1.4. Требования, предъявляемые к машинам и аппаратам,

и оценка их технико-экономической эффективности

При оценке конструкции аппарата и машины решающее значение имеет их технико-экономическая характеристика. Оптимальным является такой аппарат (машина), который обеспечивает конечный результат с наименьшими затратами.

К машинам и аппаратам предъявляются следующие требования: аппарат (машина) должен быть высокоэффективным (высокопроизводительным), надежным, малоэнерго- и металлоемким, удовлетворять требованиям безопасности работы и быть удобным в обслуживании.

Непременными условиями длительной и бесперебойной работы оборудования являются его механическая надежность и конструктивное совершенство. Механическую надежность характеризуют прочность, жесткость, устойчивость, долговечность, герметичность. Прочность тесно связана с долговечностью и безопасностью конструкции.

Конструктивное совершенство аппаратуры характеризуют простота, малая металлоемкость, технологичность конструкции, высокий коэффициент полезного действия.

Эксплуатационные достоинства определяются удобством обслуживания, простотой и низкими затратами на эксплуатацию.

Степень совершенства конструкции характеризуют технико-экономичес- кие показатели: производительность оборудования, расходные коэффициенты, стоимость и расходы на его эксплуатацию, себестоимость продукции.

При выборе материалов должны учитываться следующие факторы: первоначальная стоимость основного технологического оборудования, затраты, обусловленные коррозией или устранением ее последствий в процессе технического обслуживания оборудования в рассматриваемом коррозиестойком исполнении, затраты, обусловленные коррозией или устранением ее последствий при текущих и капитальных ремонтах оборудования, убытки от простоев во время межремонтного срока службы оборудования, обусловленные коррозией или устранением ее последствий. Вариант с минимальными затратами является наиболее рациональным для каждой позиции разрабатываемой технологической схемы.

1.5. Анализ технологических процессов и производств, как объектов

автоматизации и управления

Одним из основных факторов повышения эффективности производства является его автоматизация. Задачи автоматизации состоят в осуществлении управления различными технологическими процессами и производствами с целью повышения качества выпускаемой продукции и снижения её себестоимости.

Техника управления основывается на ряде правил и законов, общих не только для технических устройств, но и для живых организмов и явлений общественной жизни. Во всех системах имеются управляющие и управляемые составные части, между которыми устанавливаются прямые и обратные связи. Изучение единых законов управления составляет предмет кибернетики – науки, изучающей системы любой природы, способные воспринимать, хранить и перерабатывать информацию для целей управления.

Системой является совокупность происходящих физико-химических процессов и средств для их реализации. В пищевом производстве система включает: технологический процесс, аппарат, машину, агрегат, установку или отдельные производства, в которых он происходит, все средства контроля и управления процессом и связи между ними. В автоматической системе управления всегда можно выделить две взаимодействующие между собой части: технологический объект управления (ТОУ) и управляющее устройство (УУ).

В том случае, когда в системе управления все функции выполняются без участия человека, система называется автоматической. На современном уровне развития вычислительной техники и средств автоматизации для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления используютсяавтоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП).

Технологический объект управления (ТОУ) – это совокупность технологического оборудования и реализованного на нем технологического процесса производства.

Автоматизированная система управления технологическими процессами предназначена для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления в соответствии с принятым критерием управления.

Критерий управления автоматизированной системы управления технологическими процессами – это соотношение, характеризующее качество работы технологического объекта управления в целом и принимающее числовое значение в зависимости от используемых управляющих воздействий. Следовательно, критерий является технико-экономическим (например, себестоимость выходного продукта при заданном качестве, производительность ТОУ) или техническим показателем (параметры процесса, характеристики выходного продукта).

Не меньшее значение, чем критерии, имеют ограничения, которые должны соблюдаться при выборе управляющих воздействий. Для осуществления процесса управления необходимо иметь информацию о поведении технологического объекта управления под влиянием управляющих воздействий. Эффективное управление процессами и пищевыми производствами возможно в том случае, когда основные закономерности присущие объекту (процессу) представлены в виде математического описания. Математическое описание исследуемого объекта, вне зависимости от происходящих в нем явлений или процессов, можно разбить на четыре группы:

- входные контролируемые параметры Х (х₁, х₂, х₃, …. х_m), характеризующие качество и количество исходных продуктов;

- входные неконтролируемые параметры F (f₁, f₂, f₃, … f_k) - возмущающие воздействия, характеризующие суточные и сезонные изменения окружающей среды, влияние случайных примесей в исходном сырье, изменение его физико-химических свойств, влияние износа и старения оборудования, наводки и шумы по каналу управления и т.д.;

- управляемые выходные параметры Y (y₁, y₂, y₃, … y_q), характеризующие обобщенные технико-экономические показатели, по которым оценивают качество и экономическую эффективность работы объекта. Эти показатели являются определяющими при выборе технологического режима управления;

- управляющие воздействия U (u₁, u₂, u₃, … u_r), при помощи которых поддерживаются заданный технологический режим процесса, изменения показаний расходомеров, положения регуляторов, регулирующих заслонок, воздействия на исполнительные механизмы (ИМ) и т.д.

