Информационно-измерительная и управляющая система вязкостью шоколадной массы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Чистяков, Михаил Вячеславович

• Чистяков, Михаил Вячеславович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чистяков, Михаил Вячеславович

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ШОКОЛАДНОЙ МАССЫ

1.1 Структура технологического процесса производства шоколадной массы

1.2. Характеристики и информационные параметры шоколадной массы 17 ВЫВОДЫ

V 2 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ШОКОЛАДНОЙ

МАССЫ

2.1 Методы измерения вязкости

2.2 Ротационный метод измерения

2.2.1 Функция преобразования первичного преобразователя ротационного вискозиметра

2.2.2 Влияния тиксотропной структуры жидкости на возможность использования измерения вязкости ротационным методом

2.3. Методическая погрешность ротационного метода измерения

2.3.1 Влияние параметров ротора на результирующую погрешность ротационного вискозиметра

2.3.2 Влияние температуры на результирующую погрешность измерения вязкости шоколадной массы ротационного вискозиметра

ВЫВОДЫ

3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЯЗКОСТИ ШОКОЛАДНОЙ МАССЫ

3.1 Определение основных параметров влияющих на вязкость шоколадной массы

3.2 Проведение эксперимента

3.3 Обобщенная математическая модель вязкости шоколадной массы

3.4 Регулирование вязкости шоколадной массы 94 ВЫВОДЫ

4 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ИИУС

4.1 Первичный преобразователь ротационного вискозиметра

4.2 Структурная схема ИИУС вязкостью шоколадной массы

4.3 Использование сервосистемы

4.3.1 Функция преобразования чувствительного элемента

4.3.2 Расчет погрешности функции преобразования чувствительного элемента

4.3.3 Применение абсолютного энкодера

4.3.4 Применение сервоусилителя для преобразования и управления двигателем

4.4 Алгоритм функционирования ИИУС вязкостью шоколадной массы

ВЫВОДЫ

5 ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИИУС ВЯЗКОСТЬЮ ШОКОЛАДНОЙ МАССЫ. РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ

5.1 Расчет результирующей погрешности ИИУС вязкостью шоколадной массы

5.2 Основные схемы подключения ИИУС вязкостью шоколадной массы

5.3 Технические характеристики ИИУС вязкостью шоколадной массы

5.4 Внедрение ИИУС вязкостью шоколадной массы на ОАО КО «Россия»

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Информационно-измерительная и управляющая система вязкостью шоколадной массы»

Актуальность темы.

Современные шоколадные производства, конкурируя между собой, стремятся к улучшению качества выпускаемого продукта и увеличению его спроса на рынке. В связи с этим особое значение играют новые технологии производства и контроля, позволяющие улучшать вкусовые качества шоколада и его товарный вид.

Производство шоколадной продукции является технологическим процессом повышенной сложности, и управлять таким процессом при массовом производстве невозможно без использования автоматизированных систем управления, охватывающих весь производственный процесс.

Однако в современных системах управления, осуществляющих автоматизацию технологического процесса, как правило, отсутствуют устройства оперативного автоматического контроля параметров готовой продукции. Готовая продукция анализируется в специальных лабораториях, а результаты анализа позволяют осуществлять коррекцию технологического процесса с задержкой по времени. Такой подход используется и на крупнейшей в нашей стране шоколадной фабрике "Россия".

Шоколадная фабрика "Россия", основанная в 1970 году производит шоколад и шоколадные конфеты на всю Россию и ближнее зарубежье. После включения фабрики в корпорацию "Nestle" в 1994 году на фабрике произошли кардинальные перемены. Компания "Nestle" вложила в фабрику более 100 миллионов долларов. Появились новые автоматизированные линии большой производительности, что позволило фабрике "Россия" выйти на мировой уровень и поставлять продукцию не только на внутренней рынок, и страны СНГ, но и на всю Европу.

В настоящее время на фабрике существуют три линии по производству шоколадных масс, обеспечивающие восемнадцать линий производящих шоколад и конфеты. Все линии автоматизированы, технологическими процессами управляют контроллеры, собирающие данные о состоянии агрегатов с датчиков и измерительных систем производящих измерения электрических, механических и термодинамических параметров.

