izvkgtuИзвестия КГТУKSTU News1997-3071Калининградский государственный технический университет10.46845/1997-3071-2024-72-57-69izvkgtu-31Research ArticleТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВPROCESSES AND TECHNOLOGY OF FOOD MANUFACTURINGИдентификация математической модели автоклава МАГ-3/1100Identification of the mathematical model of the MAG-3/1100 autoclavehttps://orcid.org/0000-0002-4480-8402БудченкоН. С.BudchenkoN. S.

Наталья Сергеевна Будченко, кандидат технических наук, доцент кафедры цифровых систем и автоматики 

Калининград

Natal’ya S. Budchenko, PhD in Engineering, Associate Professor, Department of Digital Systems and Automation

Kaliningrad 

natalya.budchenko@klgtu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2198-952XДолгийН. А.DolgiyN. A.

Николай Алексеевич Долгий, кандидат технических наук, доцент кафедры цифровых систем и автоматики 

Калининград

Nikolay A. Dolgiy, PhD in Engineering, Associate Professor, Department of Digital Systems and Automation 

Kaliningrad 

dolgi@klgtu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8150-2912УстичВ. И.UstichV. I.

Владимир Иванович Устич, кандидат технических наук, доцент кафедры цифровых систем и автоматики

Калининград

Vladimir I. Ustich, PhD in Engineering, Associate Professor, Department of Digital Systems and Automation

Kaliningrad 

ustich@klgtu.ruКалининградский государственный технический университетРоссияKaliningrad State Technical UniversityRussian Federation2024180320250725769Copyright © Будченко Н.С., Долгий Н.А., Устич В.И., 20252025Будченко Н.С., Долгий Н.А., Устич В.И.Budchenko N.S., Dolgiy N.A., Ustich V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journal.klgtu.ru/jour/article/view/31

Целью работы являлось получение параметров численной математической модели автоклава МАГ-3/1100, широко используемого предприятиями Калининградской области для стерилизации мясных и рыбных консервов. На этапе анализа автоклава как объекта автоматизации установлены точки контроля основных технологических параметров процесса стерилизации с учетом конструктивных особенностей горизонтального автоклава. Разработана функциональная схема процесса стерилизации мясных консервов с применением горизонтального автоклава МАГ-3/1100 и приведено описание ее работы. В качестве устройства управления автоклавом в системе автоматического регулирования температуры стерилизации выбран программируемый логический контроллер ПЛК210- 04 фирмы «ОВЕН». Рассмотрен алгоритм идентификации параметров математической модели автоклава с использованием экспериментальных данных процесса стерилизации, полученных на мясоконсервном заводе «Арго» в г. Калининграде. Идентификация математической модели автоклава представлена передаточными функциями апериодического звена первого порядка с запаздыванием. Моделированием динамики изменения температуры с помощью пакета Solid Thinking Embed определены параметры численной модели. При использовании полученных значений параметров модели автоклава инженерным методом определены оптимальные параметры ПИД-регулятора в системе автоматического регулирования температуры стерилизации. В математической модели максимальное отклонение значения температуры от его действительного значения в автоклаве составило не более 2 °С. С помощью численных параметров идентификации разработана программа управления горизонтальным автоклавом МАГ-3/1100 в среде разработки приложений CODESYS V3.5, предложена организация автоматизированного рабочего места оператора управления горизонтальным автоклавом для оперативного контроля текущих значений температуры и давления с целью принятия решений в системе управления процессом стерилизации.

