CC BY
75
приняты, поскольку их значения ниже температуры замерзания масла и точки ломкости семени пряности (-43 и -70°С соответственно). Предполагается, что часть выделившейся в дробилке теплоты нейтрализуется более низкой температурой продукта, входящего в измельчитель, а оставшаяся часть тепла будет отведена газообразным азотом, попадающим в зону измельчения из узла предварительного охлаждения.
Время, необходимое для замораживания продукта жидким азотом от начальной до требуемой конечной температуры, зависит от теплофизических и геометрических параметров продукта, коэффициента теплопередачи между охлаждающим агентом и продуктом.
Расчет времени, необходимого для замораживания жидким азотом, производили на основе разработанной математической модели процесса.
По результатам исследований создана установка для криогенного измельчения пряностей производительностью 30 кг/ч.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кошевой Е.П., Следь Н.И. Криогенное измельчение пряностей - эффективная технология // Техника и технология пище -вых производств: Тез. докл. V Междунар. науч. конф. - Могилев, 2006.
- С. 243.
2. Koshevoy E.P., Sled N.I., Chundyshko V.U., Latin N.N.
Cryogenic craushing of spices // Materials of the l1!? Internatonal Congress of Chemical and Process Engineering, CHISA 2006 (Praha, Czech Republic, 27-31 August). - Praha, 2006. - Р. 1853.
Кафедра машин и аппаратов пищевых производств
Поступила 07.02.07 г.
664.951.002.5
СОВРЕМЕННЫЙ ПОДХОД К РАЗРАБОТКЕ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕГО РАЗДЕЛОЧНО-ФИЛЕТИРОВОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Ю.А. ФАТЫХОВ, А.В. ШЛЕМИН, О.В. АГЕЕВ
Калининградский государственный технический университет
В современных условиях рыбные ресурсы признаются ценным сырьем для выработки пищевой, медицинской, биохимической и технической продукции. Вследствие снижения объемов вылова и общемирового повышения требований к качеству пищевых продуктов наиболее экономически целесообразным и востребованным является производство бескостного рыбного филе. Изготовление такого продукта позволяет рационально использовать все части рыбы, в том числе и несъедобные, так как отходы технологического процесса могут аккумулироваться и перерабатываться.
В связи с этим предъявляются высокие требования к качеству разделывания и филетирования рыбы, совершенствуются методы хранения и транспортирования рыбы с районов промысла. Особое значение приобрела задача внедрения малоотходной и безотходной технологии обработки рыбы. Также после вступления Российской Федерации в ВТО существенно возрастают требования к экологической безопасности рыборазделочных производств.
Ресурсосберегающая технология обработки рыбы должна предусматривать экономию сырья, материалов и энергоресурсов в начале, а также снижение количества отходов в конце технологического процесса. Задачи ресурсосбережения следующие: снижение потерь сырья и энергии в процессе обработки рыбы, оптимизация режимов резания рыбы, сбор и обработка отходов для последующего повторного использования или передачи в другие отрасли хозяйства, организация внутренней регенерации и рециркуляции воды, утилизация полезных веществ из сточных вод.
В настоящее время на предприятиях отрасли востребовано универсальное разделочно-филетировочное оборудование, созданное по принципу модульно-блочного агрегатирования. Его использование дает возможность выпускать различные виды продукции при минимальной переналадке, а также позволяет существенно снизить потребность в производственных площадях. Для экологически безопасного производства филе требуется интеграция такого модульного оборудования в комплексно-автоматизированную рыборазделочную линию, благодаря чему можно обеспечить гибкую и быструю перенастройку линии в зависимости от динамики спроса и изменения видового состава сырья.
Ведущие мировые фирмы-производители оборудования для рыбной отрасли - Baader, Marel Group, Arenco, Fillestar и др. - наиболее перспективным направлением своей деятельности считают проектирование автоматических модульных разделочных линий (АМРЛ), таких, например, как Baader 221 и Baader 220 LA, имеющих компьютерное удаленное управление.
Агрегатирование фирмой Baader в АМРЛ гибких рыбообрабатывающих модулей - сортировочной машины, загрузочного устройства, головоотсекающей, потрошильной, филетировочной, шкуросъемной, моечной и упаковочной машин - существенно повышает экономическую эффективность береговых предприятий и промысловых судов, обеспечивает оптимальную производительность при сокращении затрат на рабочую силу. При этом основной задачей считается выпуск высококачественного бескостного филе, нарезаемого на порции. Существует необходимость соблюдения жестких международных требований по санитарно-гигиеническим условиям разделочного производства, что достигается замкнутой циркуляцией воды в
производственной системе с промежуточной очисткой.