Качество готовой продукции зависит от ряда параметров характеризующих качество шоколадной массы, наиболее важными такими параметрами являются: содержание массовой доли жира, содержание массовой доли влажности, размер сухой измельченной составляющей массы, темперирование массы, динамическая вязкость шоколадной массы.

Не все параметры технологического процесса, определяющие качества шоколадной массы, могут быть измерены непосредственно в процессе производства. Так один из основных параметров вязкость шоколадной массы до сих пор определяется при помощи лабораторных установок, что затрудняет оперативное вмешательство в процессе производства, корректируя его те или иные управляющие воздействия.

При изготовлении шоколадных изделий, для быстрого и правильного формирования структуры по техническому условию 9125 - 011 — 43902960 — 02, температура шоколадной массы должна составлять 32°С, поэтому измерение вязкости шоколадной массы производят строго при температуре 32°С. Приготовленная шоколадная масса на производственной линии имеет температуру в районе 40-г50°С, а интересует значение вязкости массы при температуре 32°С, и поскольку зависимость вязкости от температуры неустановленна приходится производить измерение вязкости охлажденных до 32°С отобранных проб.

В связи с отсутствием автоматизированного измерения и высокой производственной скорости часть продукта идет с несоответствующим значением вязкости, что приводит к браку при формировании шоколада и глазировании конфет. Так как при формировании вязкость влияет на пористость, следовательно, на вес и товарный вид изделия, а при глазировании, исключает такие дефекты как оплывы глазури. В ручных кондитерских изделиях необходимая вязкость обеспечивает сохранение формы узора. Поэтому время измерения вязкости шоколадной массы играет важную роль. В связи с этим, весьма актуальной задачей является, создание и внедрение автоматизированной системы контроля и управления коэффициентом вязкости шоколадной массы.

В результате проведенного анализа технологического процесса было выявлено, что непрерывное измерение и управление вязкости шоколадной массы поможет уменьшить погрешность регулирования, позволит повысить качество продукта и уменьшит производственный брак.

Целью диссертационной работы является разработка автоматизированной системы контроля и управления вязкостью шоколадной массы в производственном процессе.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Проведен анализ технологического процесса производства шоколадной массы;

2. Обоснована необходимость автоматизации измерения и управления коэффициентом вязкости шоколадной массы;

3. Рассмотрены производственные требования к ИИС;

4. Проведен анализ вязкости шоколадной массы, рассмотрена сложная тиксотропная структура вещества;

5. Определены основные информационные параметры вязкости шоколадной массы подлежащие измерению и управлению;

6. Поставлены требования к разрабатываемой автоматизированной системе контроля и управления вязкости;

7. Проведен анализ существующих методов измерения коэффициента вязкости;

8. Приведено обоснование использования ротационного метода измерения вязкости;

9. Проанализированы погрешности ротационного метода;

10. Разработана математическая модель вязкости шоколадной массы, проведен анализ погрешностей модели;

11. Разработана структурная схема автоматизированной контролирующей системы вязкости;

12. Рассмотрены преобразователи ИИС;

13. Проведен анализ погрешности измерительной системы;

14. Реализована и внедрена ИИС;

Основные методы исследования.

При решении поставленных задач использовались методы моделирования, теория погрешностей результатов измерений, теория электрических цепей, автоматизация систем управления. Математическая модель разрабатывалась с помощью прикладных программ MATLAB и Derive.

Научная новизна заключалась в следующем.

1. На основании проанализированных влияний геометрических размеров воспринимающего элемента ротационного вискозиметра на результирующую погрешность измерения коэффициента вязкости определенны оптимальные размеры воспринимающего элемента вискозиметра.

2. Разработана математическая модель коэффициента вязкости шоколадной массы, позволяющая на основании имитационного моделирования определять влияние различных факторов на изменение вязкости массы.

3. Применен новый подход измерения вязкости, заключающийся в поддержании постоянной скорости вращения ротора используемой сервосистемой, который позволил увеличить диапазон и точность измерения.

4. На основании математической модели разработана метод автоматизированного регулирования вязкости шоколадной массы.

Практическая значимость результатов.

1. Разработанный в диссертации метод позволил проводить измерения непосредственно в технологическом процессе.

2. Разработанная математическая модель вязкости шоколадной массы позволила прогнозировать изменение вязкости при изменении температуры.

3. Разработанная автоматизированная и контролирующая система по сравнению с существующим регулированием вязкости обеспечивает регулирование с наименьшей погрешностью.

