Постановка задачи

- Использование виртуальных тренажеров, созданных с помощью современных компьютерных технологий, в образовательном процессе обеспечивает качественную подготовку студентов к работе на реальном оборудовании, и с измерительной аппаратурой, а также открывает возможность углубленного изучения рассматриваемых процессов.

Формальная постановка задачи заключается в следующем: спроектировать виртуальный тренажер для обучения студента методам определения неисправностей в технологической системе (диагностики работы узлов и оборудования в целом) и нахождения путей их устранения. При этом работа на тренажере должна выполняется в виртуальном режиме и может моделировать любые «нештатные» ситуации, которые возникают при проведении изучаемого процесса в реальных промышленных условиях.

Основные задачи, которые возможно решать посредством работы на данном тренажере:

- ознакомить студента с особенностями технологической схемы процесса;

- ознакомить студента с базой отказов технологического оборудования;

- разработать алгоритм диагностики оборудования путем поиска отказа и методов его устранения.

ВУЗ, кафедра или предприятие на котором внедрено решение

Виртуальный тренажер «Анализ работы установки для охлаждения водой колбасных изделий после термообработки» разработан в Московском государственном университете прикладной биотехнологии.

Описание решения

Нами предлагается методика разработки виртуальных тренажеров на языке программирования LabVIEW, и показано ее использование на примере тренажера «Анализ работы установки для охлаждения водой колбасных изделий после термообработки». Элементы методики создания виртуальных тренажеров разрабатывались исходя из следующих требований: системность, максимальная общность, простота, проверяемость и предсказательная сила. По сути дела, перечисленные требования выступают в качестве наиболее общих методологических правил и принципов, в рамках которых решается теоретический аспект рассматриваемой проблемы.

Последовательность разработки данной методики приведена на схеме (рисунок 1).

Современный этап развития виртуальных обучающих систем, путем моделирования технологических процессов, характеризуется повышением их функциональной насыщенности. Данные системы представляют собой объект активных теоретических исследований.

Моделирование процессов переработки пищевого сырья представляет собой сложную задачу, так как с позиций системного анализа производство АПК являться иерархической многоуровневой системой, относящейся к группе вероятностных систем. Воспользоваться достижениями моделирования других отраслей промышленности в большинстве случаев не представляется возможным вследствие особой специфики АПК. В первую очередь это связано с протеканием процессов на многих уровнях биотехнологической системы, имеющей широкий диапазон неоднородности физических и биохимических свойств, сильно изменяющихся во времени. К тому же организация производства переработки сырья животного и растительного происхождения, как правило, не содержит макроциклов - возвратов промежуточного продукта к начальной стадии обработки, характерных для химической технологии, но содержит микроциклы на уровне ферментативных превращений и реакций на клеточном уровне.

Современная наука о технологических процессах, связанных с переработкой пищевых продуктов, использует в большинстве случаев экспериментальные методы, базирующиеся на подборе различных комбинаций ингредиентов и режимов переработки. Учет весьма большего количества компонентов, составляющих пищевые продукты, затрудняет построение достаточно полной модели технологического процесса, делает ее громоздкой и непригодной для практического применения. Однако, в пищевой технологии можно реализовать принцип «узкого места», согласно которому скорость превращений во всей цепи определяется наиболее медленной стадией [1].

Рисунок 1. Этапы методики создания виртуальных обучающих тренажеров

На практике обычно удается установить конечное состояние системы в зависимости от некоторых определяющих параметров. В связи с этим, рассматривая динамическое поведение системы, считается, что в ней происходит последовательная смена некоторых промежуточных состояний. Анализ стационарных состояний сам по себе очень важен для технологии, так как позволяет предсказать качественные показатели готовых продуктов и выявить области рискованных превращений, не гарантирующих готовому продукту требуемого качества.

При разработке тренажеров с моделированием технологических процессов пищевых производств, нами предлагается выявить факторы, влияющие на формирование качества готовой продукции, определить значения параметров, соответствующие норме, создать нештатную ситуацию, заключающуюся в отклонении параметра или нескольких параметров от нормы, и создать условия соответствия параметров заданным значениям, путем, устранения отказов оборудования.