The goal of the work was to obtain the parameters of a numerical mathematical model of the MAG-3/1100 autoclave, widely used by enterprises in the Kaliningrad region for the sterilization of canned meat and fish. At the stage of analyzing the autoclave as an automation object, control points for the main technological parameters of the sterilization process have been established, taking into account the design features of the horizontal autoclave. A functional diagram of the process of sterilization of canned meat using a horizontal autoclave MAG-3/1100 has been developed and a description of its operation has been given. The programmable logic controller OWEN PLC210-04 has been selected as the autoclave control device in the automatic sterilization temperature control system. An algorithm for implementing the identification of parameters of a mathematical model of an autoclave using experimental data of the sterilization process obtained at the ARGO meat-packing plant in Kaliningrad has been considered. Identification of the mathematical model of the autoclave is represented by the transfer functions of the first order aperiodic link with delay. By modeling the dynamics of temperature changes using the Solid Thinking Embed package, the parameters of the numerical model have been determined. Using the obtained values of the autoclave model parameters, the optimal parameters of the PID controller in the automatic sterilization temperature control system have been determined using the engineering method. In the mathematical model, the maximum deviation of the temperature value from its actual value in the autoclave was no more than 2 °C. Using numerical identification parameters, a control program for the horizontal autoclave MAG-3/1100 has been developed in the application development environment CODESYS V3.5, and the organization of an automated workstation for the operator of the control of the horizontal autoclave has been proposed for operational monitoring of current temperature and pressure values in order to make management decisions in the sterilization process control system.