Значения входных параметров ограничены технологическими условиями процесса: х_min< x < х_max, а значение управляющих воздействий лимитируется техническими ограничениями: u_min< u < u_max.

Задача автоматизации и управления сложными объектами формулируется так: в данной технологической ситуации, определяемой значениями параметров х_mи возмущениями f_k, найти такие значения управляющих воздействий u_rс учетом соответствующих ограничений, при которых выходные параметры у_qпринимают оптимальные (экстремальные) значения и не выходят за заданные пределы.

В пищевой технологии объектами автоматизации и управления являются: аппараты, машины, агрегаты, установки, технологические линии, цеха пищевых предприятий, пищевые производства и реализуемые на их базе технологические процессы. Поскольку технологический процесс является определяющим фактором при разработке схем автоматизации и управления, проводится предварительный анализ технологического процесса как объекта автоматизации и управления. Изучается технологический процесс данного объекта управления, анализируются причины брака, потерь, простоев, отклонений от технологических параметров, регламента, а также других факторов, влияющих на снижение качества выпускаемой продукции и увеличивающих его себестоимость.

Для определения возможности увеличения выпуска продукции на данном производстве, повышения ее качества и снижения себестоимости сравниваются известные отечественные и зарубежные технические решения автоматизации технологического процесса, которые могут быть использованы для реализации предъявляемых технических требований к данному производству.

Анализ технологического процесса, как объекта управления, заключается, как правило, составлением описания технологического объекта управления, существующей автоматизированной системы управления, структурной технологической схемы, описания математической модели и критериев управления. Одновременно приводится оценка возможности реализации АСУ с помощью современных средств автоматизации в вычислительной технике.

Таким образом, для построения эффективной системы управления нужно иметь всю совокупность информации об объекте управления и системе, получаемой на этапе подготовки объекта к автоматизации. Эффективное управление объектами возможно при наличии их математического описания.

6. Математическое моделирование

Математическое описание технологических процессов проводится с помощью модели.

Модели бывают физические и математические.

Физическими – вещественными моделями являются пилотные установки, которые специально создаются для изучения различных процессов. Физическое моделирование состоит в проведении экспериментальных исследований на модели, в которой протекают процессы, тождественные по своей физической природе процессам, происходящим в объекте, с последующим переносом результатов опытов на реальный объект. Физическая модель должна в определенном смысле соответствовать объекту. Такое соответствие называется подобием.

Математическая модель – это математическая абстракция, характеризующая физический, биологический, экономический процесс или процесс какой-либо другой природы. В отличие от физических моделей, имеющих ту же, что и оригинал, физическую природу, математические модели при различной их физической природе основаны на идентичности математического описания процессов в модели и оригинале.

Математическое моделирование заключается в изучении процесса непосредственно на самой математическое модели. По существу математические модели являются разновидностью символических (языковых) моделей, в которых описание объекта или явления дается на том или ином языке (математическом, химическом, языке чертежей и т.д.) и принципиально допускается переход от одного языка к другому.

Математическое моделирование начинается с составления математической модели, которая отражает соответствующий физический процесс, представляется в виде определенной математической записи, объединяет опытные факты и устанавливает взаимосвязь между входными и выходными параметрами исследуемого процесса. При составлении модели используются теоретические методы и необходимые экспериментальные данные. Конечной целью математических моделей является прогноз результатов проведения процесса и выработка рекомендаций по возможным воздействиям на его ход.

Существует два основных подхода к анализу и управлению технологическими процессами как объектами автоматизации в зависимости от их особенностей и степени сложности – аналитический и экспериментальный.

При аналитическом, или математическом, подходе, т.е. при построении математической модели системы, принципиально можно получить реакцию системы на любое возмущение. В этом случае получаемая модель дает представление не об одном конкретном объекте, а о целом классе подобных объектов. Достоинством этого подхода является глубокое исследование механизма изучаемого процесса, возможность одновременно изучить целый класс процессов как объектов автоматизации и управления. При экспериментальном исследовании незначительное изменение аппаратуры или механизма процесса требует проведения нового эксперимента.

Экспериментальный подход более прост, дает более точные результаты при исследовании сложных объектов и находит широкое применение в практике автоматизации, однако математическое описание, полученное экспериментально, обычно справедливо для некоторой области входных и выходных значений, при отклонении от которой точность модели снижается.

