автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированное управление процессом производства хлебного кваса

Морозов Виталий Олегович

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ПРОИЗВОДСТВА ХЛЕБНОГО КВАСА

Специальность 05.13.06 — «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар-2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Осокин Владимир Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Тропин Владимир Валентинович

кандидат технических наук, доцент Левченко Владимир Иванович

Ведущая организация:

Кубанский филиал ГНУ ВНИИЗ Рос-сельхозакадемии (г. Краснодар)

Защита состоится 13 мая 2009 года в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.100.04 в ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2А, ауд.Г-251

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» Автореферат разослан "6" апреля 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

канд. техн. наук, доцент

А.В. Власенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние годы программа развития Российской Федерации направлена на развитие предприятий, особенно малого и среднего бизнеса, с применением инновационных технологий. В Краснодарском крае лидирующее место в промышленности занимает пищевая отрасль. Развитие данной отрасли связано с переходом на более высокие показатели качества перерабатываемого сырья, увеличением объемов продукции, уменьшением доли ручного труда. Все это невозможно без автоматизированного контроля и управления основными технологическими процессами на предприятии.

Данная научная работа посвящена автоматизации технологического процесса производства хлебного кваса. Квас издавна называют традиционным национальным напитком у восточных славян. Он известен более 1000 лет еще со времен Киевской Руси. В противовес так называемым «химическим» напиткам, настоящий квас не содержит в своем составе консервантов, ароматизаторов, добавок, подсластителей и прочих искусственных ингредиентов, способных провоцировать аллергию или обострение заболеваний желудочно-кишечного тракта. Квас - пищевой продукт с ярко выраженными полезными свойствами, он богат витаминами, в том числе группы В. Потребительские свойства кваса соответствуют требованиям регламента гигиены питания и направлены на решение задач в области политики здорового питания и отвечают основным направлениям Концепции здорового питания Правительства РФ. В настоящее время рынок кваса в России находится на подъеме. По прогнозам производителей, в текущем году объем рынка кваса увеличится на 45-50%. Рост рынка на уровне 50% сохранится в течение ближайших нескольких лет, что позволяет говорить о возрождении популярности этого национального русского напитка среди россиян.

Обзор научно-технической литературы показал, что до настоящего времени не было научных работ, посвященных комплексной автоматизации производства кваса. Все имеющиеся разработки в этой области связаны либо с частичной механизацией, либо с сигнализацией о протекании процесса и позволяют только облегчить физический труд. Для создания полностью автоматизированной системы необходимо решить проблему автоматизации измерений, поскольку лабораторные методы не позволяют проводить процесс брожения и, соответственно, весь технологический цикл в автоматизированном режиме. Основное внимание в данной диссертационной работе уделяется самому сложному с точки зрения автоматизации и самому ответственному процессу - брожению затора. Исследование и моделирование данного технологического процесса позволят создать автоматизированную систему управления всем технологическим процессом производства кваса.

Проблеме повышения эффективности биотехнологических процессов на основе новых технологических приемов, синтеза систем с использованием методов математического моделирования, идентификации и адаптивного управления посвящены научные исследования ученых Балакирева B.C., Бирюкова В.В., Гордеева JI.C., Лапшенкова Г.И., Лубенцова В.Ф., Матвеева В.Е., Менынутиной Н.В., Уткина В.И., Цирлина A.M., Шубладзе A.M., Юсунбекова Н.Р. и других. Однако, отсутствие системного подхода к исследованию и методологических подходов к созданию и управлению САУ процессом брожения при производстве кваса снижают эффективность решений задач по автоматизации процессов производства кваса и делают указанную проблему весьма актуальной.

Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления кафедры Автоматизации производственных процессов (АПП) ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» (КубГТУ) «Автоматизированное управление техническими и технологическими объектами».

Целью диссертационной работы является разработка методологических основ автоматизированного управления производством кваса.

Для достижения поставленной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

- систематизация и сравнительный анализ оборудования и АСУ процессом производства кваса;

- структурная идентификация объекта исследования и разработка математической модели процесса брожения при производстве кваса;

- постановка и решение задачи оптимального управления процессом производства кваса;

- техническая реализация модернизированной системы управления процессом производства кваса.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- разработан метод автоматического контроля и управления процессом брожения затора на основании полученной математической модели процесса брожения, позволяющий использовать более широкий спектр технических средств дня реализации АСУ;

- для определения оптимального управления экспериментально получена математическая модель теплообменника по подготовке воды для кваса;

- научно обоснована реализация П-регулирования для процесса производства кваса.

Практическая ценность работы состоит в разработке и внедрении комплекса технических решений по автоматизации технологических процессов производства кваса, а именно: в разработке трехуровневой АСУ процессом производства кваса; в создании и технической реализации способа автоматического контроля процесса брожения; в определении рекомендаций для эффективной реализации цифрового управления стабилизацией температуры воды при производстве кваса в случае использования сервомотора постоян-

ной скорости; в описании алгоритма реализации цифрового закона управления, в синтезе оптимального управления данным процессом.

На защиту выносятся:

- метод автоматического контроля и управления процессом брожения

затора;

- методологический подход к выбору оптимального управления процессом производства кваса;

- технические решения, принятые при реализации автоматизированных систем для производства кваса.

Методы исследований. Для решения поставленных в работе научных задач были использованы методы теории автоматического управления, статистического анализа данных, математического и имитационного моделирования и современные комплексы программ. Полученные данные проверялись экспериментально в лабораторных и производственных условиях.

Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе теоретических результатов и формулируемых на их основе выводов обеспечивается строгостью производимых математических выкладок, базирующихся на аппарате теории автоматического управления, имеющего под собой достаточно жесткую математическую основу. Справедливость выводов относительно предложенной системы управления и алгоритмов управления подтверждена математическим моделированием и численным определением параметров модели объекта и алгоритмов идентификации с помощью экспериментальных данных промышленного процесса производства кваса.

Реализация результатов. Результаты работы реализованы в системе автоматического управления процессом производства кваса, прошедших испытания на ООО «Национальный продукт» (г.Краснодар) и принятых в эксплуатацию. Акты проведения испытаний приведены в диссертации.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на всероссийских научных конференциях, а также обсуждались на за-

седаниях кафедры автоматизации производственных процессов ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет».

Публикации. По результатам исследований опубликованы 6 статей, из них 2 - в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК России для публикаций научных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы составляет 151 страница, в том числе 44 рисунка, 2 таблицы, 5 страниц приложения. Список использованных источников включает 71 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, изложены полученные автором основные результаты проведенных исследований, показана их научная новизна, практическая значимость, отражены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведены анализ технологического оборудования и уровня автоматизации процессов брожения квасного сусла и патентный поиск, показавший, что средства автоматизации в цехах брожения при производстве кваса обеспечивают только стабилизацию режимных технологических параметров и являются сдерживающим фактором для проведения комплексной автоматизации всего технологического процесса производства кваса. Анализ существующих технологий производства кваса показал, что критерием оптимальности качества кваса может служить комплексный показатель качества кваса, основанный на эффективном управлении процессом брожения. Качественное управление процессом брожения позволяет улучшить органолептические и вкусовые свойства кваса, а также сократить потери от брака с 5% до 1%.

Во второй главе рассмотрены вопросы математического моделирования процесса брожения. Приведены теоретические и экспериментальные обоснования предлагаемой математической модели. Одно из наиболее важных в промышленности разновидностей брожения - спиртовое, в суммарном виде можно выразить следующим уравнением реакции:

СбН12Об = 2С02 + 2С2Н5ОН +118 кДж (1)

Исходя из данного уравнения можно заключить, что на каждый моль глюкозы, участвующей в брожении, по окончании данного процесса выделится 2 моля этилового спирта, 2 моля углекислого газа и 118 кДж энергии в виде тепла. Так как квас является продуктом незавершенного брожения, то полученное уравнение (1) нельзя напрямую применять для оценки количественных показателей, однако данное уравнение показывает качественные характеристики процесса спиртового брожения. В результате проведенных теоретических исследований получено, что процесс спиртового брожения неразрывно связан с выделением тепла (изменение температуры) и образованием углекислого газа (изменение давления в воздушной части аппарата). Результат теоретических исследований полностью подтвердился при анализе полученных экспериментальных данных (рисунок 1), где совершенно четко зафиксировано изменение температуры затора и рост давления в газовой составляющей бродильно-купажного аппарата в ходе протекания процесса брожения.

Для построения математической модели были получены экспериментальные данные в ходе нормальной эксплуатации объекта. Планирование эксперимента в данном случае не представлялось возможным ввиду особенностей данного объекта управления, в котором входные параметры являются взаимосвязанными.

Рисунок 1 - Изменение температуры и давления в процессе брожения

Наиболее важными параметрами, определяющими изменение количества сухих веществ в заторе, являются начальная температура затора, изменение давления углекислого газа в бродильно-купажном аппарате (БКА); изменение температуры затора; время протекания затора.

В упрощенном виде структурная модель объекта управления представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Упрощенная структурная модель объекта управления

Использовав метод множественного линейного регрессионного анализа, в работе был получен регрессионный полином, описывающий изменение количества сухих веществ в заторе:

Д = -11.567 +1.178 • х, - 0.039 • х2 +

+1.137-10"3-х} +0.419-л:4 (2)

где Xj - изменение давления (фактор 1), атм; Х2 - изменение температуры (фактор 2), °С; Хз - время протекания затора (фактор 3), мин; Х4 -начальная температура затора (фактор 4), °С; Y - изменение сухих веществ (отклик), %.

Реализация данной математической модели (2) возможна в большинстве программируемых логических контроллерах. Измерение всех участвующих в модели величин идет в непрерывном режиме путем использования стандартных средств измерения. Реализация математической модели, позволяющей определять окончание процесса брожения, сводится к созданию процедуры математического подсчета числового значения модели в процессе протекания брожения. Процесс брожения длится до тех пор, пока значение модели не достигнет заданного технологами предела (0,9 ... 1,0), после чего процесс брожения считается завершенным, и контроллер сможет приступить к выполнению дальнейшего алгоритма - процесса охлаждения и перекачивания в емкость предварительного хранения. Затем, если того требует производственная необходимость, выполнить купажирование, после чего квас считается готовым.

В третьей главе рассмотрены вопросы управления кожухотрубным теплообменником, в котором происходит нагрев охлажденной (после скважины) воды, заполняющей емкость для получения кваса, и решена задача оптимизации параметров системы стабилизации температуры воды при производстве кваса.

Была проведена экспериментальная работа по определению динамических характеристик теплообменника как объекта управления.

Для аппроксимации результатов экспериментальных данных использовался графический метод, заключающийся в том, что сумма постоянных времени Т| +Т2 находится как отрезок от точки перегиба до точки пересечения касательной к кривой разгона с прямой, проведенной параллельно установившемуся значению регулируемой величины.

