андреев. – 2-е изд., испр. и доп. – Москва : Издательство Юрайт, 2024. – 377 с.
3) Гутгарц, Р. Д. Проектирование автоматизированных систем обработки информации и управления : учебное пособие для вузов / Р. Д. Гутгарц. – 2-е изд., перераб. и доп. – Москва : Издательство Юрайт, 2024. – 351 с.
4) Шишмарёв, В. Ю. Диагностика и надежность автоматизированных систем: учебник для вузов / В. Ю. Шишмарёв. – 2-е изд. – Москва: Издательство Юрайт, 2024. – 341 с.
5) Острецов, В. Н. Электропривод и электрооборудование : учебник для вузов / В. Н. Острецов, А. В. Палицын. – 2-е изд., перераб. и доп. – Москва : Издательство Юрайт, 2024. – 180 с.
6) Микеров, А. Г. Автоматизация технологических процессов и производств пищевых продуктов: учебник / А.Г. Микеров, Е.А. Панфилов, В.С. Шалавин. – Москва : ИНФРА-М, 2023. – 292 с.
7) Курочкин, А. А. Технологическое оборудование для переработки продукции животноводства: учебник / А.А. Курочкин, Г.В. Шабурова, А.С. Гордеев. – 2-е изд., перераб. и доп. – Москва : ИНФРА-М, 2023. – 378 с.
8) Пилипенко Н.И., Пелевина Л.Ф. Процессы и аппараты пищевых производств: учебник для СПО. – М.: Издательский центр «Академия», 2022. – 384 с.

Весь текст будет доступен после покупки