Создание автоматизированного комплекса управления тепловой обработкой молока

ВВЕДЕНИЕ 3
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 5
1.1 Молоко в качестве сырья для промышленной переработки 5
1.2 Автоматизация технологических процессов на предприятиях молочной промышленности 14
1.3 Техническое обоснование разработки 35
2 АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ 40
2.1 Передаточные функции отдельных звеньев и объекта управления 40
2.2 Исследование характеристик регулирующего устройства 64
2.3 Структурная схема системы автоматического управления 68
3. СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПАСТЕРИЗАЦИИ МОЛОКА 70
3.1 Анализ устойчивости системы управления 70
3.2 Моделирование автоматизированной системы управления 80
3.3 Исполнительные средства системы автоматизации 92
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 97
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 99
Приложение А 102
Приложение Б 103
Приложение В 104
Приложение Г 105

Весь текст будет доступен после покупки

Производство молочной продукции является одной из ключевых отраслей пищевой промышленности, предъявляющей высокие требования к качеству, безопасности и эффективности технологических процессов. Одним из наиболее важных этапов переработки молока является его тепловая обработка – в частности, пастеризация, которая обеспечивает уничтожение патогенной микрофлоры при сохранении питательной ценности продукта. В условиях растущих объёмов производства и ужесточения санитарно-гигиенических норм возрастает необходимость внедрения современных систем автоматизации, способных обеспечить стабильность, точность и энергоэффективность управления технологическими параметрами.
Актуальность темы обусловлена стремлением предприятий молочной промышленности к повышению уровня автоматизации производственных линий, снижению влияния человеческого фактора, минимизации потерь сырья и энергоресурсов, а также обеспечению соответствия выпускаемой продукции действующим стандартам качества. Создание автоматизированного комплекса управления тепловой обработкой молока позволяет не только оптимизировать сам процесс пастеризации, но и интегрировать его в общую цифровую экосистему предприятия.
Целью выпускной квалификационной работы является разработка автоматизированного комплекса управления процессом пастеризации молока, обеспечивающего стабильное поддержание заданных технологических параметров и повышение эффективности производства.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи исследования:
– изучить теоретические основы переработки молока и существующие подходы к автоматизации технологических процессов в молочной промышленности;
– провести техническое обоснование необходимости разработки нового автоматизированного комплекса;
– проанализировать динамические характеристики объекта управления и регулирующих устройств;
– разработать структурную схему системы автоматического управления (САУ);
– исследовать устойчивость и провести компьютерное моделирование предложенной САУ;
– подобрать и обосновать выбор исполнительных средств автоматизации.
Объектом исследования выступает процесс тепловой обработки (пастеризации) молока на предприятиях молочной промышленности. Субъектом исследования является автоматизированный комплекс управления этим процессом, включающий в себя средства измерения, регулирования и исполнительные механизмы.
В работе использованы методы теории автоматического управления, математического моделирования, системного анализа, а также методы инженерного проектирования автоматизированных систем.
Практическая значимость результатов исследования заключается в возможности внедрения разработанного автоматизированного комплекса на действующих предприятиях молочной промышленности, что позволит повысить качество продукции, снизить эксплуатационные затраты и обеспечить соответствие современным требованиям к автоматизации пищевых производств.

