Предлагаемая измерительная система (далее – ИС) предназначена для контроля и оптимизации технологических параметров сушки пищевых материалов, а также для обработки и представления собранной информации оператору и начальнику смены цеха. Предлагаемая ИС реализована в учебной лаборатории «Процессов и аппаратов пищевых производств» кафедры «Механики и технологического оборудования» Северо-кавказского федерального университета, филиала в г. Пятигорске с возможностью удалённого доступа на примере уникального научно-исследовательского стенда для изучения процесса сушки материалов в псевдоожиженном слое, созданного на базе программного обеспечения LabView компании «National Instrument».

Лицевая панель лабораторной установки представлена на рисунке 1, на котором показана мнемосхема установки с работающими виртуальными приборами, действующими как стрелочные и цифровые индикаторы.

Рисунок 1 – Лицевая панель лабораторной установки

На рисунке 2 представлена блок-схема измерительной системы.

Рисунок 2 – Блок-схема измерительной системы

Лабораторная установка (рисунок 1) включает камеру сушки с газораспределительной решеткой, калорифер, вентилятор, питатель с приводом для подачи исходного материала в загрузочный бункер сушилки, линию подачи пара в калорифер, устройство для отвода сушеного материала из камеры, вентили, задвижки, регулирующие клапаны, приборы, сигнализацию, датчики уровня материала в загрузочном бункере, расхода исходного теплоносителя, датчики температуры теплоносителя на входе в сушильную камеру, температуры в сушилке, и температуры отработанного теплоносителя, датчики влажности поступающего в сушилку и высушенного материала, датчики давления под газораспределительной решеткой и над нею, датчик скорости сушильного агента на входе в сушильную камеру, исполнительные механизмы, многоканальную компьютерную систему сбора, обработки и представления данных (МКС), выполненную на основе персонального компьютера Pentium 4 с объемом оперативной памяти 2000 Mb с выходом на локальную сеть и сеть Internet и с конфигурацией аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и согласующих устройств SXCI 1000 по рекомендации компании «National Instrument».

ИС, состоит из информационно-управляющих подсистем, предназначенных для работы с элементами контроля и управления соответствующих подсистем объекта (задвижками паровой магистрали и калорифера, привода вентилятора, привода питателя и других) (рисунок 2).

Аппаратный комплекс ИС состоит из сервера, модулей ввода/вывода и интерфейсных модулей, задачей которых является обеспечение связи между сервером и модулями ввода/вывода. ИС обеспечивает представление информации о параметрах рабочего режима сушилки; управление подсистемами; выдачу аварийных сообщений; ведение архивов.

Способ контроля и управления процессом сушки осуществляется следующим образом.

По измеренным датчиками значениям расхода и влажности поступающего в сушилку материала, МКС устанавливает заданный расход, скорость и температуру теплоносителя с помощью исполнительных механизмов. По ходу процесса сушки с помощью датчика непрерывно измеряется текущее значение конечной влажности сушеного материала, по которому осуществляется коррекция режима управления в строго определенной последовательности по трем уровням.

На первом уровне управления при отклонении текущего значения конечной влажности сушеного материала, измеряемого датчиком, от заданного максимально возможного значения 12 %, в сторону увеличения МКС с помощью исполнительного механизма увеличивает расход и скорость сушильного агента до достижения аэродинамического сопротивления слоя материала предельно максимального значения, например, 650 Па, что фиксируется с помощью датчиков давления в камере сушки. При увеличении аэродинамического сопротивления слоя материала выше предельно максимального значения 650 Па будет происходить унос частиц материала из камеры сушки вместе с отработанным теплоносителем, что нежелательно.

При отклонении текущего значения конечной влажности высушенного материала от заданного минимально возможного значения 9 % в сторону уменьшения МКС с помощью исполнительного механизма уменьшает расход сушильного агента до достижения аэродинамического сопротивления слоя материала предельно минимального значения, например, 140 Па.

