Automatyczne sterowanie i optymalizacja
operacji jednostkowych produkcji
żywności - przegląd wybranych metod
Dr hab. inż. Antoni Ryniecki, prof. nadzw.
kwiecień 2008
1. Pojęcia podstawowe; cele i zadania automatycznego
sterowania.
2. Podstawowe metody sterowania.
3. Współczesne trendy w sterowaniu procesem
sterylizacji konserw.
Podst. ozn.: T - temperatura
Ä - czas
Literatura
Ryniecki. Komputerowe sterowanie procesami cieplnego utrwalania żywności.
Postępy Nauk Rolniczych, Nr 5/95: 63-75.
Ryniecki A. Podstawy automatyzacji procesów w przemyśle spożywczym. Wyd.
Akademii Rolniczej 1990, Poznań.
Ryniecki A., D.S. Jayas. Process Control for Thermal Processing. Chapter 9 in:
Computerized Control Systems in the Food Industry (ed. G.S. Mittal). M. Dekker,
Inc. New York, USA. 1997, s. 277-294.
Pojęcia podstawowe (wykorzystano m.in.6 t. Encykl. PWN)
1. STEROWANIE: takie oddziaływanie na wejście obiektu sterowania,
aby jego sygnały wyjściowe osiągnęły pożądaną wartość.
St. ręczne: sterowanie realizowane przez człowieka;
St. automatyczne: - za pomocÄ… specjalnie skonstruowanego urzÄ…dzenia
(np. regulatora lub sterownika).
2. STEROWANIE W UKA
ADZIE OTWARTYM (ręczne lub automatyczne): takie
nastawienie wielkości wejściowej, aby na wyjściu otrzymać zadaną
wartość (ważna charakterystyka obiektu).
3. STEROWANIE W UKA
ADZIE ZAMKNI
TYM (REGULACJA)  takie
ciągłe nastawianie wielkości wejściowej, które sprowadza do zera
błąd regulacji  e [e = wart. zadana minus wart. rzeczywista, wielk. wyj.]
4. AUTOMATYKA: dyscyplina naukowa zajmujÄ…ca siÄ™ teoriÄ… i praktycznÄ…
realizacją urządzeń sterujących procesami (gł. technologicznymi)
samoczynnie, bez udziału człowieka. Etymologia słowa: gr.
autómatos = samoczynny
5. AUTOMATYZACJA: praktyczne zastosowanie automatyki.
Przykłady sterowania
Jerzy Kostro: Podstawy automatyki. WSiP, 1976.
pzas
pst
1
Układ sterowania temperatury pieca
Układ AUTOMATYCZNEGO sterowania temperatury
opalanego gazem
pieca opalanego gazem.
1  termometr manometryczny.
1  termometr, 2  mieszek sprężysty,
3  dz
wignia, 4  dysza,
5 - siłownik membranowy, 6  zawór,
7  śruba do nastawiania wartości zadanej,
pzas  ciśnienie zasilania, pst  ciśn. sterujące.
Cele automatyzacji w inżynierii procesowej
Automatyzacja?  najlepsze narzędzie na czas globalnej konkurencji i rosnących
wymagań konsumentów.
Automatyzacja?  najlepsza by poprawić wskaz
nik jakości do kosztów produkcji.
Cele ogólne (wybrane)
1. Eliminacja monotonnych czynności.
2. ELIMINOWANIE ZAKA
ÓCEC
in-line (tak, aby zmniejszyć problemy
kontroli jakości off-line)
3. Zmniejszenie kosztów energii i pracy (precyzyjne i oszczędne
wykorzystanie energii, zmniejszenie odpadów, zwiększenie potencjału prod.,
zmniejszenie zatrudnienia).
4. Polepszenie jakości produktów (np. lepsze zachowanie naturalnych
własności żywności dzięki precyzji procesu)
5. Wykrywanie in-line braku właściwej zawartości pożądanych
składników.
6. Wykrywanie in-line niepożądanych składników.
Cele automatyzacji w inżynierii procesowej
c.d.