Г ибкость АМРЛ позволяет модифицировать базовую линию обработки рыбы, адаптировать ее к условиям, соответствующим требованиям производства конкретного потребителя с точки зрения вида сырья, объемов выпуска, производительности, количества операторов, различных уровней механизации и автоматизации.
Автоматическая модульная разделочная линия представляет собой принципиально новый технологический объект с большими возможностями. Такое оборудование должно разрабатываться с применением лазерных устройств, видеотехники, встраиваемых микроконтроллеров, что соответствует общей тенденции создания гибких производственных систем в машиностроении. В связи с этим, проектирование АМРЛ предполагает проработку трех разделов: выбор сенсорных устройств для рыбообрабатывающих модулей, обработку информации с сенсорных датчиков и синтез адаптивных законов управления.
Важнейшее направление создания ресурсосберегающего разделочно-филетировочного оборудования
- оптимизация технологических режимов резания рыбы, поскольку существенным критерием, свидетельствующим о правильном выборе параметров обработки рыбы, является чистота поверхности реза. С другой стороны, при характеристике процесса резания следует учитывать затрачиваемую мощность.
Таким образом, система автоматического управления разделочно-филетировочным оборудованием в процессе обработки решает следующую оптимизационную задачу: определение вида и режима резания для заданного вида и размера рыбы, которые обеспечивали бы заданное качество продукта при минимальном потреблении энергии. При этом в режиме ресурсосбережения целевой функцией выступает зависимость потребляемой мощности от множества параметров системы резания (объект обработки - вид и режим резания
- режущий инструмент). Ограничениями служат показатели качества продукта, переменными - параметры режима резания.
Решение сформулированной задачи в отрасли существенно осложняется отсутствием четко формализованные зависимости затрачиваемой мощности резания от физико-механических характеристик сырья, что является очевидным недостатком существующих подходов при резко возросшей стоимости энергопотребления.
В настоящее время отсутствует стройная научно обоснованная методология определения взаимосвязи между основными конструктивными и технологическими параметрами дисковых ножей и режимными показателями процесса резания. Разработаны теоретические основы для установления функциональной связи между конструктивными параметрами дискового ножа, геометрией режущей кромки, толщиной режущего диска, физическими характеристиками продукта и режимными показателями процесса резания [1]. Можно установить влияние этих параметров на эффективность процесса резания. Однако при этом не учитыва-
ются значительные факторы, определяющие экономичность и эффективность процесса резания, такие как изменение надежности и износостойкости режущего инструмента в процессе обработки, которые формируются и определяются технологией изготовления инструмента и режимными параметрами реализуемого процесса резания.
Учет влияния этих факторов на экономичность, эффективность процесса резания и на качество готового продукта целесообразно осуществлять за счет параметрической адаптации режимов разделывания и фи-летирования к свойствам сырья, техническому состоянию режущих инструментов, изменению производственной обстановки.
Основные проблемы реализации технологических операций разделывания и филетирования рыбы - обеспечение экономичности вырезания костей и повышение выхода филейчиков за счет точной настройки рабочих органов на экономичный рез; точность выставления тушки на позиции обработки за счет применения прижимных устройств; повышение производительности разделочно-филетировочных модулей за счет увеличения быстродействия исполнительных механизмов; обеспечение точного измерения параметра тела рыбы (толщины, высоты или длины), расширение универсальности разделочно-филетировочных модулей с точки зрения видового состава и размерных диапазонов обрабатываемых рыб [2].
Для максимально точной настройки режущих рабо -чих органов для каждого экземпляра рыбы компьютером должны определяться параметры тушки прямым или косвенным методом. По результатам инструментальной инспекции филе должен корректироваться режим обработки для последующих тушек, а бракованное филе следует направлять на ручную дозачистку от костей при помощи вакуумных отсосов.
К недостаткам существующих разделочно-филетировочных устройств с механическими измерительными блоками следует отнести невысокую точность настройки рабочих органов на экономичное вырезание костей. Так как створки измерительного блока зачастую продавливают ткань рыбы, оценка толщины рыбы искажается, что может приводить к неполному вырезанию костей. Наличие механической связи между исполнительным и измерительным блоками ограничивает производительность устройств, снижает надежность работы. Отсутствие непрерывного активного контроля за наличием неудаленных костей в готовом филе снижает качество готового продукта. Перенастройка программы механического исполнительного блока для настройки рабочих органов требует смены отдельных деталей, что является относительно трудоемкой операцией и ухудшает эксплуатационные характеристики приспособления.
