Информационные системы контроля и управления процессов дегидратации плодово-ягодного сырья

Введение. Производственный процесс выработки конечной продукции пищевой промышленности требует соблюдения регламентированных параметров обработки сырья. Контроль определяющих параметров технологии позволяет обеспечить требования качества и безопасности. Повышение эффективности и конкурентоспособности предприятия достигаются внедрением систем управления производством и цифровыми технологиями. Для снижения доли ручного сбора данных и автоматизированного управления технологическим циклом предложено использовать цифровые системы управления и мониторинга оборудования. Принимая во внимание, что качество переработки плодово-ягодного сырья напрямую связано с операциями термической обработки, необходимо обеспечить контроль и управление процессами на этих этапах.

Цель. Разработка концепции и обеспечение автоматизированной системы управления вакуумной дегидратации плодово-ягодного сырья, с реализацией алгоритмов управления в среде SIMATIC PCS7, с использованием программируемых логических контроллеров Siemens Simatic.

Материалы и методы. Объект исследования — система управления и автоматизации для вакуумной дегидратации плодов и ягод, имеющих твердый каркас и капиллярно-пористую структуру, с начальной влажностью до 90 %. В качестве методов исследования и реализации методологии управления информационной системы процессов дегидратации использована среда разработки Simatic WinCC. Исследования проводились на оригинальной конструкции сушильной установки. Определение эффективного коэффициента диффузии влаги и константы скорости сушки реализовывалось численными методами решением модели Аррениуса для неизотермических условий.

Результаты. Результатом анализа стал алгоритм изменения параметров технологического процесса дегидратации. Предложено для ускорения процессов обезвоживания применить пониженное давление в первые периоды сушки и последующий кондуктивный энергоподвод. Определены три цикла управления. Вначале осуществляется кондуктивный нагрев до 60 °С при атмосферном давлении. Далее камера сушилки вакуумируется до давления 0,5 кПа и до 0,2 кПа. Установлена длительность предварительного прогрева для ягодного сырья – до 10 минут, второго цикла сушки — до 15 минут при температуре 35 °С. Продолжительность третьего цикла 20 минут, при температуре точки насыщения 22 °С. Сформулированы задачи управления процессами с использованием программируемых логических контроллеров Siemens Simatic. Описаны каналы управления и параметры регулирования для обеспечения сохранности биоактивных компонентов сырья.

Выводы. В среде проектирования Simatic WinCC реализованы модули с функциями: прием и передача значений параметров процесса сушки; визуальный контроль; конфигурирование и настройка параметров; принудительное изменение параметров; просмотр информации о регистрируемых в технологической системе событиях. Разработана система визуализации сушильного процесса. Реализованы операторские интерфейсы на панели управления Simatic HMI.

1. Иванова, Э. С., Родионов, Ю. В., & Зорина, О. А. (2021). Инновационные конструкции и технологии сушки плодоовощной продукции. Наука в центральной России, (1), 43-53. https://doi.org/10.35887/2305-2538-2021-1-43-53

2. Сафин, Р. Р., Хасаншин, Р. Р., Гараева, А. Ф., & Ахметов, А. И. (2016). Вакуумно-конвективная сушка измельченного растительного сырья. Вестник технологического университета, (19), 63-67.

3. Федoренкo, И. Я., Землянухина, Т. Н., Шилов, С. В., & Орлова, Н. А. (2020). Обоснование параметров конвективно-вакуумной сушилки растительного сырья. Вестник Алтайского государственного аграрного университета, (11), 120-125.

4. Шахов, С. В., Мосолов, Г. И., & Барыкин, Р. А. (2014). Разработка вакуум-сублимационной сушилки для обезвоживания жидких продуктов. Вестник международной академии холода, (3), 58-60.

5. Школьникова, М. Н., Бакин, И. А., Мустафина, А. С., & Алексенко, Л. А. (2018). Оптимизация процессов получения экстрактов фитобиотических фармсубстанций ягодного сырья. Техника и технология пищевых производств, 48(4), 121-130. http://doi.org/10.21603/2074-9414-2018-4-121-130

6. Alves-Filho, O., Strommen, I., & Thorbergsen, E. (1997). A simulation model for heat pump dryer plants for fruits and roots. Drying Technology, 15(5), 1369-1398. http://doi.org/10.1080/07373939708917299

7. Bakin, I., Panfilov, V. & Popov, A. (2021). Synergy of a complex of complex technologies of the future agro-industrial complex. In Innovative Technologies in Environmental Engineering and Agroecosystems: E3S Web Conference: International Scientific and Practical Conference (vol. 262, Article 01009). https://doi.org/10.1051/e3sconf/202126201009