" Cel wewnętrzny inżynierii sterowania: doskonalenie układów
sterowania automatycznego; można je podzielić na:
> PODSTAWOWE UKA
ADY STEROWANIA: stabilizacja wartości
podstawowych parametru procesów, takich jak temperatura,
ciśnienie, pH itp. (operacje jednostkowe muszą przebiegać w
kontrolowanych warunkach), np. najkorzystniejsza temperatura
sterylizacji konserw mieÅ›ci siÄ™ w granicach 121,1 Ä… 0,2 °C;
> ZAAWANSOWANE UKA
ADY STEROWANIA: parametry procesu
powinny być utrzymywane na optymalnym poziomie tak, aby
zapewnić:
- najwyższą możliwą jakość (pożądane cechy) produktu i
- najmniejsze koszty produkcji, np. minimalne zużycie energii.
Układ sterowania
Układ regulacji (feedback control)
Budowanie sprzężenia zwrotnego
Zakłócenia
Wielkość
Wielkość
kontrolowana
sterujÄ…ca
Wielkość
Obiekt
regulowana
(proces)
Element Element
wykonawczy pomiarowy
Tor sprzężenia zwrotnego
Sygnał Sygnał
Węzeł
sterujący błędu
Regulator
sumacyjny
regulacji
Wartość zadana
wielkości regulowanej
Obiekt sterowania  proces (lub ogólniej układ dynamiczny),
którego pewien istotny parametr (lub ogólniej stan) podlega sterowaniu
lub regulacji.
Obiekt automatyzowany - urzÄ…dzenie, maszyna lub aparatura technolo-
giczna, w której zachodzi proces sterowania lub regulacji.
Wielkość kontrolowana (sterowana, regulowana)
 PARAMETR wyodrębniony spośród innych wielkości fizycznych obiektu,
którego wartość należy utrzymywać na określonym poziomie (stałym lub
zmieniajÄ…cym siÄ™ w czasie).
Wielkość sterująca
 wielkość fizyczna, która ma decydujący wpływ na wartość wielkości
kontrolowanej lub regulowanej w obiekcie regulacji.
Sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym  schemat uproszczony
(FEEDBACK CONTROL)
Zakłócenia
Wielkość
regulowana
Obiekt
Wielkość
Element Element
wykonawczy pomiarowy
sterujÄ…ca
Regulator
Wartość zadana
Sterowanie z pomiarem zakłóceń
FEEDFORWARD CONTROL
Zakłócenia
Czujnik
Zakłócenia są
mierzone
Wielkość
bezpośrednio
regulowana
i układ regulacji
podejmuje akcjÄ™ Obiekt
Wielkość
eliminowania
Element Element
sterujÄ…ca
ich skutków.
wykonawczy pomiarowy
Stosuje siÄ™ tam,
gdzie nie można
zmierzyć wielkości
regulowanej
Regulator
Wartość zadana
lub
sterownik
Automatyczne Sterowanie SterylizacjÄ… Konserw
Zarys problemu
1. Sterylizacja konserw zabicie mikroorganizmów tak, aby
wyeliminować ryzyko zepsucia i zatrucia lub zachorowania
konsumentów.
2. Inaktywacja żyjących mikroorganizmów (której wskaz
nikiem jest tzw.
letalność skumulowana F) (Fh) + (Fc). Udział Fc może dochodzić
nawet do 40% letalności całkowitej.
3. Od chwili rozpoczęcia chłodzenia konserw nie ma możliwości wpływania
na letalność Fc  dlatego Fc musi być przewidywana on-line.
4. Termo-bakteriologia zdefiniowała najkorzystniejsze wartości F dla
różnych rodzajów konserw (np. dla mięsnych Fzad = 6 min).
Przekroczenia tej wartości sygnalizowane były w literaturze światowej.
5. Współczesne trendy optymalizacja realizowana przez
sterowanie z pomiarem zakłóceń i wykorzystaniem modeli
matematycznych (sterowanie komputerowe).