В процессе реализации цифрового управления теплообменником при наличии сервомотора постоянной скорости следует учитывать следующие обстоятельства:

1) для реализации закона управления необходимо ставить сглаживающий фильтр (например, методом скользящего среднего) ошибки управления и использовать сглаженные значения;

2) релейный триггер, включающий исполнительный механизм, должен иметь достаточную зону нечувствительности, чтобы исключить появление автоколебаний в системе управления;

3) минимальное время включения исполнительного механизма должно обеспечивать перемещение сервомотора на 1-2 процента его максимального хода;

4) период дискретности Т следует выбирать таким, чтобы в режиме нормальной работы компенсация возмущений проходила включениями исполнительного механизма на время, не превышающее 0,5Т.

Таким образом, реализация цифрового закона управления должна проводиться по следующему алгоритму:

1) отнеся сервомотор постоянной скорости к объекту управления и считая его идеальным интегрирующим звеном, произвести расчет оптимальных параметров непрерывного регулятора с желаемым законом управления;

2) найти период квантования цифрового регулятора, обеспечивающий отсутствие потери информации в системе управления.

Далее в работе были определены оптимальные параметры цифрового регулятора (обеспечивающие относительную степень затухания у/=0,99), работающего в комплекте с сервомотором постоянной скорости. Как следует из графика переходной функции (рисунок 3), П - закон управления дает желаемую динамику системы.

Рисунок 3 - График переходной функции замкнутой САУ с П -регулятором

Задача оптимизации параметров пропорционального регулятора решена графоаналитическим способом и найдено оптимальное значение Крр = 0,526.

В работе доказана целесообразность использования П-регулятора, позволяющего на 60% снизить динамическую ошибку и на 700 с - время переходного процесса по сравнению с ПИ-регулятором.

Приведен алгоритм управления, учитывающий особенности технологии, а именно: оценка всех качественных показателей, как органолептиче-ских (цвет, вкус, аромат), так и физико-химических (массовая доля сухих веществ, кислотность, массовая доля спирта) осуществляется после того, как квас полностью готов, т.е. после купажирования. Но следует учесть тот факт, что если затор прошел не оптимальным образом, то тогда отпадает смысл

оценки качественных показателей кваса, так как правильно проведенный затор - это необходимое условие для получения качественного продукта. Таким образом, наиболее весомым критерием качества конечного продукта, с точки зрения управления, является именно такой технологический процесс, как брожение затора.

В четвертой главе приводятся рекомендации по реализации автоматической системы управления процессом производства кваса; описана разработанная система регулирования заданной температуры затора; осуществлен анализ применимости измерительного преобразователя расхода воды; разработана и исследована измерительная система задания вязких компонентов -концентрата квасного сусла и сахарного сиропа; разработана система измерения основных параметров в бродильно-купажном аппарате; разработана трехуровневая автоматизированная система управления процессом производства кваса, в которой на нижнем уровне осуществляется управление отдельными агрегатами; на среднем уровне используется программируемый логический контроллер Э^есИ^ю ЭЬ205; на верхнем уровне используется БСАВА-система Маз1ег8САОА ИТ. Весь ход технологического процесса фиксируется БСАОА-системой и сохраняется на жестком диске персонального компьютера. Это помогает проводить анализ полученного продукта и при необходимости изменять рецептуру. Для изменения рецепта технологу достаточно ввести в контроллер новые значения компонентов через интуитивно понятный интерфейс БСАОА-системы, который создается в соответствии с индивидуальными пожеланиями конкретного предприятия.

В заключении обобщаются теоретические и практические результаты, полученные при выполнении диссертационной работы.

В библиографическом списке приведена литература в алфавитном порядке.

В приложениях приведены графики, расчеты, справочная информация, а также акт внедрения АСУ процессом производства кваса.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ существующих технологий производства кваса показал, что критерием оптимальности может служить комплексный показатель качества кваса, основанный на эффективном управлении процессом брожения. Поскольку средства автоматизации в цехах брожения при производстве кваса обеспечивают только стабилизацию режимных технологических параметров, что является сдерживающим фактором для проведения комплексной автоматизации всего технологического процесса, была сформулирована задача исследования процесса брожения с целью создания АСУТП.

2. С учетом особенностей объекта и задач управления определены параметры, влияющие на качество процесса брожения затора: начальная температура затора; количество воды, сиропа, сусла, закваски, подаваемых для затора; изменение давления углекислого газа в БКА; изменение температуры затора; время протекания затора.

3. Сравнительный анализ методов обработки экспериментальных данных показал, что использование метода множественного линейного регрессионного анализа позволяет получить наиболее адекватную функциональную зависимость. Полученный в результате обработки экспериментальных данных в общем виде полином для функциональной зависимости изменения количества сухих веществ в заторе от начальной температуры затора, изменения температуры затора, изменения давления углекислого газа и времени протекания затора с заданной степенью точности описывает процесс брожения затора.

4. Разработан метод автоматического контроля и управления процессом брожения затора на основании полученной математической модели процесса брожения, позволяющий использовать общепромышленные средства измерения и автоматизации.

5. Разработаны рекомендации по созданию АСУ процессом задания основных компонентов, на основании экспериментально полученной математической модели теплообменника для подготовки воды для затора, обеспечивающей заданную начальную температуру затора.