В рамках реализации данной задачи предложен ряд технических решений, позволяющих повысить точность автоматической настройки рабочих органов рыбообрабатывающих модулей за счет применения лазерного сканирующего устройства для измерения параметров тела рыбы, а также системы технического зрения для флюоресцентного сканирования остаточ-
ных костей в филе при ультрафиолетовом облучении. Кроме того, разработаны предложения по упрощению кинематических схем разделочно-филетировочных устройств, повышения их быстродействия за счет применения шаговых двигателей с цифровым управлением.
На рисунке представлена схема предлагаемого уст ройства для филетирования рыбы.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Захваты 2, удерживающие тушку рыбы 3 в положении головной частью вперед и брюшной частью вниз, катятся по направляющей для перемещения рыбы 1. При прохождении рыбы мимо лазерного сканера 5, тушка 3 освещается лазерным лучом с вертикальной разверткой, после чего значение длины лазерной линии передается в вычислительный блок 15. При загрязнении линзы лазерного сканера 5 и снижении уровня сигнала вычислительный блок 15 включает пневмораспределитель 7, который подает сжатый воздух в пневматическое сопло 6, продувающее от загрязнений поверхность линзы лазерного сканера 5. Вычислительный блок 15 рассчитывает толщину реберных и хребтовой костей, после чего вырабатывает значения необходимых углов поворота шаговых двигателей. Опорная направляющая 4 распластывает боковички тушки и разводит реберные кости в стороны. Шаговый двигатель 12 подвигает стержни 9 для регулирования зазора между горизонтальными дисковыми ножами 10 и управляемыми заслонками 8. Стержни 9 перемещают управляемые заслонки 8 на определенное расстояние, соответствующее толщине реберных костей. Вычислительный блок 15 передает сигнал включения на
электромагнитный стопор 14, который фиксирует вал шагового двигателя 12 в неподвижном состоянии, что обеспечивает точное позиционирование управляемых заслонок 8. Тушка 3 опирается нижней частью брюшка на управляемые заслонки 8 и скользит по ним, попадая нижней частью боковичков с реберными костями в зазор между горизонтальными дисковыми ножами 10 и управляемыми заслонками 8. Горизонтальные дисковые ножи 10 прорезают боковички тушки, вырезая при этом реберные кости и черную пленку. Захваты 2 перемещают тушку по направляющей 1 к вертикальным дисковым ножам 11. Шаговый двигатель 13 устанавливает зазор между вертикальными дисковыми ножами 11, соответствующий толщине хребтовой кости. Вертикальные дисковые ножи 11 прорезают тушку со стороны брюшка, вырезая хребтовую кость и спинной плавник Филейчики 23 отделяются от кости, падают на конвейер отвода филейчиков 22 и перемешаются по нему в поле зрения модуля для получения видеоизображения флюоресцирующих костей 18. Вычислительный блок 15 подает команды включения и выключения на ультрафиолетовую лампу 21. Снизу филе 23 освещается ультрафиолетовой лампой 21, что создает флюоресценцию костей, оставшихся в филейчиках по -сле обработки. Видеоизображение флюоресцирующих костей преобразуется в цифровой формат и передается в графический процессор 16. Графический процессор 16 передает в вычислительный блок 15 информацию о количестве костей, оставшихся в филе. Программа вычислительного блока 15 при помощи алгоритма адаптации оперативно корректирует коэффициент для уравнений регулятора, причем при наличии костей
сверх допустимого количества подает команду на пневмораспределитель 19, приводящий в действие приспособление для удаления отбракованного филе с конвейера 20, которое сталкивает бракованное филе на конвейер отвода бракованного филе 24, направляющий его на дозачистку костей. При отключенных горизонтальных дисковых ножах 10 управляемые заслонки 8 выставляются выше горизонтальных дисковых ножей, а вертикальные дисковые ножи 11 настраиваются на зазор, соответствующий ширине подреберного пространства тушки. Во время движения филе на конвейере отвода филейчиков 22, который проходит через флюоресцентный сканирующий блок 17, в устройство для филетирования может быть загружена следующая тушка. Так как захваты 2 и конвейер отвода филейчиков 22 могут двигаться с различной скоростью, в устройстве предусмотрено буферное звено конвейера перед флюоресцентным сканирующим блоком 17. В устройстве предусмотрен также датчик положения заслонки 25.