Дальнейшее снижение аэродинамического сопротивления слоя материала ниже предельно минимального значения 140 Па нецелесообразно, так как обрабатываемый слой материала из псевдоожиженного состояния переходит в плотный, что существенно ухудшает эффективность протекания процесса сушки. Информация о текущем значении аэродинамического сопротивления слоя материала на газораспределительной решетке, получаемая с помощью датчиков, используется как ограничение на расход сушильного агента и его скорость. Если изменение расхода и скорости сушильного агента не обеспечило достижения текущего значения конечной влажности высушенного материала заданного значения, то режим управления осуществляют по второму уровню.

Второй уровень управления предусматривает достижение текущего значения конечной влажности высушенного продукта заданного значения путем воздействия на температуру сушильного агента на входе в сушильную камеру. Информация о текущем значении конечной влажности высушенного материала, измеряемая датчиком, подается в МКС, которая формирует сигнал рассогласования текущего значения конечной влажности с заданным значением (9… 12 %) и с помощью исполнительного механизма воздействует на мощность калорифера. Изменение температуры сушильного агента осуществляют в интервале значений 383…413 К, что обусловлено как энергетической целесообразностью процесса, так и качеством высушенного материала.

Если изменение температуры сушильного агента в заданных пределах (383…413 К) не обеспечило достижение текущего значения конечной влажности высушенного материала заданного значения (9…12 %), то режим управления процессом сушки осуществляют по третьему уровню.

Третий уровень управления предусматривает достижение текущего значения конечной влажности высушенного материала заданного значения воздействием на расход поступающего в сушилку материала посредством исполнительного механизма, воздействующего на частоту вращения шнека питателя в диапазоне 4,37…26,3 об/мин.

При отклонении текущего значения конечной влажности высушенного материала от заданного в сторону увеличения МКС уменьшает расход поступающего в сушилку материала, а в случае отклонения текущего значения конечной влажности высушенного материала от заданного в сторону уменьшения – увеличивает расход поступающего в сушилку материала.

При достижении текущего значения конечной влажности высушенного материала заданного значения на одном из уровней управления коррекция режима процесса сушки материала на последующих уровнях не выполняется.

Таким образом, предлагаемая ИС, имеет следующие преимущества:

• стабилизация тепловлажностного режима в камере сушки за счет регулируемого подвода теплоносителя;
  
• более высокая точность поддержания технологических параметров и большая надежность системы автоматического управления процессом сушки сыпучих материалов;
  
• возможность последовательной подачи управляющих воздействий с учетом ограничений на управляемые переменные, обусловленных энергетической целесообразностью процесса и качеством высушенного материала;
  
• оптимальность коррекции режима сушки материала путем организации функционирования уровней управления таким образом, что переход с предыдущего на последующий уровень управления происходит только после того, как первый исчерпает свой собственный ресурс, т.е. выйдет на верхнюю или нижнюю границу заданных ограничений.
  

  Предлагаемая ИС позволяет повысить энергетическую эффективность процесса сушки на 10 %; увеличить производительность сушилки на 15…20 %; значительно сократить продолжительность сушки. Также ИС позволяет получить готовый продукт высокого качества за счет оптимизации параметров процесса сушки.
  

  Программное обеспечение измерительной системы разработано в среде LabVIEW, разработанной компанией «National Instrument» и представляет собой набор программных модулей, функционирующих параллельно в асинхронном режиме. Каждый модуль выполняет собственную задачу и связывается с остальными при помощи стандартных интерфейсов, что позволяет легко наращивать систему однотипным оборудованием без изменения всех программных модулей [2, с. 30].

  Задачами программного обеспечения ИС являются: обеспечение оператора информацией о текущих значениях параметров рабочего процесса сушки для принятия управляющих решений по поддержанию оптимальных режимов; обеспечение начальника смены цеха текущей и архивной информацией.

  Функции ядра системы состоят в анализе данных, поступающих от модуля ввода-вывода, принятии управляющих решений и выдаче информации, необходимой для отображения параметров процесса сушки. Возможны два режима работы ядра, задаваемых пользователем: активный – управляющие решения принимает ядро; пассивный – управляющие решения принимает пользователь.

  Модули ввода-вывода обеспечивают обмен данными между аппаратными средствами системы и остальными модулями программного обеспечения.

  Модули архивов (архиваторы) обеспечивают ведение архивов данных и аварий, причем запись на диск осуществляют только суточные архиваторы. Часовой архиватор необходим лишь для представления пользователю текущих данных с большим разрешением, чем это обеспечивают суточные.