6. Доказана целесообразность использования П-регулятора, обеспечивающего требуемые значения показателей качества переходных процессов в системе управления температурой затора.

7. АСУ ТП производства кваса, реализованная на ООО «Национальный продукт», позволила добиться увеличения объема выпуска продукции на 20% без изменения имеющихся на заводе мощностей, сократить потери от брака с 5% до 1%, минимизировать влияние человеческого фактора.

Основное содержание диссертации представлено в следующих работах:

1. Морозов, В. О. Формирование требований к автоматизированной системе управления производством кваса [Текст] / В. О. Морозов, В. В. Осокин // Известия Вузов. Пищевая технология. - 2007. -№4. - С. 80 — 81. (В.О. Морозовым лично на основе проведенного исследования технологии и особенностей производства кваса сформулированы основные задачи управления).

2. Морозов, В. О. Ранжирование показателей качества хлебного кваса [Текст] /' В. О. Морозов, В. В. Осокин // XVI Неделя науки МГТУ. XI Всероссийская научно-практическая конференция «Агропромышленный комплекс и актуальные проблемы экономики регионов». - Майкоп : Изд-во «Аякс», 2008. - С. 166 - 167.(В.О. Морозовым лично проведен анализ параметров, характеризующих качество кваса).

3. Морозов, В. О. Химико-физические свойства процесса брожения кваса при построении математической модели [Текст] / В. О. Морозов, В. В. Осокин // XXIV Всероссийская научно-техническая конференция «Ин-

формационные технологии в науке, проектировании и производстве». Июнь 2008 г. - Нижний Новгород : Нижегородский научный и информационно-методический центр «Диалог», 2008. - С.7. (В.О. Морозовым лично проведены исследования химизма процесса брожения и определены качественные зависимости физических параметров, необходимые для моделирования).

4. Морозов, В. О. Анализ процесса производства кваса как технологического объекта управления [Текст] / В. О. Морозов, В. В. Осокин // Известия вузов. Пищевая технология. - 2008. - № 4. - С. 75 - 76. (В.О. Морозовым лично проведен анализ объекта управления, получена структурная модель и определены параметры контроля и управления).

5. Морозов, В. О. Выбор параметров для автоматизированного определения готовности кваса [Текст] / В. О.Морозов, В. В. Осокин, А. А. Ма-тирный // Ред. журн. «Известия вузов. Пищевая технология». - Краснодар, 2008. - 6 с. - Библиогр. 12 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ. -28.01.2008, №50-В2008. (В.О. Морозовым лично были сформулированы требования и определены параметры, необходимые для контроля технологического процесса в автоматическом режиме).

6. Морозов, В. О. Исследование автоматизированной системы управления процессом подогрева воды при производстве кваса / Морозов В. О.; Ред. Журн. «Изв. вузов. Пищ. Технолог.» - Краснодар, 2008. - 31 с. - Библиогр. 6 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ - 10.11.2008, №868-В2008.

Подписано в печать 04.04.2009г. Гарнитура Тайме. Печать ризография. Бумага офсетная. Заказ № 334. Тираж 105 экз.

Отпечатано в типографии ООО «Копи-Принт». Краснодар, ул. Красная, 176, оф.З. т/ф 279-2-279. E-mail: copyprint@mail.ru ТК «Центр города»

Введение

1 Анализ технологического процесса производства кваса

1.1 Анализ состояния пищевой промышленности в 11 области техники и технологии процесса производства кваса

1.2 Анализ технологических компонентов при 13 производстве кваса

1.3 Анализ технологического оборудования и уровня автоматизации процессов брожения квасного сусла

1.4 Анализ различных методов контроля готовности кваса, наиболее перспективных с точки зрения автоматизации

1.5 Особенности производства кваса на ООО 33 «Национальный продукт»

1.6 Постановка задачи исследования 37 Выводы по главе

2 Математическое моделирование процесса брожения

2.1 Химико-физические свойства процесса брожения

2.2 Теоретическое и экспериментальное обоснование предлагаемой математической модели и анализ значимости параметров модели при параметрической иден- 49 тификации

2.3 Составление математической модели процесса брожения на основании полученных экспериментальных данных

2.3.1 Рассмотрение возможности применения метода множественного линейного регрессионного анализа для 56 построения модели

2.3.2 Рассмотрение применимости метода мультипликативнои модели для построении модели

2.3.3 Рассмотрение возможности применения метода

Брандона для построения модели

2.4 Анализ полученной математической модели и эффективности ее возможного применения в промышленных условиях

Выводы по главе

3 Исследование автоматизированной системы управления процессом производства кваса

3.1 Получение математической модели теплообменника по подготовке воды для кваса

3.2 Оптимизация параметров системы стабилизации температуры воды при производстве кваса

3.2.1 Метод обобщённой линеаризация последовательно включенных нелинейностей

3.2.2 Расчет параметров автоколебаний в системе стабилизации температуры воды при использовании релейного регулятора

3.2.3 Расчет оптимальных параметров регулятора в системе стабилизации температуры воды при использовании существующего регулятора

3.2.4 Особенности реализации цифровых законов управления при использовании сервомоторов постоянной скорости

3.3 Расчет оптимальных параметров цифрового регулятора, работающего в комплекте с сервомотором постоянной скорости