8. Bolton, W. (2021). Chapter 7 – PLC Systems. Instrumentation and Control Systems, 2021, 165-188. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-823471-6.00007-1

9. Chen, X. & Voigt, T. (2020). Implementation of the Manufacturing Execution System in the Food and Beverage Industry. Journal of Food Engineering, 278, Article 109932. http://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2020.109932

10. Cong, D. T., Haddad, M. A., Rezzoug, Z., Lefevre, L. & Allaf, K. (2008). Dehydration by successive pressure drops for drying paddy rice treated by instant controlled pressure drop. Drying Technology, 26(4), 443-451. https://doi.org/10.1080/07373930801929300

11. Crank, J. (1979). The mathematics of diffusion. Oxford university press.

12. Jian, L., Jinfeng, B., Fengzhao, W., Xin, J., Xinye, W., & Jin, X. (2021). Recent developments and trends of instant controlled pressure drop drying-a review. Drying Technology, 39(11), 1704-1719. http://doi.org/10.1080/07373937.2021.1916753

13. Junqueira, J. R., Corrêa, J. L. G., de Mendonça, K. S., de Mello Junior, R. E., & Souza, A. U. (2021). Modeling mass transfer during osmotic dehydration of different vegetable structures under vacuum conditions. Food Science and Technology, Campinas, 41(2), 439-448. https://doi.org/10.1590/fst.02420

14. Kiangala, K. S., & Wang, Z. (2019). An Industry 4.0 approach to develop auto parameter configuration of a bottling process in a small to medium scale industry using PLC and SCADA. Procedia Manufacturing, 35, 725-730. http://doi.org/10.1016/j.promfg.2019.06.015

15. Krishna, K. P., & Abhijit, K. (2012). Heat pump assisted drying of agricultural produce - an overview. Journal of Food Science and Technology, 49(2), 142-160. http://doi.org/10.1007/s13197-011-0334-z

16. Majstorovic, V., Jankovic, G., Zivkov, S., & Stojadinovic, S. (2021). Digital Manufacturing in SMEs based on the context of the Industry 4.0 framework – one approach. Procedia Manufacturing, 54, 52-57. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2021.07.009

17. Maytakov, A. L., Yusupov, Sh. T., & Popov, A. M. (2018). Study of the process of concentration as a factor of product quality formation. Foods and Raw Materials, 6(1), 172-181. http://doi.org/10.21603/2308-4057-2018-1-172-181

18. Mulet, A. (1994). Drying modelling and water diffusivity in carrots and potatoes. Journal of Food Engineering, 22(1-4), 329-348. http://doi.org/10.1016/0260-8774(94)90038-8

19. Paramanandam, V., Jagadeesan, G., Muniyandi, K., Manoharan, A. L., Nataraj, G., Sathyanarayanan, S., & Thangaraj, P. (2021). Comparative and variability analysis of different drying methods on phytochemical, antioxidant and phenolic contents of ficus auriculata lour. Fruit. Phytomedicine Plus, 1(3), Article 100075. http://doi.org/10.1016/j.phyplu.2021.100075

20. Phoungchandang, S., & Woods, J. L. (2000). Moisture diffusion and desorption isotherms for banana. Journal of Food Science, 65(4), 651-657. http://doi.org/10.1111/j.1365-2621.2000.tb16067.x

21. Roblek, V., Mesko, M., & Krapez, A. (2016) A complexity view of Industry 4.0. SAGE Open, 6(2), Article 21582440166. http://doi.org/10.1177/2158244016653987

22. Wawrzyniak, P., Zbicinski, I., & Sobulska, M. (2017). Applications: Drying of materials. In CRC Handbook of Thermal Engineering (pp. 1306-1337). Publisher: CRC Press.

23. Xie, L., Mujumdar, A. S., Fang, X., Wang, J., Dai, J., Du, Z., Xiao, H., Liu, Y. & Gao, Z. (2017). Far-infrared radiation heating assisted pulsed vacuum drying (FIR-PVD) of wolfberry (Lycium barbarum L.): Effects on drying kinetics and quality attributes. Food and Bioproducts Processing, 102, 320-331. http://doi.org/10.1016/J.FBP.2017.01.012

24. Xu, P., Peng, X., Yang, J., Li, X., Zhang, H., Jia, X., Liu, Y., Wang, Z., & Zhang, Z. (2021). Effect of vacuum drying and pulsed vacuum drying on drying kinetics and quality of bitter orange (Citrus aurantium L.) slices. Journal of Food Processing and Preservation, 45, Article e16098. https://doi.org/10.1111/jfpp.16098