автоклавидентификациямодельпередаточная функциятемпература стерилизациирегуляторautoclaveidentificationmodeltransfer functionsterilization temperatureregulatorReferencesБабарин В. П. Стерилизация консервов: справочник. СПб: ГИОРД, 2006. 305 с.Babarin V. P. Sterilizatsiya konservov: spravochnik [Sterilization of canned food: reference book]. Saint-Petersburg, GIORD Publ., 2006, 305 p.Мишанин Ю. Ф., Рашидова Г. М. Состав микроорганизмов при производстве мясных консервов // Современные научные исследования и инновации в области применения суб- и сверхкритических технологий: Международная научно-техническая конференция (21 мая 2014): материалы. КубГТУ. Краснодар, 2014. С. 81–87.Mishanin Yu. F., Rashidova G. M. Sostav mikroorganizmov pri proizvodstve myasnykh konservov [Composition of activities in the production of canned meat]. Sovremennye nauchnye issledovaniya i innovatsii v oblasti primeneniya sub- i sverkhkriticheskikh tekhnologiy: Mezhdunarodnaya nauchno-tekhnicheskaya konfe-rentsiya (21 maya 2014): materialy [Modern scientific research and innovation in the field of application of sub- and supercritical technologies: International scientific and technical conference (May 21, 2014): proceedings]. KubGTU Publ., Krasnodar, 2014, pp. 81–87.Будченко Н. С., Долгий Н. А. Автоматизированный контроль герметичности стерилизованных консервов // Балтийский морской форум: материалы IX Международного Балтийского морского форума, 04–09 октября 2021 года. Калининград, Изд-во БГАРФ ФГБОУ ВО «КГТУ», 2021. Т. 6. С. 109 –112.Budchenko N. S., Dolgiy N. A. Avtomatizirovannyy kontrol' germetichnosti sterilizovannykh konservov [Automated control of the tightness of sterilized canned food]. Baltiyskiy morskoy forum: materialy IX Mezhdunarodnogo Baltiyskogo morskogo foruma 04–09 oktyabrya 2021 goda [Baltic Maritime Forum: proceedings of the IX International Baltic Maritime Forum, October 04–09, 2021]. Kaliningrad, BGARF FGBOU VO «KGTU» Publ., 2021, vol. 6, pp. 109–112.Варламов Н. А., Назаров М. А. Математическая модель процесса автоклавирования гипсового щебня как объекта управления // Молодежь и наука: актуальные проблемы фундаментальных и прикладных исследований: II Всероссийская национальная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: материалы, 08–12 апреля 2019 года. Комсомольск-на-Амуре, Изд-во КнАГТУ, 2019. Ч. 2. С. 250–253.Varlamov N. A., Nazarov M. A. Matematicheskaya model' protsessa avtoklavirovaniya gipsovogo shchebnya kak ob"ekta upravleniya [Mathematical model of the process of autoclaving gypsum crushed stone as object control]. Molodezh' i nauka: aktual'nye problemy fundamental'nykh i prikladnykh issledovaniy: II Vserossiyskaya natsional'naya nauchnaya konferentsiya studentov, aspirantov i molodykh uchenykh: materialy, 08–12 aprelya 2019 goda [Youth and science: current problems of fundamental and applied research: II All-Russian National Scientific Conference of students, postgraduate students and young scientists: materials, April 08–12, 2019]. Komsomol'skiyna-Amure, Izd-vo KnAGTU, 2019, part 2, pp. 250–253.Мокрушин С. А., Благовещенский И. Г. Разработка автоматизированной системы управления технологическим процессом стерилизации консервов в промышленном автоклаве. Курск: Закрытое акционерное общество «Университетская книга», 2022. 169 с. ISBN 978-5-907679-35-1.Mokrushin S. A., Blagoveshchenskiy I. G. Razrabotka avtomatizirovannoy sistemy upravleniya tekhnologicheskim protsessom sterilizatsii konservov v promyshlennom avtoklave [Development of an automated control system for the technological process of sterilization of canned food in an industrial autoclave]. Kursk, Zakrytoe aktsio-nernoe obshchestvo “Universitetskaya kniga” Publ., 2022, 169 p. ISBN 978-5-907679-35-1.Методика идентификации объекта управления с целью его дальнейшей автоматизации / С. А. Мокрушин, В. С. Хорошавин, А. В. Шабалин, К. А. Михайлов // Общество, наука, инновации (НПК-2013): Всероссийская ежегодная научнопрактическая конференция (15-26 апреля): материалы. Киров: Вятский государственный университет, 2013. С. 1126–1130.Mokrushin S. A., Khoroshavin V. S., Shabalin A. V., Mikhaylov K. A. Metodika identifikatsii ob"ekta upravleniya s tsel'yu ego dal'neyshey avtomatizatsii [Methodology for identifying a control object for the purpose of its further automation]. Obshchestvo, nauka, innovatsii (NPK-2013): Vserossijskaya ezhegodnaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya (15–26 aprelya): materialy [Society, science, innovation (NPK-2013). All-Russian annual scientific and practical conference (April 15-26): proceedings]. Kirov, Vyatskiy gosudarstvennyy universitet, 2013, pp. 1126–1130.Тюков Н. И., Даутов А. И., Закурдаева Е. А. Математическая модель управления процессом разогрева автоклава при производстве изделий из композиционных материалов // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2008. Т. 10. № 2. С. 159–163.Tyukov N. I., Dautov A. I., Zakurdaeva E. A. Matematicheskaya model' upravleniya protsessom razogreva avtoklava pri proizvodstve izdeliy iz kompozitsionnykh materialov [Mathematical model for controlling the autoclave heating process during the production of products from composite materials]. Vestnik Ufimskogo gosudarstvennogo aviatsionnogo tekhnicheskogo universiteta. 