3.4 Получение передаточной функции приведенной непрерывной части цифровой САУ

3.5 Расчет цифровой системы на устойчивость по критерию Джури

3.6 Алгоритм функционирования системы управления в автоматическом режиме

Выводы по главе

4 Реализация автоматической системы управления процессом производства кваса

4.1 Разработка и исследование системы регулирования заданной температуры затора

4.2 Анализ применимости измерительного преобразователя расхода воды

4.3 Разработка и исследование измерительной системы задания вязких компонентов - концентрата квасного сусла и сахарного сиропа

4.4 Разработка системы измерения основных параметров в бродильно-купажном аппарате

4.5 Разработка и исследование системы контроллеров управления и операторского пункта

4.6 Структура и состав АСУ ТП

4.7 Описание алгоритма работы АСУ ТП 131 Выводы по главе

В последние годы программа развития нашей страны направлена на развитие предприятий, особенно малого и среднего бизнеса, с применением инновационных технологий. В Краснодарском крае лидирующее место в промышленности занимает пищевая отрасль. Развитие данной отрасли связано с переходом на более высокие показатели качества перерабатываемого сырья, увеличением объемов продукции, уменьшением ручного труда. Все это невозможно без автоматизированного контроля и управления основными технологическими процессами на предприятии.

Данная научная работа посвящена автоматизации технологического процесса производства хлебного кваса. Квас издавна называют традиционным национальным напитком у восточных славян. Он известен более 1000 лет еще со времен Киевской Руси. В противовес так называемым «химическим» напиткам настоящий квас не содержит в своем составе консервантов, ароматизаторов, добавок, подсластителей и прочих искусственных ингредиентов, способных провоцировать аллергию или обострение заболеваний желудочно-кишечного тракта [67]. Квас - пищевой продукт с ярко выраженными полезными свойствами, он богат витаминами, в том числе группы В. Кроме того, пищевая ценность этого напитка брожения дополняется присутствием органических кислот и других продуктов жизнедеятельности дрожжей и молочно-кислых бактерий [26]. Потребительские свойства кваса соответствуют требованиям регламента гигиены питания и направлены на решение задач в области политики здорового питания и отвечают основным направлениям Концепции здорового питания Правительства РФ [48]. После массового вступления на российский рынок западных вкусов газированных напитков и расширения производств отечественных лимонадов, квас на значительный срок даже в разливном виде исчез из продажи во многих российских городах. В настоящее время рынок кваса в России находится на подъеме. О значительном темпе роста рынка кваса и быстром формировании потребительского спроса на этот напиток свидетельствует тот факт, что по итогам 2007 года российский рынок кваса вырос на 50% (22-25 млн. дал) и составил 45 млн. дал [11]. По прогнозам производителей, в текущем году объем рынка кваса также увеличится на 45-50%. Рост рынка на уровне 50% сохранится в течение ближайших нескольких лет, что позволяет говорить о возрождении популярности этого национального русского напитка среди россиян [22].

Обзор научно-технической литературы показал, что до настоящего времени не было научных работ посвященных комплексной автоматизации производства кваса, где в автоматизированном режиме протекал бы самый главный технологический процесс - брожение. Все имеющиеся разработки в этой области связаны либо с частичной механизацией, либо с сигнализацией о протекании процесса, но они позволяют только облегчить физический труд. Для создания полностью автоматизированной системы необходимо решить проблему автоматизации измерений, поскольку лабораторные методы не позволяют проводить процесс брожения и, соответственно, весь технологический цикл в автоматизированном режиме. Основное внимание в данной диссертационной работе уделяется самому сложному с точки зрения автоматизации и самому ответственному процессу — брожению затора. По мнению технологов, и исходя из технической литературы [17,47,61], процесс брожения является основополагающим в производстве кваса, который является ключевым фактором, отличающим настоящий квас от так называемых «квасных напитков» [13]. Исследование и моделирование данного технологического процесса позволят создать автоматизированную систему управления всем технологическим процессом производства кваса.

Проблеме повышения эффективности биотехнологических процессов на основе новых технологических приемов, синтеза систем с использованием методов математического моделирования, идентификации и адаптивного управления посвящены научные исследования ученых Балакирева B.C., Бирюкова

В.В., Гордеева Л.С., Лапшенкова Г.И., Лубенцова В.Ф., Матвеева В.Е., Мень-шутиной Н.В., Уткина В.И., Цирлина A.M., Шубладзе A.M., Юсунбекова Н.Р. и других. Однако, отсутствие системного подхода к исследованию и методологических подходов к созданию и управлению САУ процессом брожения при производстве кваса снижают эффективность решений задач по автоматизации процессов производства кваса и делают указанную проблему весьма актуальной.

Целью настоящей работы является разработка методологических основ автоматизированного управления производством кваса.

Для достижения поставленной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

- систематизация и сравнительный анализ оборудования и АСУ процессом производства кваса;

- структурная идентификация объекта исследования и разработка математической модели процесса брожения при производстве кваса;

- постановка и решение задачи оптимального управления процессом производства кваса;

- техническая реализация модернизированной системы управления процессом производства кваса.

Для решения поставленных в работе научных задач были использованы методы теории автоматического управления, статистического анализа данных, математического и имитационного моделирования и современные комплексы программ. Полученные данные проверялись экспериментально в лабораторных и производственных условиях.

Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе теоретических результатов и формулируемых на их основе выводов обеспечивается строгостью производимых математических выкладок, базирующихся на аппарате теории автоматического управления, имеющего под собой достаточно жесткую математическую основу. Справедливость выводов относительно предложенной системы управления и алгоритмов управления подтверждена математическим моделированием и численным определением параметров модели объf екта и алгоритмов идентификации с помощью экспериментальных данных промышленного процесса производства кваса |

Диссертация выполнена на кафедре автоматизации производственных процессов (АПП) ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» (КубГТУ).