Реализация научно— технических результатов.

Результаты диссертационной работы успешно внедрены на автоматизированной линии по производству шоколадной массы на ОАО КО "Россия".

На защиту выносятся:

1. Математическая модель вязкости шоколадной массы.

2. Метод измерения шоколадной массы непосредственно в технологическом процессе.

3. Структурная схема автоматизированной контролирующей системы вязкости шоколадной массы.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах Научно — технического центра Метрологической академии РФ, 2002, 2003, на всероссийской межвузовской научно -практической конференции "Компьютерные технологии в науке, практике и образовании", Самара 2004 г. и международной научно - технической конференции "Информационные, измерительные и управляющие системы", Самара 2005.

Личный вклад.

Основные научные результаты и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе и публикациях, получены автором самостоятельно и под руководством научного руководителя.

Публикации.

Основные результаты исследования представлены в 7 печатных работах. Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 162 страницы основного текста, 53 рисунка, список литературы из 66 наименований.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Чистяков, Михаил Вячеславович

ВЫВОДЫ

1. Проанализированы погрешности ИИУС вязкостью шоколадной массы, рассчитана результирующая погрешность системы, не превышающая достаточную для производственных нужд величину в 3%.

2. Рассмотрены и приведены основные схемы подключения ИИУС вязкостью шоколадной массы, представлены фотографии основных элементов системы, достаточно простые в изготовлении.

3. Приведены основные технические характеристики ИИУС, удовлетворяющие современным производственным требованиям.

4. Представлен внешний вид разработанной ИИУС вязкостью шоколадной массы на производственной линии, что свидетельствует о высокой степени ее внедрения непосредственно на производстве.

5. Показана эффективность работы ИИУС, позволяющая сократить на 70% выпуск бракованной продукции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе разработана и исследована ИИУС вязкости шоколадной массы позволившая повысить точность и автоматизировать процесс измерения.

Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на семинарах и конференциях ПР НТЦ МА.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ характеристик объекта исследования, на основании которого сформулирована необходимость автоматизации измерения вязкости шоколадной массы, показана необходимость пересчета коэффициента вязкости массы для температуры 32°С. Сформулированы основные производственные требования к разрабатываемой ИИУС вязкостью шоколадной массы.

2. Проведен анализ существующих методов измерения коэффициента вязкости, на основании сформулированных требований выбран ротационный метод измерения вязкости. Проанализированы основные методические погрешности, на основании которых определены оптимальные размеры воспринимающего элемента ротационного вискозиметра.

3. Исследованы основные параметры шоколадной массы, влияющие н коэффициент вязкости. Проведен эксперимент по определению влияния параметров шоколадной массы на коэффициент вязкости. На основании данных эксперимента с помощью полинома второй степени получена математическая модель вязкости шоколадной массы, рассчитана погрешность аппроксимации. Рассмотрен принцип регулирования вязкости шоколадной массы непосредственно в технологическом процессе.

4. Рассчитаны функции преобразования воспринимающего и чувствительного элемента. Проанализированы влияния параметров чувствительного элемента на результирующую погрешность измерения вязкости шоколадной массы. Разработана структурная схема ИИУС вязкостью шоколадной массы. Разработан алгоритм работы ИИУС. Приведены преимущества использования сервосистемы в конструкции вискозиметра.

5. Рассчитана результирующая погрешность ИИУС вязкостью шоколадной массы. Приведены основные схемы подключения системы. Представлены технические характеристики ИИУС. Показана эффективность использования разработанной ИИУС вязкостью шоколадной массы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чистяков, Михаил Вячеславович, 2005 год

1. Зубченко Н.А. Производство кондитерских изделий. М.: Пищевая промышленность, 1995.-387с.

2. Кормаков С.И. Производство конфет. М.: Легкая пищевая промышленность, 1982.- 174с.

3. Кокашинский Г.Р. Производство шоколадных изделий. М.: Пищевая промышленность, 1973.-301с.

4. Лурье И.С. Руководство по технохимическому контролю в кондитерской промышленности, М.: Пищевая промышленность, 1978. 277с.

5. Виноградов Г.В., Малкин А.Я. Реология полимеров. М.: Химия, 1971.-236с.