  Модуль интерфейса обеспечивает взаимодействие пользователя с системой. Представление информации о состоянии оборудования осуществляется посредством опроса объекта и отображения на экране монитора мнемосхемы с изображениями элементов контроля и управления (далее, виртуальными элементами контроля и управления).

  При несоответствии состояния реальных элементов управления виртуальным выполняются следующие действия:

• выдается предупреждающее сообщение с звуковым сигналом;
• изменяется на красный – цвет соответствующего виртуального оборудования;
• производится запись в архив аварий.

  В зависимости от модификации алгоритма программы, возможно проектирование систем автоматики сушилки позволяющих оператору выбирать между ручным, полуавтоматическим или автоматическим управлением (см. рисунок 1). Работая в автоматическом режиме, система автоматического управления безошибочно выполнит за оператора всю рутинную работу, проводя процесс с самыми минимальными затратами времени.

  Среда LabVIEW обеспечивает следующие возможности системы управления [3, с. 44]:

• совместимость с различными операционными системами;
• интеграцию с оборудованием ввода/вывода; визуализацию результатов измерений;
• возможность обработки поступающей информации в режиме реального времени, что позволяет повысить точность и надежность управления в наиболее оптимальных диапазонах изменения параметров сушки;
• проведение преобразований и нормирование величин;
• архивирование результатов измерений в базе данных для последующего использования, что позволяет в автоматическом режиме прогнозировать выход системы за пределы оптимальных параметров и принимать управленческие решения на более ранней стадии;
• удобство разработки самостоятельно исполняемых сетевых приложений [4, с. 144].

  Также предлагаемая измерительная система позволяет при подключении к сети Internet осуществлять управление сушилкой в режиме удаленного доступа.

Информация, являясь достаточно сложной научной категорией, имеет множество классификаций и определений, что подтверждает факт отсутствия единой концепции понимания [3, с. 62]. Базовой классификацией является концепция деления информации на аналоговую и цифровую. Также ее делят на акустическую, визуальную, сенсорную. Для людей различают вкусовую, осязательную, обонятельную. К свойствам информации относят актуальность, достоверность, своевременность, полноту [4, 5].

Анализируя природу информации стоит отметить ее неразрывную связь с так называемым носителем, без которого она не может существовать физически [6, с. 4]. Популярная в современной теории связи идея разграничения носителя информации и самой информации не согласуется с законами физики [7, с. 49]. Информация с точки зрения физики представляет собой ту или иную физическую характеристику определенного сигнала (физического явления или процесса). Информация, записанная на определенном носителе информации, не может быть активирована (прочитана) без прохождения электрического сигнала [8, 9]. В самом же запоминающем устройстве, например, жестком диске, информация на атомарном уровне представляет собой определенную последовательность расположения атомов, которые в саму силу своего геометрического расположения в пространстве, определяют характеристики сигнала, записывая на него информацию [10, с. 99].

Таким образом носитель информации (физический сигнал, либо запоминающее устройство) и является информацией [11, с. 15]. Причем любой физический сигнал можно рассматривать как информационный, даже если никто не модулировал его, записывая на него информацию. Информация всегда воплощается в то или иное физическое явление или процесс, поскольку во-первых, сама им является, во-вторых, согласно закону сохранения энергии и вещества, воздействует на среду, в которой существует [12, 13].

Вообще идея трактовки информации как нематериальной является скорее вредной для науки, чем конструктивной. Согласно законам физики все в нашей вселенной носит материальный характер. Даже все виды полей признаются физиками как разновидность материи, хотя их не видно и не слышно. Об их существовании мы знаем только за счет наличия воздействия с их стороны на окружающую среду [14, с. 17].

Приписывание информации некоего высшего смысла, целенаправленности со стороны человека тоже неактуально, поскольку человек такая же часть вселенной, как и прочие объекты и воздействует на окружающую среду в строгом соответствии с законами физики. Смысла и осознанности (разумности, интеллектуальности) в действиях человека не больше, чем в неразумных явлениях природы, вроде термоядерных реакций [15, с. 41].