Требованиям ресурсосбережения при разделывании и филетировании наиболее удовлетворяет двухуровневая структура управления. Первый уровень включает цифровые следящие системы, стабилизирующие заданные показатели качества процесса при изменении свойств рыбного сырья, режима обработки и прочих возмущающих воздействиях. Второй уровень обеспечивает координацию работы цифровых следящих систем, а также параметрическую адаптацию режимов разделывания и филетирования к свойствам сырья, техническому состоянию модулей разделочной линии, изменению производственной обстановки.
Параметры настройки регуляторов цифровых следящих систем первого уровня рассчитывают на основе математических моделей, полученных для определенных видов рыб на основе промышленных статистических исследований. Данные модели связывают координаты заданных точек на теле рыбы с видом рыбы и морфометрическими параметрами: толщиной, длиной, высотой тушки. Однако соотношения между координатами точек обработки и морфометрическими параметрами могут случайным образом дрейфовать в процессе обработки различных партий сырья, что обусловлено сезонным изменением характеристик рыбы [3].
Задача алгоритма адаптации настроек регуляторов к свойствам сырья состоит в коррекции коэффициентов уравнений регуляторов таким образом, чтобы свести к минимуму рассогласование между заданными параметрами процесса и фактическим качеством филетирования, а также к выбору адекватной эталонной модели для конкретного вида сырья, поступающего на вход линии. Предлагается использовать рекуррентный дискретный алгоритм адаптации, основанный на решении эстимторных неравенств по результатам оперативной оценки качества регулирования, получаемой на основе информации о количестве остаточных костей в филе [4, 5].
Построение сенсорных подсистем оборудования и получение интегральной оценки качества регулирования при разделывании и филетировании рыбы предлагается осуществлять на основе следующих методов:
оперативного контроля формы тела рыбы при по -мощи системы технического зрения на базе устройства для получения видеофотоизображения целой рыбы; при этом алгоритм параметрической адаптации для этапов обезглавливания рыбы и отсекания хвоста включает цифровые алгоритмы фильтрации помех, выделения контура тушки, распознавания линий головы, жаберной щели и хвоста, расчета координат линий резания [6];
оперативного контроля морфометрических пара -метров тела потрошеной тушки при помощи триангуляционного лазерного сканера;
оперативного контроля количества остаточных костей в филе при помощи системы технического зрения на базе флюоресцентного сканирующего устройства и ультрафиолетового источника;
оперативного контроля коэффициента использова -ния сырья при помощи поэтапного взвешивания сырья, потрошеной тушки и готового филе на весоконтрольных автоматах;
выборочной оценки оператором линии качества разделывания и филетирования с использованием шкалы нечетких высказываний; при этом для расчета суммарной органолептической оценки качества регулирования использован профильный графический метод, широко применяемый при органолептических оценках рыбной продукции.
Предлагаемый подход к построению системы адаптивного управления создает практическую основу для разработки ресурсосберегающего разделочно-филети-ровочного оборудования. Его применение на разделочных производствах позволит обеспечить малоотходную технологию обработки рыбы, существенно расширить функциональные возможности, повысить качество продукции, надежность и производительность оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Поспелов Ю.В. Механизированные разделочные линии рыбообрабатывающих производств. - М.: Агропромиздат, 1987. - 188 с.
2. Карпов В.И. Технологическое оборудование рыбообрабатывающих производств. - М.: Колос, 1993. - 100 с.
3. Уманцев А.З. Физико-механические характеристики рыб. - М.: Пищевая пром-сть, 1980. - 152 с.
4. Соломенцев Ю.М. Управление гибкими производственными системами. - М., 1988. - 352 с.
5. Основы автоматизации машиностроительного производства / Под ред. Ю.М. Соломенцева. - М., 2001. - 312 с.
6. Агеев О.В., Шлемин А.В. Принцип построения адап-тивной машины для обезглавливания рыбы // Междунар. Балтийская ассоциация машиностроителей (БАМЕ): Сб. науч. тр. - Калинин -град: КГТУ, 2006. - С. 28-34.
Кафедра пищевых и холодильных машин Кафедра автоматизации производственных процессов
Поступила 08.02.07 г.