6. Малкин А.Я., Чалых А.Е. Диффузия и вязкость полимеров. Методы измерения. М.: Химия, 1979. - 304с.

7. Измерение качества продукции /Под ред. А.В. Галичева. М.: Изд-во стандартов, 1971.-258с.

8. Малкин А.Я., Аскадский А.А., Коврига В.В. Методы измерения механических свойств полимеров. — М.: Химия, 1978.

9. Соловьев А.Н., Каплун А.Б. Вибрационный метод измерения вязкости жидкостей. — Новосибирск: Наука, 1970.

10. Вибрационная вискозиметрия /Под редакцией Кутателадзе С.С. Новосибирск: СО АН СССР, Ин-т теплофизики, 1976.

11. Крутоголов В.Д., Кулаков М.В. Ротационные вискозиметры. М.: Машиностроение, - 1984. - 112с.

12. Чистяков М.В. Ротационный вискозиметр // Труды Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» / Самара, СамГТУ 2004. - с. 116-120.

13. Белкин И. М., Виноградов Г.В., Леонов А.И. Ротационные приборы. Измерение вязкости и физико-механических характеристик материалов. — М.: Машиностроение: 1968. 272с.

14. Кузнецов В.А., Лисин В.А., Чистяков М.В. Методы повышения помехоустойчивости и точности ротационного вискозиметра // статья на депонирование Самара, 2005.

15. Назаров Н.Г. Метрология. Основные понятия и математические модели. М.: Высш. Шк: 2002. - 348с.

16. Новицкий П.В., Зограф. И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомоиздат: Ленинг. отд-ние, 1985. - 248 с.

17. Чистяков М.В. Влияние параметров ротора на результирующую погрешность ротационного вискозиметра // Труды Поволжского регионального Научно-Технического центра Метрологической Академии РФ, выпуск 17, серия ИИУС / Самара 2005. - с. 27-34.

18. Алферов А.Н. Погрешности измерений физических величин. — М.: Наука: 1985,324с.

19. Енохович А.С. Справочник по физике и технике. М.: Просвещение: 1989.

20. Чистяков М.В. Влияние температуры на результирующую погрешность измерения вязкости шоколадной массы ротационного вискозиметра// Труды Поволжского регионального Научно-Технического центра.

21. Чистяков М.В. Принципы построения математической модели вязкости шоколадной массы. // Вестник Самарского государственного технического университета, серия «технические науки» №33 Самара 2005. — с. 141-143.

22. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976.

23. Егоренков Д.Л., Фрадков А.Л., Харламов В.Ю. Основы математического моделирования. СПб.: БГТУ, 1996

24. Земельман М.А. Справочник по международной системе единиц. -М.: Изд-во стандартов, 1977. 357с.

25. Вержбицкий В.М. Численные методы. Линейная алгебра и нелинейные уравнения., Высшая школа, М.2000, 266с

26. Ануфриев И.Е. Самоучитель MatLab 5.3/б.х. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. - 736с.

27. Волков Е.А. Численные методы. Учебное пособие. 3-е изд., СПб: Издательство "Лань", 2004. - 256с.

28. Тарасевич Ю.Ю. Информационные технологии в математике. М.: СОЛОН-Пресс, 2003. - 144с.

29. Турчак Л.И., Плотников П.В. Основы численных методов: Учебное пособие. 2-е изд. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002.-304с.

30. Чистяков М.В. Построение математической модели вязкости шоколадной массы интерполяционным методом // Материалы научно-технической конференции «Информационные, измерительные и управляющие системы (ИИУС 2005) / Самара, СамГТУ - 2005. - с. 230-232.

31. Сергеев А.Г., Латышев М.В., В.В. Метрология, стандартизация, сертификация: Учебное пособие. — М.: Логос, 2001. — 536с.

32. Земельман М.А. Метрологические основы технических измерений. -М.: Изд-во стандартов, 1991. 237с.

33. Земельман М.А. Метрологические основы технических измерений. — М.: Изд-во стандартов, 1991.

34. Казлова А.В. Стандартизация, метрология, сертификация, в общественном питании, М.: Издательство мастерство. 2001г. — 154с.

35. Чистяков М.В. Основные принципы регулирования вязкостью шоколадной массы // Труды Поволжского регионального Научно-Технического центра Метрологии Академии РФ, выпуск 16, серия ИИУС / Самара — 2005. — с. 42-46.