Результаты работы реализованы в системе автоматического управления процессом производства кваса, прошедших испытания на ООО «Национальный продукт» (г. Краснодар) и принятых в эксплуатацию. Акты проведения испытаний приведены в приложении.

Основными показателями эффективности предлагаемой системы являются:

- увеличение объемов производства без изменения имеющихся на заводе мощностей (до 20 %);

- повышение качества продукции и снижение брака на 4% за счет эффективного использования действующего оборудования, технологических режимов и определенной оценки хода технологического процесса ;

- сокращение количества обслуживающего персонала и уменьшение влияния человеческого фактора.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- разработан метод автоматического контроля и управления процессом брожения затора на основании полученной математической модели процесса брожения, позволяющий использовать более широкий спектр технических средств для реализации АСУ;

- для определения оптимального управления экспериментально получена математическая модель теплообменника по подготовке воды для кваса;

- научно обоснована реализация П-регулирования для процесса производства кваса;

Практическая ценность работы состоит в разработке и внедрении комплекса технических решений по автоматизации технологических процессов производства кваса, а именно: в разработке трехуровневой АСУ процессом производства кваса; в создании и технической реализации способа автоматического контроля процесса брожения; в определении рекомендаций для эффективной реализации цифрового управления стабилизацией температуры воды при производстве кваса в случае использования сервомотора постоянной скорости; описании алгоритма реализации цифрового закона управления, и синтезе оптимального управления данным процессом.

На защиту выносятся:

- метод автоматического контроля и управления процессом брожения затора;

- методологический подход к выбору оптимального управления процессом производства кваса;

- технические решения, принятые при реализации автоматизированных систем для производства кваса.

По результатам исследований опубликовано 6 статей, из них 2 — в научных журналах, рекомендованных для публикаций ВАК.

Результаты исследований докладывались на всероссийских научных конференциях, а также обсуждались на заседаниях кафедры автоматизации производственных процессов ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»

Автор выражает признательность своему научному консультанту доценту В.В.Осокину и сотрудникам ООО «Национальный продукт» Соколинскому M.JL, Хомутову С.И. за доброжелательность и участие в обсуждении вопросов, возникших в ходе выполнения предлагаемого исследования.

Выводы по главе 4

1 Разработана автоматическая система регулирования температуры затора на основе пропорционального регулятора, работающего совместно с исполнительным механизмом (сервомотором постоянной скорости), позволяющая добиться высокой точности регулирования порядка 0,2 °С .

2 Разработана автоматическая система управления заданием основных компонентов для затора с применением объемного и весового дозирования, учитывающая особенности каждого компонента.

3 Предложена автоматическая система измерения основных параметров в бродильно-купажном аппарате, позволяющая использовать общепромышленные средства измерения для контроля процесса брожения.

4 Разработана трехуровневая автоматизированная система управления процессом производства кваса, позволившая исключить применение лабораторных методов в производственном процессе и свести к минимуму негативное влияние человеческого фактора.

5 Успешное внедрение и эксплуатация разработанной трехуровневой автоматизированной системы управления процессом производства кваса на ООО «Национальный продукт» подтверждает практическую ценность предложенных научно-технических решений.

1 Анализ существующих технологий производства кваса показал, что критерием оптимальности может служить комплексный показатель качества кваса, основанный на эффективном управлении процессом брожения. Поскольку средства автоматизации в цехах брожения при производстве кваса обеспечивают только стабилизацию режимных технологических параметров, что является сдерживающим фактором для проведения комплексной автоматизации всего технологического процесса, была сформулирована задача исследования процесса брожения с целью создания АСУТП.

2 С учетом особенностей объекта и задач управления определены параметры, влияющие на качество процесса брожения затора: начальная температура затора; количество воды, сиропа, сусла, закваски, подаваемых для затора; изменение давления углекислого газа в БКА; изменение температуры затора; время протекания затора.

3 Сравнительный анализ методов обработки экспериментальных данных показал, что использование метода множественного линейного регрессионного анализа позволяет получить наиболее адекватную функциональную зависимость. Полученный в результате обработки экспериментальных данных в общем виде полином для функциональной зависимости изменения количества сухих веществ в заторе от начальной температуры затора, изменения температуры затора, изменения давления углекислого газа и времени протекания затора с заданной степенью точности описывает процесс брожения затора.

4 Разработан метод автоматического контроля и управления процессом брожения затора на основании полученной математической модели процесса брожения, позволяющий использовать общепромышленные средства измерения и автоматизации.

5 Разработаны рекомендации по созданию АСУ процессом задания основных компонентов, на основании экспериментально полученной математической модели теплообменника для подготовки воды для затора, обеспечивающей заданную начальную температуру затора.

6 Доказана целесообразность использования П-регулятора, обеспечивающего требуемые значения показателей качества переходных процессов в системе управления температурой затора.

7. АСУ ТП производства кваса реализованная на ООО «Национальный продукт», позволила добиться увеличения объема выпуска продукции на 20%, без изменения имеющихся на заводе мощностей, сократить потери от брака с 5% до 1%, минимизировать влияние человеческого фактора.

1. Clonus products for the general industry Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.cloriuscontrols.com/industry/productsi.html

2. Ulrich, R. Colloque consacre aux methodes analytique appplicables aux boissons Text. / R. Ulrich // Ann.nutr. et alim. - 1978. №5. - p.l 185 - 1187.