Возвращаясь к теме статьи, основываясь на вышеизложенных выводах, стоит отметить, что рассматривая информацию как физическое явление, необходимо выделять такую ее разновидность как цифровую в качестве ключевой. Любая информация, даже аналоговая, сводится к ограниченной совокупности (множеству) нулей и единиц. Аналоговая информация не может нести в себе бесконечно большой объем данных, поскольку любое действие, явление, процесс, согласно законам физики обладает определенной скоростью изменения. Ни атом, ни свет, ничто не распространяется с бесконечной скоростью и не изменяется бесконечно быстро. Таким образом, аналоговая информация является частным случаем цифровой информации, квантование данных в которой происходит не на заданных разработчиком аппаратуры условиях, а определяется законами физики [16, с. 74].

Ноль и единица представляя собой сигнал определенной природы (как правило электрической) и различаясь друг от друга по определенной физической характеристике данного сигнала (в цифровой технике по напряжению) не несут в себе больше никаких характеристик. Невозможно отличить единицу, несущую акустическую информацию от единицы, несущую визуальную информацию. Отличие возможно лишь на уровне их совокупности (пакета данных) и то лишь в качестве интерпретации человеком, а не на физическом уровне [17, с. 15].

Таким образом, идентификация по сканированию сетчатки глаза или отпечатку пальцев ничем не отличается от обычного многоразрядного кода с вероятностью случайного взлома (при последовательном переборе комбинаций) равной отношению единицы и количества возможных комбинаций данного кода, определяемого количеством разрядов данного бинарного кода. Если учесть специфику функционирования цифровой техники, то взламывать подобные системы нужно не напрямую (создавая множество всех теоретически возможных искусственных физических моделей сетчаток глаза или пальцев человека, неотличимых от натуральных), а передавая данные сразу в цифровой модуль обработки данных, стоящего после преобразователя данных от сенсора в цифровой вид. Хотя и прямой вариант вполне приемлем, но лишь при условии наличия оригинального снимка сетчатки или отпечатка пальца лица, доступ к данным которого вы хотите получить.

Как можно понять взлом подобных систем не представляет собой нечто невыполнимое, а определяется законами физики и математики, определяющими данные процессы.

, Дж/кг      (1)

C_s и C_v – коэффициенты, учитывающие, энергию на образование новых поверхностей и деформацию измельчаемых объектов;

λ – степень измельчения

Степень совершенства и эффективность процесса оцениваются его организацией с помощью коэффициента С_пр, учитывающего влияние случайных факторов, способов измельчения и особенности конструкции рабочих органов. 
Из приведённой зависимости (1) следует, что совершенствование процесса измельчения зерна, снижение энергоёмкости находится в области учёта свойств продукта (C_s и C_v), конструкции рабочих органов и его организации (С_пр) при требуемой степени измельчения λ.
Приложение этих положений и теории измельчения к конкретной геометрии и кинематике рабочих органов измельчителей, с учётом механико-технологических особенностей и характеристик продукта, требует отдельного рассмотрения.
Рабочие органы ступенчатого измельчителя представляют собой пару дисков (рисунок 1), один из которых (верхний) неподвижный, а нижний вращается на вертикальном валу; [2].

На рабочей поверхности нижнего диска (рисунок 1) имеются подающие бороздки А, площадки релаксации В и модульный пояс С, обеспечивающие циклическое воздействие на зерновку от вхождения в рабочее пространство до полного измельчения и выходa из него.

R, R_м, R₀ – радиусы, соответственно, диска, модульного пояса и приёмного окна; А – подающая бороздка; В – площадка релаксации классификатора (подающий пояс); С – модульный пояс, h_вк–высота конуса верхнего диска; h_нк–высота нижнего конуса;
Рисунок 1 –– Элементы рабочей поверхности дисковой пары нижнего подвижного и верхнего неподвижного

Апприори, согласно теории измельчения, размеры горизонтальных проекций участков диска регламентируются степенью измельчения и для равных переходов продуктов находятся в соотношении 1:: и так далее, если таких переходов более двух [1, с. 92-94].
Тогда площади бороздок и классификаторов подающего пояса, определяются по зависимостям

       (2)