36. Куликовский К.Л., Чистяков М.В. Автоматизированное управление вязкостью шоколадной массы // Труды Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» / Самара, СамГТУ 2004. - с. 76-79.

37. Потапов J1.А. и Юферов Ф.М. Измерение вращающих моментов и щ скоростей вращения микроэлектродвигателей. М.:Энергия,1974. - 128с.

38. Чистяков М.В. Структура информационно-измерительной и управляющей системы вязкости шоколадной массы // Труды Поволжского регионального Научно-Технического центра Метрологии Академии РФ, выпуск 17, серия ИИУС / Самара 2005. - с. 18-26

39. Каасик П.Ю., Несговорова Е.Д., Борисов А.П.Расчёт управляемых короткозамкнутых микродвигателей. Л.:Энергия,1972. - 168с.

40. Арменский Е. В., Фалк Г. Б.: Электрические микромашины. — Москва "Высшая школа", 1985.-230 с.

41. Ермолин Н. П. Электрические микромашины малой мощности. — М.: 'Ф Высшая школа, 1967. 503с.

42. Вейнгер A.M. Регулируемый синхронный электропривод. — М.: Энергоатомоиздат, 1985. — 328с.

43. Электротехника. Учебник для вузов/А.С. Касаткин, М.В. Немцов. — 7-е изд.,- М.: Высшая школа,2002. 542с.

44. Булгаков А.А.Частотное управление асинхронными двигателями. 3-е изд. М.: Энергоиздат, 1982. - 216с.

45. Лопухина Е.М. Асинхронные исполнительные микродвигатели для систем автоматики: Учебное пособие для электротехн. спец. вузов. — М.: Высшаяшкола, 1988. -328с.

46. Москаленко В. В. Автоматизированный электропривод. М.: Энергоатомоиздат, 1986.-472с.

47. Курбасов А.С. Особенности проектирования частотно-управляемых асинхронных двигателей. М.: Электротехника. - 1990. - 256с.

48. Лопухина Е.М. и Сомихина Г.С.Расчет асинхронных микродвигателей однофазного и трёхфазного тока. -Л.: Госэнергоиздат, 1961. 312с.

49. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. 6-е изд. Учебник для студентов энергетических и электротехнических вузов. — М.: Высшая школа, 1973. 752с.

50. Кузнецов М.И. Основы электротехники. М.: Высшая школа, 1964. -560с.

51. Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы: Учебник для техникумов связи. М.: Горячая линия-Телеком,2002. - 336с.

52. Фрунзе А.В. Микроконтроллеры. Это же просто! Т. 1. — М.: 000"ИД СКИМЕН",2002. 336С.

53. Гальперин М.В. Электронная техника. М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2003.-304 с.

54. Килем Ю.М. Типовые элементы систем автоматического управления. М.: ФОРУМ: ИНФРА, 2002, - 384 с.

55. Электрические и электронные аппараты: Учебник для вузов/ Под ред. Ю.К. Розанова М.: Информэлектро, 2001. - 452 с.

56. Касаткин А.С., Немцов М.В. Общая электротехника. М.: Наука, 1986.-357 с.

57. Анхимюк B.J1., Опейко О.Ф, Михеев Н.Н. Теория автоматичекого управления. Минск: Дизайн ПРО,2002. - 352с.

58. Ерофеев А.А. Теория автоматического управления. 2-е изд., пер. и доп. СПб.: Политехника, 2002. - 289с.

59. Попов И.И., Голицина О.П. Основы алгоритмизации и программирования. М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2003, - 432 с/

60. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных. М.: МИР, 1980, - 612 с.

61. Назаров Н.Г. Планирование измерений при экспериментальной оценке условия их единства. Журнал «Измерительная техника». — 2000. — № 2.

62. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экспериментов. —М.: Наука, 1971.

63. Сучак Е.В. и др. Надежность технических систем. — Красноярск.: МГП Раско, 2001.-487с.

64. Надежность технических систем: справочник. /Под ред. Ушакова И.А.: М.: Радио и связь, 1985. - 327с.

65. Митропольский А.К. Техника статистических вычислений. — М.: Наука, 1971.-576с.

66. Ханс-Иохим Миттаг, Хорст Ринне Статистические методы обеспечения качества. Пер. с нем. -М.: Машиностроение, 1995.