3. Автоматика и автоматизация пищевых производств Текст. / М. М. Благовещенская [и др.] М. : Агропромиздат, 1991. — 239 с.

4. Автоматизация производственных процессов и производств и АСУ ТП в пищевой промышленности / JI. А. Широков и др.; под ред. JI.A. Широкова. М. : Агропромиздат, 1986. - 311 с.

5. Автомобильные весы, железнодорожные весы, вагонные весы, крановые весы, тензодатчики, дозаторы Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.tenso-m.ru/

6. Алексеев, В. Н. Количественный анализ Текст. / В. Н. Алексеев. -М.: Химия, 1972.-504 с.

7. Ахназарова, С. JI. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии Текст.: учеб. пособие / С. JI. Ахназарова, В. В. Кафаров. М. : Высш.шк., 1985. - 327 с.

8. Ахназарова, С. JI. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии // С. JI. Ахназарова, В. В. Кафаров. М. : Высш.шк., 1978. — 319 с.

9. ВнешМаркет. Внешнеэкономическая деятельность Электронный ресурс. — Режим доступа: http://wvm.vneshmarket.ru/newsairi/newsamshow.asp?ID^294684

10. Все, что нужно знать про алкоголь Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.alconews.ru/newsline/8159.html

11. Глыбин, И. П. Автоматические плотномеры и концетратомеры в пищевой промышленности Текст. / И. П. Глыбин. М. : Пищ. пром-сть, 1975. — 182 с.

12. ГОСТ Р 52409-2007 Продукция безалкогольного и слабоалкогольного производства. — введ. 01.01.2007.

13. Дикий, Б. Ф. Автоматический контроль состава и свойств пищевых продуктов Текст. / Б. Ф. Дикий. М. : Пищ. пром-сть, 1968. - 275 с.

14. Дозаторы. Основные типы дозаторов, применяемых в пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.omag.com.ua/omag/osob/interesting/meteringdevices/

15. Дрейпер, Н. Прикладной регрессионный анализ. Текст. / Н. Дрей-пер, Г. Смит. М. : Статистика, 1973. - 392 с.

16. Ермолаева, Г. А. Технология и оборудование производства пива и безалкогольных напитков Текст. / Г. А. Ермолаева, Колчева Р.А. М. : ИРПО; Изд. центр «Академия», 2000. - 417 с.

17. Ермолаева, Г. А. Производство напитков. Производство кваса Текст. / Г. А. Ермолаева // Пиво и напитки. 2002. - № 1. - С. 36 - 37.

18. Ермолаева, Г.А. Производство напитков. Сырье для производства кваса и квасных напитков Текст. / Г.А. Ермолаева // Пиво и напитки. — 2001. -№3. С. 24-25.

19. Иванова, Е. Г. Технология квасов брожения Текст. / Е. Г. Иванова, JI. В. Киселева, Н. Г. Ленец // Пиво и напитки. 2006. - № 2. - С. 50 - 51.

20. Изерман, Р. Цифровые системы управления Тескт. / Р. Изерман. -М. : Мир, 1984. 541 с.

21. Информационно справочное издание рынка пищевой промышленности Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.FoodNewsweek.ru/

22. Интеллектуальные Системы Автоматизации Технологии промышленная автоматизация Электронный ресурс. — Режим, доступа: http://www.insat.ru/

23. Касаткин, А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии Текст. / А. Г. Касаткин. М. : Химия, 1971. - с. 344,- 345.

24. КИП-Сервис. Промышленная автоматика: приборы ОВЕН, контроллеры Direct LOGIC, датчики, пневмоцилиндры, пневматика, клапаны, соленоидные ASCO, реле Dungs, температура, давление, влажность Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.kipservis.ru/

25. Киселева, Т. Ф. Концептуальный подход к разработке функциональных напитков брожения Текст. / Т. Ф. Киселева // Пиво и напитки. 2006. - № 3. - С. 4 - 5.

26. Константинов, Е. Н. Математическая модель кинетики процесса брожения сусла Текст. / Е. Н. Константинов, Т. Г. Короткова, Р. С. Шаззо // Известия вузов. Пищевая технология. — 2007. № 5 - 6. - С. 65 - 66.

27. Кремлевский, П.П. Расходомеры и счетчики количества. Текст. : Справочник. — 4-е изд., перераб. и доп. — JI. : Машиностроение. 1989. — 701 с.

28. Лопатин, Б. А. Теоретические основы электрохимических методов анализа Текст. / Б. А. Лопатин. М. : Высш. школа, 1975. - 295 с.

29. Львовский, Е. Н. Статистические методы построения эмпирических формул Текст. / Е. Н. Львовский. М. : Высш. шк. 1988. — 239 с.

30. Методы ядерного магнитного резонанса Текст. / Н. Н. Шумилов-ский [и др.]. М.: Энергия, 1966. — 215 с.

31. Моделирование систем управления. Текст. : учеб. пособие // 3. Г. Насибов[и др.]; Часть 1. — Темплан, 2003. 158 с.

32. Морозов, В. О. Формирование требований, к автоматизированной системе управленияшроизводством кваса Текст. / В. О: Морозов, В. В. Осокин' // Известия Вузов. Пищевая технология. — 2007. -№4. G. 80 - 81.