Программный продукт, разработанный в LabVIEW, состоит из трех основных частей: лицевой панели, блок-диаграммы и иконки с соединительной панелью. Лицевая панель разработанного виртуального тренажера «Анализ работы установки для охлаждения водой колбасных изделий после термообработки» содержит:

- принципиальную схему установки для охлаждения водой колбасных изделий,

- блочную схему технологического процесса охлаждения с контрольно- измерительными приборами,

- панели с возможными отказами оборудования и сигнальные лампы,

- рекомендации по работе на тренажере. Принципиальная схема процесса представлена на рисунке 2.

Тепловой процесс при варке колбасной продукции (вареные колбасы, сосиски, сардельки) считается завершенным, когда температура внутри батона достигает 70 градусов Цельсия. Учитывая, что не вся вредная микрофлора при такой обработке инактивирует (погибает), по технологической инструкции, продукция должна быть охлаждена в кратчайшее время для предотвращения развития вредных сохранившихся микроорганизмов. Охлаждение осуществляется душированием (распылением) холодной воды над колбасами. Рамы с подвешенной колбасной продукцией направляются в отделение охлаждения, где за счет распыления холодной воды и ее испарения с поверхности колбасного батона обеспечивается его интенсивное охлаждение. Вода для данного процесса обработки колбасной продукции приготавливается методом смешения воды водопроводной и охлажденной в холодильной установке.

Рисунок 2. Схема установки для охлаждения водой колбасных изделий: 1 - холодильный агрегат; 2 - пластинчатый теплообменник; 3 - приемная емкость для подачи воды; 4 - гидромодуль;

Блочная схема данного процесса представлена на рисунке 3. База отказов узлов оборудования и рекомендации по работе на тренажере приведены на рисунках 4 и 5. Основные блоки технологической схемы обеспечены контрольно-измерительной аппаратурой, позволяющей контролировать температуру, давление и расход воды, а также включение или выключение системы клапанов. В процессе «штатной» работы при проведении технологических процессов в непрерывном режиме все параметры системы стабилизированы во времени.

Рисунок 3. Блочная схема технологического процесса охлаждения колбасной продукции

Рисунок 4. База отказов оборудования

Рекомендации:

1. Изучить работу схемы;

2. Перейти к блокам схемы и изучить параметры характеризующие эффективность работы каждого из блоков; I

3. Максимально установить взаимосвязь работы блоков между собой и их параметров, выявить отклонение параметров от нормы;

4. Выявить возможные причины влияющие на отклонение параметров от нормы;

5. Проанализировать блоки отказов и выявить отказы вызывающие сбой работы системы.

6. Нажать на кнопку напротив выбранного отказа;

7. Выявить установились ли параметры в норме, если нет перейти к пунктам начиная с пятого.

8. Если параметры в норме, вы успешно справились с тестом, далее необходимо нажать кнопку стоп.

«База отказов» состоит из отказов: механических систем, оборудования, электрических систем, и распылителей для охлаждения колбасной продукции. Рекомендации помогают студенту освоить принцип роботы на тренажере.

Алгоритм работы на тренажере включает следующие этапы.

1. Студент знакомится с особенностями технологической схемы, обращая внимание на систему контроля и регулирования технологических параметров, а так же на составные элементы схемы (узлы). Изучает базы возможных отказов технических систем. После этого он готов к получению задания и выполнению работы на тренажере.

2. Преподаватель «создает» «нештатную» ситуацию, которая выражается в отклонении какого-либо параметра или параметров от нормы в ту или иную сторону.

3. Задача студента в кратчайшее время найти причину отклонения показателя параметра от нормы и предложить способ ее устранения. Если все требования вы полнены, студент получает «удовлетворительно». Повышение положительной оценки возможно и определяется в зависимости от потраченного на решение задачи времени.