Площадь F_c поверхности модульного пояса – составит

.       (3)

Тогда наружный радиус диска, соответствующий размерам подающего пояса, определится из равенства (3) в развернутом виде с учётом (2)

       (4)

для произвольного значения – переходов между элементами и поясами измельчения.
С учётом скорости ω относительной деформации зерновок и их частей в подающих бороздках (рисунок 2) от R₀ до R_м и от «а» до «в» равной

,       (5)

где ω₀ – угловая скорость диска,·с^-1;
R_i – расстояние от оси вращения диска до произвольной точки на наклонной плоскости подающей бороздки, м;
h_п – суммарная высота приёмных конусов дисков, м;
α – угол подъёма дна бороздки в оксиальном сечении, град;
δ_м – модульный зазор между дисками, м.
Угловая скорость нижнего диска ω₀ определяется из условия движения зерновок и продуктов измельчения по наклонной поверхности подающих бороздок (рисунок 2)

,       (6)

где β – угол подъема дна бороздки в радиальном направлении, град; f – коэффициент трения продуктов измельчения о дно бороздки; R₀ – радиус приемного колодца, м.

А – бороздка подоющая; В – классификатор; α – угол подъёма дна бороздки в оксиальном сечении, β – то же в радиальном сечении; σ_п – эпюры напряжений на границах подающих элементов поверхности.

Напряжения сжатия в частицах потока, с учётом упруго-вязких свойств зерновок; составят [3]

.      (7)

Здесь: H, E – мгровенный и длительный модули упругости соответственно, Па; t – время нахождения частицы в бороздке, с; n – время релаксации напряжений, с.
В модульном междисковом пространстве С (рисунок 1) напряжения сжатия, по аналогии с (6), определяются по формуле

,      (8)

где ε₀ – начальная относительная деформация, полученная частицами в подающем поясе, равная

,     (9)

где h_о – начальная высота зерновок, мм.
С учётом характера напряжений на границах бороздок и классификаторов (рисунок 2) , их размеров и коэффициентов заполнения, усилия Р дефформации сжатия потока частиц определятся зависимостями:
для бороздок

;     (10)

для классификаторов

,      (11)

где ψ_δ и ψ_к – соответственно коэффициенты заполнения подающих бороздок и площадок релаксации.
По аналогии с (11), с учётом (5) и коэффициента заполнения ψ_м модульного пространства, усилие сжатия потока в модульном поясе определится по зависимости

.       (12)

Мощность на процесс деформации и классификации продуктов измельчения в рабочем пространстве дисковой пары, без учёта транспортной и вентиляционной составляющих, определится по зависимости

,       (13)

где f – коэффициент трения продуктов измельчения о рабочие поверхности дисков.
Вращающийся нижний диск обеспечивает циклические нагружения зерновок в бороздках, удержание деформации классификаторами, свободное, под действием центробежной силы, перемещение мелких частиц к периферии подающего пояса, не препятствует движению в аксиальном направлении защемлённых частиц больших размеров. Эти частицы, достигая края подающей бороздки, попадают в свободное пространство, защемляются, разрушаются, а продукт разрушения снова выносится в классификатор и так далее.
Конструкция дозатора-распределителя [2] позволяет определить скорость зерновок на входе в приемный пояс по зависимости

,     (14)

в которой R_ц – наружный радиус цилиндра дозатора, м; d_э – эквивалентный диаметр зерновки, м.
Тогда подача измельчителя составит

, кг/с       (15)

где – ψ – коэффициент заполнения кольцевого сечения (рисунок 1) приемного пояса, по результатам эксперимента равный (0,35-0,37); ρ – плотность зерновки кг/м³.
По результатам экспериментального определения удельных энергетических и технологических характеристик рабочей модели дискового измельчителя (таблица 1): удельной производительности кг/м²·ч и удельной энергоемкости кВт·ч/т, определены параметры измельчителей модельного ряда (таблица 2)

1 – мелкий помол; 2 – средний помол; 3 – крупный помол.

Содержание модульных фракций в продуктах помола, по результатам ситового анализа, составило:

Содержание фракции менее 1 мм на поддоне рассева не превышало (3-1,9-1,2) % соответственно