Zaawansowane Sterowanie SterylizacjÄ… Konserw
Wielkości Wielkość
Zakłócenia
sterujÄ…ce: kontrolowana:
Zakłócenia
Czujnik
TR
temperatury
Proces
Obiekt: Letalność
ogrzewania
proces
Äog
Skumulowana
sterylizacji konserw
F(Ä)
Termo-
stat
d Feedforward control
Sygnał
TR
sterujÄ…cy
Wartość
Zadana:
Sterownik
Fd
Idea sterowania:
z modelem
h c d
if [F (Ä ) + F (Ä ) e" F ]
matematycznym
Ò! Ä e" Äog
Algorytm zaawansowanego sterowania sterylizacjÄ…
konserw
Start
1. Dane: wpisz dane niezbÄ™dne do wyliczenia Tshp(Ä), Tref, z, Fzad i Tend
2. Start ogrzewania: - otwórz zawór dopływu pary grzejnej, - uruchom regulator temperatury TR;
- zmienna  faza procesu =  ogrzewanie
3. Odczekaj do upÅ‚ywu "Ä, zmierz TR(Ä)
4. Oblicz i zapamiÄ™taj: Tshp(Ä), Tscp(Ä), L(Ä) i F(Ä)
5. Jeśli zmienna  faza procesu =  ogrzewanie :
5A. Oblicz Fc(Ä) zakÅ‚adajÄ…c, że chÅ‚odzenie rozpoczyna siÄ™ w aktualnej chwili (Ä);
5B. JeÅ›li suma (F(Ä) + Fc(Ä) e" Fzad), to: zamknij dopÅ‚yw pary grzejnej, otwórz dopÅ‚yw
wody chłodzącej,  faza procesu =  chłodzenie , przeskocz do p-ktu 3.
6. JeÅ›li (Tscp(Ä) e" Tend) przeskocz do p-ktu 3
Zakończ proces
Ogólna metoda Balla i Olsena obliczania wyjałowienia żywności
(General Method of Ball & Olsen to calculate bacterial inactivation )
Ä
Ä
n
n
[Tshp (Ä )-Tref ]/ z
= dz
F(Än) = L(Ä )
10
+"
+"
Ä0
Ä0
F(Än)
letalność skumulowana, [min]
Ä0 chwila rozpoczÄ™cia wyjaÅ‚awiania, [min],
Än chwila obliczania aktualnej wartoÅ›ci F, [min],
L letalność (ang. lethality),
Tshp temperatura w najmniej dogrzanym miejscu opakowania w fazie chÅ‚odzenia, [°C],
Tref temperatura odniesienia dla obliczeÅ„ procesu wyjaÅ‚awiania (121,1 °C a" 250 °C),
z współczynnik efektu letalnego (stały dla danego szczepu drobnoustrojów i danej
temperatury odniesienia Tref, [°C] (it is the temperature difference required for thermal
death-time curve to traverse 1 logarithmic cycle).
Pytania
1. Przedstaw definicjÄ™ sterowania.
2. Jaka jest zasadnicza różnica między sterowaniem i regulacją?
3. Czym się różni sterowanie w układzie zamkniętym od sterowania w układzie
otwartym?
4. Wyjaśnij pojęcia: obiekt regulacji, wielkość regulowana, wielkość sterująca 
na dowolnym przykładzie układu regulacji.
5. Opisz zadania regulatora na dowolnym przykładzie układu regulacji.
6. Jaką rolę pełni sprzężenie zwrotne w układzie sterowania.
7. Wymień i wyjaśnij 3 najważniejsze cele automatyzacji w inżynierii procesowej.
8. Jakie zadania stawia się przed zaawansowanymi układami sterowania
operacjami jednostkowymi w inżynierii procesowej i czym te zadania różnią
się od zadań tzw. podstawowych układów sterowania.
9. Narysuj i objaśnij schemat blokowy układu regulacji czyli sterowania ze
sprzężeniem zwrotnym (w j. ang. feed-back control).
10.Narysuj i objaśnij ogólny schemat blokowy układu sterowania z pomiarem
zakłóceń (w j. ang. feed-forward control).
11.Narysuj i objaśnij schemat blokowy zaawansowanego sterowania sterylizacją
konserw.
12.Przedstaw algorytm zaawansowanego sterowania sterylizacjÄ… konserw.