2008, vol. 10, no. 2, pp. 159– 163.Предварительный подбор режима стерилизации консервов «Скумбрия атлантическая натуральная с добавлением масла» на основе разработанных математических моделей процесса / А. А. Маслов, А. В. Столянов, А. В. Кайченов, Л. К. Куранова // Вестник МГТУ. 2016. Т. 19. № 4. С. 861–868.Maslov А. А., Stolyanov A. V., Kaychenov A. V., Kuranova L. K. Predvaritel'nyy podbor rezhima sterilizatsii konservov «Skumbriya atlanticheskaya na-tural'naya s dobavleniem masla» na osnove razrabotannykh matematicheskikh modeley protsessa [Preliminary selection of the sterilization mode for canned food «Natural Atlantic mackerel with added oil» based on developed mathematical models of the process]. Vestnik MGTU, 2016, vol. 19, no. 4, pp. 861–868.Stolyanov A., Zhuk A., Vlasov A. Complex for modeling and optimization the sterilization process // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science: 12th International Scientific Conference on Agricultural Machinery Industry, INTERAGROMASH-2019, Rostov-on-Don: V. 403. P. 012016. DOI 10.1088/1755-1315/403/1/012016.Stolyanov A., Zhuk A., Vlasov A. Complex for modeling and optimization the sterilization process. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science: 12th International Scientific Conference on Agricultural Machinery Industry, INTERAGROMASH-2019, Rostov-on-Don, vol. 403, p. 012016. DOI 10.1088/1755-1315/403/1/012016.Исследование влияния неоднородности температурного поля при продувке стерилизационной камеры автоклава на различие стерилизующих эффектов в банках / А. М. Ершов, В. А. Гроховский, А. А. Маслов А. В. Власов, А. В. Кайченов // Вестник Мурманского государственного технического университета. 2009. Т. 12. № 1. С. 52–57.Ershov А. М., Grokhovskiy V. A, Maslov A. A., Vlasov A. V., Kaychenov A. V. Issledovanie vliyaniya neodnorodnosti temperaturnogo polya pri produvke sterilizatsionnoy kamery avtoklava na razlichie sterilizuyushchikh effektov v bankakh [Study of the influence of inhomogeneity of the temperature field when purging the sterilization chamber of an autoclave on the difference in sterilizing effects in jars]. Vestnik Murmanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2009, vol. 12, no. 1, pp. 52–57.Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. Оценивание параметров и состояния / пер. с англ. В. А. Лотоцкого, А. С. Манделя; под ред. А. С. Райбмана. М.: Мир, 1975. 686 с. [Pieter Eykhoff. System identification. Parameter and state estimation. University of Technology. Eindhoven, Netherlands. Wiley, 1974. 555 р.].Eykkhoff P. System identification. Parameter and state estimation. University of Technology, Eindhoven, Netherlands, Wiley, 1974. 555 p. (Russ. Ed.: Eykkhoff P, Raibman A. S., Lototsky V. A., Mandel A. S. Osnovy identifikatsii sistem upravleniya. Otsenivanie parametrov i sostoyaniya. Moscow, Mir Publ., 1975, 686 p.).Льюнг Л. Идентификация систем: теория для пользователя / пер. с англ. А. С. Манделя, А. В. Назина; под ред. Я. З. Цыпкина. М.: Наука, 1991. 432 с. [Lennart Ljung. System identification: theory for the user. Prentice-Hall, Englewood Cliffs. N. J., 1987. 511 р.].L'yung L. System identification: theory for the user. Prentice-Hall, Englewood Cliffs. N. J., 1987. 511 р. (Russ. Ed.: L'yung L., S., Tsypkin Ya. Z., Mandel А. S., Nazin A. V. Identifikatsiya sistem: teoriya dlya pol'zovatelya. Moscow, Nauka Publ., 1991, 432 p.).Идентификация параметров численной математической модели стерилизационной камеры судового автоклава ASCAMAT 230 с целью разработки оптимальной системы автоматического управления / А. В. Кайченов, А. В. Власов, А. А. Маслов, А. А. Жук, В. В. Яценко // Вестник Астраханского государственного технического университета, 2018. № 1. С. 7–17.Kaychenov A. V., Vlasov A. V., Maslov A. A., Zhuk A. A., Yatsenko V. V. Identifikatsiya parametrov chislennoy matematicheskoy modeli sterilizatsionnoy kamery sudovogo avtoklava ASCAMAT 230 s tsel'yu razrabotki optimal'noy sistemy avtomaticheskogo upravleniya [Identification of parameters of the numerical mathematical model of the sterilization chamber of the ship autoclave ASCAMAT 230 in order to develop an optimal automatic control system]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2018, no. 1, pp. 7–17.Жук А. А. Численный поиск параметров математических моделей пищевых продуктов из гидробионтов для процессов пастеризации // Вестник Астраханского государственного технического университета, 2021. № 2. С. 89–98.Zhuk A. A. CHislennyy poisk parametrov matematicheskikh modeley pishchevykh produktov iz gidrobiontov dlya protsessov pasterizatsii [Numerical search for parameters of mathematical models of food products from hydrobionts for pasteurization processes]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2021, no. 2, pp. 89–98.Магергут В. З., Вент Д. П., Кацер И. А. Выбор промышленных регуляторов и расчет их оптимальных настроек: монография. Белгород: Изд-во БГТУ, 2009. 239 с.Magergut V. Z., Vent D. P., Katser I. A. Vybor promyshlennykh regulyatorov i raschet ikh optimal'nykh nastroek [Selection of industrial regulators and calculation of their optimal settings]. Belgorod, BGTU Publ., 2009, 239 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.