Использование данного тренажера проводилось при контрольном тестировании по дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств», студентов обучающихся по специальностям 260601 «Машины и аппараты пищевых производств», 260602 «Пищевая инженерия малых предприятий», 220401 «Мехатроника».

Перспективы внедрения и развития решения

Внедрение современных прикладных информационных технологий открывает возможность создания компьютерных средств обучения с элементами математического моделирования, графики, звука, мультимедиа и моделирования сложных систем измерения и управления. Возможности компьютерных технологий в части создания виртуальных работ охватывают область от задач визуализации полей до построения сложных многопараметрических установок. В связи с этим является актуальным поиск новых концепций, организационных форм и методов современного подхода к подготовке специалистов технических специальностей, а также для аспирантов, в работах которых проводится моделирование технологического процесса с использованием информационных технологий и автоматизация научного эксперимента, и специалистов в области автоматизации и робототехники.

В перспективе предполагается разработка учебных тренажеров в комплексе с модельными стендами, на которых реализуется исследуемый процесс. Блоки стенда должны быть оснащены измерительными преобразователями физического явления в измерительный сигнал (датчиками), устройствами согласования сигналов и устройствами сбора данных. Нештатная ситуация при этом создается определенным положением рабочих органов аппаратных средств стенда, в ходе работе на тренажере выявляется причина отклонения параметров процесса от нормы и определяется управляющее воздействие на рабочий орган. Если управляющее воздействие выбрано, верно, и за определенный промежуток времени, то все параметры технологического процесса должны прийти в норму, и при этом тестируемый получает положительную оценку.

Используемое оборудование и программное обеспечение National Instruments

Данный тренажер составлен с использованием языка программирования Lab-VIEW. Использование данной разработки фирмы National Instruments позволяет быстро создавать виртуальные приборы с большими возможностями для анализа и удобным для пользователя интерфейсом. Создаваемый в процессе программирования код напоминает привычную для разработчиков - инженеров блок-схему, и даже при отсутствии навыков программирования для решения задач затрачивается намного меньше времени и усилий, по сравнению с написанием программ по традиционной технологии.

При использовании виртуальных тренажеров и тестовых программ для проверки знаний студентов приоритет LabVIEW объясняется тем, что по сравнению с известными программными оболочками типа MatLab, MathCad и т.п., работающими только в режиме интерпретации программного кода, LabVIEW позволяет создавать исполняемые ехе-модули, исключающие «случайную порчу» программы в процессе работы с неопытным пользователем.

Список литературы

1. Э.Э. Афанасов, Н.С. Николаев, И.А. Рогов, С.А. Рыжов. Аналитические методы описания технологических процессов мясной промышленности - М. :Мир, 2003. -186 с.

2. Н.Н. Малахов, Ю.М. Плаксин, В.А. Ларин. Процессы и аппараты пищевых производств - Орел: ОГТУ, 2001 - 687 с.

3. П.А. Бутырин, Т.А. Васьковская, В.В. Каратаев, СВ. Материкин. Автомати зация физических исследований и эксперимента: Компьютерные измерения и вирту альные приборы на основе LabVIEW 7 (30 лекций) - М. :ДМК Пресс, 2005 - 264 с.

4. А.Я. буранов LabVIEW 7: Справочник по функциям - М. : ДМК Пресс, 2005. - 512 с.

5. М.Н. Орешина, Д.М. Зарубо. Контроль дисперсности жировых частиц при гомогенизации молока // Сборник трудов международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments. -М.: РУДН. - 2003. - С. 215 - 217.

6. М.Н. Орешина, Д.М. Зарубо и др. Контроль и регулирование технологиче ских процессов с применением компьютерных технологий// Сборник трудов между народной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в оборудо вании для пищевой промышленности» - Воронеж: ВГТУ, 2004. - С. 125 - 127.

7. М.Н. Орешина и др. Разработка системы автоматизации нейтрализации подсолнечного масла с использованием технологий National Instruments// Сборник трудов международной научно-практической конференции «Образовательные, науч ные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments». - М.: РУДН, 2005. - С. 270 - 274.