В зависимости от метода, применяемого для построения модели, можно выделить три основных модели: модели типа «черный ящик» (экспериментальный метод); модели, основанные на физико-химических закономерностях процесса (аналитический метод); смешанные модели.

Принцип «черного ящика». При анализе сложных процессов, когда не представляется возможным найти внутренние связи в системе, в кибернетике применяют принцип «черного ящика». Этот принцип заключается в том, что, не имея информации о существе, внутренней структуре процесса, для его математического описания используют лишь зависимость выходных величин от входных.

Понятие «черного ящика» относится к основным понятиям кибернетике, помогая при изучении поведения систем, т.е. реакций на различные внешние воздействия, абстрагироваться от их внутреннего устройства. Многие системы, особенно большие, оказываются настолько сложными, что, даже имея полную информацию о состоянии их элементов, практически невозможно связать ее с поведением системы в целом. В подобных случаях представление такой сложной системы в виде некоторого «черного ящика», функционирующего аналогично, облегчает построение модели упрощенной модели. Анализируя поведение модели, и сравнивая его с поведением системы, можно сделать ряд выводов о свойствах самой системы и при их совпадении со свойствами модели выбрать рабочую гипотезу о предполагаемом строении исследуемой системы.

Принцип «черного ящика» оказывается весьма полезным при замене одной системы другой, функционирующей аналогичным образом. Так, при автоматизации вредных производств возникает необходимость замены аппаратчика автоматическим устройством, способным выполнять те же функции.

Модель, основанная на физико-химических закономерностях процесса. Модель строится на основании известных законов, определяющих связи между входами и выходами объекта. Этими законами являются балансы вещества и энергии, уравнения гидродинамики, теплопередачи, массопередачи и химической и химической кинетики. Для построения такой модели необходимо обладать большим объемом данных о процессе, знать геометрические размеры аппаратуры, расходы веществ, поступающих в аппараты, коэффициенты массо- и теплопередачи, кинетику протекающих реакций.

Постоянные коэффициенты аналитической модели имеют наглядный физический смысл, что позволяет сознательно упрощать или усложнять модель. Однако подобная модель требует большого объема предварительных знаний, высокой квалификации специалиста, разрабатывающего ее, и экспериментальной проверки ее адекватности реальному процессу. Этих недостатков лишена модель смешанного типа.

Модель смешанного типа. Модель по сложности занимает среднее положение между моделью типа «черный ящик» и чисто аналитической моделью, основанной на физико-химических закономерностях. Отсутствие некоторых сведений о механизме процесса и управления экспериментально компенсируется определенными коэффициентами уравнений. Необходимая адекватность модели автоматически обеспечивается (уточняется) в процессе ее построения; в задаче идентификации объектов называется адаптивной моделью. Модели такого типа применяются в системах управления технологическими процессами.

Математические модели технологических процессов

В зависимости от вида функции распределения все многообразие математических моделей потоков, возникающих в различных аппаратах, может быть представлено в виде некоторых типовых моделей, описанных ниже.

Модель идеального вытеснения. В соответствии с этой моделью принимается поршневое течение без перемешивания вдоль потока при равномерном распределении субстанции в направлении, перпендикулярном движению (рис.1). Время пребывания в системе всех частиц одинаково и равно отношению объема системы к объемному расходу жидкости.

Математическое описание модели имеет вид:

,

где с – концентрация субстанции (вещества или энергии); τ – время; υ – линей-

ная скорость потока; х – координата.

Выходные кривые при ступенчатом

и импульсном возмущениях представлены на рис. 1.

Как следует из вида выходных кривых, модели идеального вытеснения соответствует звено чистого запаздывания. На графиках выходных кривых показано также безразмерное время

,

где V_С– объемная скорость потока, V – объем системы, τ – данное время.

Модели идеального вытеснения в первом приближении соответствуют процессы, происходящие в трубчатых аппаратах при отношении длины трубы к диаметру более 20.

Модель идеального смешения. Согласно этой модели принимается равномерное распределение субстанции во всем потоке (рис. 1). Зависимость между концентрацией субстанции в потоке на входе (с_ВХ.) и выходе (с_ВЫХ.) имеет вид:

Выходные кривые при ступенчатом и импульсном возмущении изображены на рис. 1.

Как следует из вида выходных кривых, модели идеального перемешивания соответствует апериодическое звено.

Функция отклика системы имеет вид:

,

где - среднее время пребывания в системе.

Модели идеального смешения следуют процессы, происходящие в цилиндрических аппаратах со сферическим дном в условиях интенсивного перемешивания при наличии отражательных перегородок.