Весь текст будет доступен после покупки

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
1.1 Молоко в качестве сырья для промышленной переработки
Молоко представляет собой биологическую жидкость, продуцируемую молочными железами млекопитающих. Оно обладает высокой питательной ценностью, а также иммунологической и бактерицидной активностью, обеспечивая жизнедеятельность и рост новорождённых. Формирование молока происходит в молочной железе из компонентов крови под регулирующим воздействием гормонов – в частности, пролактина и окситоцина – и при участии специфических ферментов. Для синтеза 1 литра коровьего молока через вымя должно циркулировать от 400 до 500 литров крови.
В молочной промышленности основным видом сырья служит именно коровье молоко. Его состав включает воду и сухой остаток, в который входят белки, жиры, углеводы, минеральные элементы, витамины, а также гормоны и ферменты. Кроме того, в молоке присутствует небольшое количество растворённых газов. В отдельных случаях в него могут попадать посторонние, нехарактерные для него вещества.
Вода. На долю воды в молоке приходится 87–88 %, причём большая её часть находится в свободной форме. Свободная вода выполняет функцию растворителя для органических и неорганических соединений – таких как лактоза, минеральные соли и кислоты. Она участвует в химических и биохимических реакциях, протекающих при производстве молочных продуктов, и создаёт благоприятную среду для размножения микроорганизмов, что делает её ключевым фактором порчи продукции. Эту форму воды можно удалить посредством сушки, сгущения или замораживания. Свободная вода замерзает при температурах, близких к 0 °C, достигает максимальной плотности при 4 °C и испаряется при 100 °C.
Связанная вода составляет 3,0–3,5 % от общего содержания воды в молоке. Она удерживается на поверхности макромолекул – белков, фосфолипидов и полисахаридов – за счёт взаимодействия с их гидрофильными группами (–NH?, –COOH, –OH, –CO–, –SH и др.) и называется также адсорбционно-связанной. По своим физико-химическим свойствам она существенно отличается от свободной: не замерзает даже при температурах ниже –40 °C, а её плотность почти вдвое выше. Связанная вода не участвует в биохимических процессах, не служит растворителем, недоступна для микроорганизмов и не удаляется при обычных методах концентрирования и сушки.
Особой разновидностью связанной воды является химически связанная, или кристаллизационная, вода. В молоке она присутствует в виде воды кристаллогидратов лактозы. Выделить такую воду возможно лишь при нагревании до 125–130 °C.
Сухие вещества молока, или сухой молочный остаток (СМО), представляют собой совокупность компонентов, остающихся после полного удаления влаги. Их доля в молоке составляет 12–13 %. Массовую долю (далее – м.д.) сухих веществ определяют либо экспериментально – путём высушивания пробы молока при температуре 103–105 °C до достижения постоянной массы, либо расчётным способом по соответствующей формуле:

Весь текст будет доступен после покупки

1) Григорьев С.М., Козлов А.В. Применение ПЛК-контроллеров в системах управления пастеризационно-охладительными установками // Пищевая промышленность. – 2024. – № 5. – С. 45–49.
2) Дмитриев Е.А., Семенов П.К. Оптимизация параметров ПИД-регулятора для стабилизации температуры в процессе пастеризации молока // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. – 2023. – Т. 85, № 2. – С. 78–85. – DOI: 10.21603/2071-2399-2023-85-2-78-85.
3) Николаев А.Л., Петрова М.С. Цифровизация молочного производства: роль SCADA-систем в управлении технологическими процессами // Молочная промышленность. – 2024. – № 8. – С. 34–39.
4) Шугаев С.В. АСУ пластинчатой пастеризационно-охладительной установки на базе средств автоматизации ОВЕН // Автоматизация и приборостроение. – 2022. – № 4. – С. 28–31.
5) Тихомиров И.А., Лебедев К.С. Современные технологии управления процессами обеспечения качества молока // Вестник КрасГАУ. – 2022. – № 4 (145). – С. 156–163. – DOI: 10.21603/2071-2399-2022-145-156-163.
6) Firdausi R., Cahyono E. Optimization of Milk Pasteurization Process Using PID Control System // Journal of Physics: Conference Series. – 2023. – Vol. 2456. – 012045. – DOI: 10.1088/1742-6596/2456/1/012045.
7) Siddique F. et al. Emerging trends and future perspectives in pulsed electric field technology for milk processing // npj Science of Food. – 2025. – Vol. 9, № 1. – Article 793. – DOI: 10.1038/s41538-025-00793-w.
8) ГОСТ Р 52054-2023. Молоко коровье сырое. Технические условия. – Введ. 2025-01-01. – М.: Стандартинформ, 2023. – 24 с.
9) ГОСТ 33629-2015. Молоко сухое. Технические условия. – М.: Стандартинформ, 2016. – 16 с.

Весь текст будет доступен после покупки