33. Морозов, В*. О." Анализ процесса производства кваса* как технологического объекта управления Текст. / В!. О? Морозов, В. В. Осокин // Известия вузов. Пищевая .технология. — 2008. № 4. — С. 75 — 76.

34. Морозов, В. О: Исследование автоматизированной системы управления процессом подогрева воды при производстве кваса / Морозов Bl ©.; Ред.

35. Журн. «Изв. вузов. Пищ. Технолог.» Краснодар, 2008. — 31 с. - Библиогр. 6 назв. -Рус.-Деп. в ВИНИТИ - 10.11.2008, №868-В2008.

36. Нелинейные и цифровые системы управления Текст.: методические указания по курсу "Теория автоматического управления", Часть III / Сост. В.И. Пугачев ; Краснодар, политехи, ин-т. — Краснодар, 1995. 114 с.

37. Петере, Д. Химическое разделение и измерение: Теория и практика аналитической химии. Кн.1 Текст. / Д. Петере, Дж. Хайес, Г. Хифтье. М. : Химия, 1978 . - 816 с.

38. Петере, Д. Химическое разделение и измерение: Теория и Тактика аналитической химии. Кн.П Текст. / Д. Петере, Дж. Хайес, Г. ^ Химия, 1978. 815 с.

39. Помозова, В. А. Производство кваса и безалкогольных Текст.: учеб. пособие / В. А. Помозова. СПб. : ГИОРД, 2006. - 192 с.

40. Помозова, В. А. Разработка напитков брожения с с01:хс^з:ально направленными свойствами Текст.'/В. А. Помозова, Т. Ф. Киселева// ^ЗГПолити ка здорового питания в России: материалы VII Всероссийского конгресс-с^^ ^ 2003.-С. 242-243.

41. Попов, Р. Б. Автоматизация и регулирование гидродинаг^11п^х1еских процессов Текст. / Р.Б. Попов // Автоматизация производственных пРС*Псд;ессов в цветной металлургии. М. : ЦИИН МЦМ, 1956, С. 25 - 28.

42. Попов, Р. Б. Автоматический анализ многокомпонентны^- Пр0из водственных растворов многопараметрическим вычислительным зм:етодом Текст.: автореф. дисс. на степень докт. техн. наук./ Р.Б. Попов. Кие:^= 1962 — 25 с.

43. Попов, Р. Б. Многопараметрический вычислительный ме^од автоматического анализа многокомпонентных производственных растворов Текст. / Р. Б. Попов // Автоматизация химических производств; под ред. Р. Я -Ладиева -Киев, 1964.-С.144-161.

44. Построение математических моделей химико-технологических объектов Текст. / Е. Г. Дудников [и др.]. JI.: Химия, 1970. - 312 с.

45. Приборы КИП производства ОВЕН: датчики, К01Пгроллерырегуляторы, измерители, терморегуляторы Электронный ресурс. Режимдоступа: http://www.owen.ru/

46. Пугачев, В. И. Теория автоматического управления, раздел Циф-ро-вые системы управления Текст.: учеб. пособие / В. И. Пугачев. Краснодар: типография «Мир Кубани», 2005. - 100 с.

47. Расходомер счетчик электромагнитный взлет ЭР Текст.: руководство по эксплуатации В41.30-00.00 РЭ Спб. : 2008. - 44 с.

48. Ромоданов, В. Критерии выбора и области применения промышленных счетчиков воды Текст. / В. Ромоданов // Строительный инжиниринг. — 2007.-№ 12.-С. 36.

49. Садулаев, М. М. Влияние рецептурных компонентов на продложи-тельность брожения кваса Текст.1/ Садулаев М.М. [и др.]. // Пиво и напитки. — 2006. № 4. - С. 54 - 55.

50. Скугоров, В. П. Анализ многокомпонентных систем физико-химическими методами Текст."/ В. П. Скугоров. — Приборостроение. 1959. -№ 8. - С.18 - 21.

51. Стефани, Е. П. Основы расчета настройки регуляторов теплоэнергетических процессов. Текст. / Е.П. Стефани. М. : Энергия, 1972. — 376 с.

52. ТИ 10-04-06-179-88j Технологическая инструкция по производству квасов брожения. М. : 1989. - 96 с.

53. Фараджева, Е. Д. Общая технология бродильных производств Текст. / Е. Д. Фараджаева, В. А. Федоров. М. : Колос, 2002. - 408 с.

54. Федоров, Я. П. Автоматизация — главный инструмент оптимизации в пищевой промышленности Текст. / Я. П. Федоров // Пищевая промышленность. 2006. - № 4 - С. 6 - 8.

55. Химмельблау, Д. Анализ процессов статистическими методами Текст. 1 Д. Химмельблау. М. : Мир, 1973. - 967 с.

56. Хлебный квас на основе ПККС Текст. / Г. О. Магомедов [ и др.] // Пиво и напитки. 2006. - № 4. - С. 50 - 51.

57. Цейтлин, В. Г. Расходоизмерительная техника. Текст. / В. Г. Цейтлин. М.: Изд-во стандартов. 1977. - 240 с.

58. Цветкова, Е. В. Производители кваса и национальных напитков объединились в Союз Текст. / Е. В. Цветкова // Пищевая промышленность. -2008. -№7-С. 52-54.

59. Цыпкин, Я. 3. Релейные автоматические системы Текст. / Я. 3. Цыпкин. М. : Наука, 1974. - 575 с.

60. Шлегель, Г. Общая микробиология Текст. / Г. Шлегель. М. : Мир, 1987.-567 с.