Ячеечная модель. Основой модели является представление об идеальном перемешивании в пределах ячеек, расположенных последовательно, и отсутствии перемешивания между ячейками (рис. 1). Параметром, характеризующим модель, служит число ячеек m.

Математическое описание ячеечной модели включает m линейных дифференциальных уравнений первого порядка: ,

где i= 1, 2, …m.

Связь между распределением по С – кривой и числом ячеек m определяется из соотношения: , где.

Соотношение между числом ячеек и дисперсией σ²дается в виде:

или с достаточной для практических расчетов точностью при m > 10:

При m = 1 ячеечная модель переходит в модель идеального смешения, а при m = ∞ - в модель идеального вытеснения. Выходные кривые ячеечной модели при ступенчатом и импульсном возмущениях имеют вид, представленный на рис. 1.

Ячеечной модели соответствуют последовательно соединенные аппараты с мешалками, осуществляющими интенсивное перемешивание, абсорбционные и

экстракционные колонны при некоторых гидродинамических режимах, и, в первом приближении, аппараты с псевдоожиженными слоями.

Рис. 1. Выходные кривые

Вопросы для самопроверки

1. Что такое технология, технологический процесс, технологический аппарат и машина?

2. Причины не стабильности технологических процессов.

3. Классификация основных технологических процессов.

4. Какой вид имеет основное кинетическое уравнение?

5. Уравнение материального баланса.

6. Уравнение теплового баланса.

7. Требования, предъявляемые к машинам и аппаратам, оценка их технико-экономической эффективности.

8. Что такое система?

9. Что изучает кибернетика?

10. Когда система управления называется автоматической?

11. Что такое автоматизированная система управления?

12. Критерий управления.

13. Как формулируется задача автоматизации и управления сложными объектами?

14. На какие четыре группы можно разбить математическое описание исследуемого объекта вне зависимости от происходящих в нем процессов?

15. Что является объектами управления в пищевой технологии?

16. Что такое физическая модель?

17. Что такое математическая модель?

18. Модель типа «черный ящик».

19. Модель, основанная на физико-химических закономерностях процесса.

20. Модель смешанного типа.

21. Модель идеального (полного) перемешивания.

22. Модель идеального (полного) вытеснения.

23. Модель промежуточного типа (каскадная модель).

Тесты «Технологические процессы как объект автоматизации»

1. Технологический процесс - это

а) ряд приемов, проводимых направлено, с целью получения из исходного сырья продукта с наперед заданными свойствами;

б) совокупность последовательных технологических действий, проводимых с целью достижения заданного количественного результата;

в) совокупность технологического оборудования и реализованного на нем технологического процесса производства.

2. Массообменные процессы - это процессы

а) скорость которых определяется законами механики и гидродинамики;

б) связанные с переносом теплоты от более нагретых к менее нагретым;

в) связанные с переносом вещества в различных агрегатных состояниях из одной фазы в другую.

3. К массообменным процессам относятся

а) выпаривание, конденсация, стерилизация;

б) адсорбция, ректификация, экстракция;

в) фильтрование, центрифугирование, перемешивание.

4. На основании, какого закона составляют уравнение материального баланса?

а) на основании закона сохранения энергии;

б) на основании закона сохранения массы;

5. Что определяют на основании материального баланса

а) выход готового продукта;

б) количество вводимой в процесс теплоты;

в) продолжительность процесса.

6. Из основного кинетического уравнения следует, что

а) скорость процесса прямо пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению;

б) скорость процесса прямо пропорциональна сопротивлению и обратно пропорциональна движущей силе.

7. Модели технологических процессов бывают

а) статические и химические;

б) динамические и кинетические;

в) физические и математические.

8. Изучение физической модели заключается

а) в изучении данного процесса на алгоритме, заменяющий физический процесс;

б) в изучении данного процесса непосредственно на математической модели;

в) в изучении данного процесса непосредственно на физической модели.

9. В аппаратах идеального перемешивания предполагается, что

а) поступающий поток мгновенно перемешивается во всем объеме содержащегося вещества;

б) поступающий поток перемешивается только в направлении движения вещества;

в) поступающий поток перемешивается только в поперечном направлении.

10.В промежуточной (каскадной) модели при числе аппаратов n = 1, приходим к модели

а) идеального вытеснения

б) идеального смешения;

в) модели промежуточного типа.

11.В аппаратах идеального вытеснения предполагается

а) полное отсутствие продольного перемешивания и полное перемеши- вание в поперечном направлении;

б) полное отсутствие перемешивания в поперечном направлении и полное продольное перемешивание;

в) полное перемешивание, как в продольном, так и в поперечном направлении.