автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизированное управление технологическим комплексом производства высокофруктозных сиропов.

MiiiicTcpcTBo ocbíth i науки Украши Украшський державши! утверситет харчових технологи!

На правах рукопису ¡V<J УДК 681.513.5:547.455.633

J ..... u-^J

Костюк Irop Викторович

АВТОМАТИЗОВАНЕ УПРАВЛ1ННЯ ТЕХНОЛОПЧНИМ КОМПЛЕКСОМ ВИРОБНИЦТВА ВИСОКОФРУКТОЗНИХ СИРОП IB

05.13.07 Автоматизащя технолопчних npouecin

Автореферат дисертаци на здобуття паукового ступеня кандидата гехшчних наук

Кшв - 2000

Диссртащсю е рукопис

Робота виконана в Украшському державному ушверсите™ харчових технологий.

Науковий керс'виик: доктор техшчних наук,

професор Ладанюк Aнaтoлiй Петрович, УДУХТ, зав.кафедрою автоматизашГ та комп'ютерночнтегрованих технологий.

Офщшш опонеити: доктор техшчних наук,

професор Мартиненко Олексш 1ванович, нацюнальний аграрний ушверситет, зав. кафедрою автоматизаци а'льськогосподарського виробшщтва

кандидат тexнiчниx наук, професор Остапенко Юрш Олександрович НТУ "Ктвський пол1тсхн1чний ¡нститут", професор кафедри автоматизаци х1м!чних виробництв

Пров ¡дна установа: НВК "Кшвський шспггут автоматики",

м.Кшв

Захист вщбудеться " /¿-¿э/т-^с/ 2000р. К 26.058.05

о годши' на заа'данш cпeцiaлiзoвaнoií вчено1 ради К26 УкраГнського

державного ушверситету харчових технологий за адресою: 01033, м.Кшв, вул. Володимирська, 68, ауд. А-311.

3 дисерташею можна ознайомитись у б1блютещ УкраУнського державного ушверситету харчових технологи! за адресою : 01033, м.Кшв, вул. Володимирська, 68, ауд. А-3II.

Автореферат роз ¡слан нй "/О " 2000р.

Вчешш секретар Спец!алвовано1 вчено! ради, к.т.н., доцент

В.М. Фшоненко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальшсть роботи. Виробництво високофруктозних сирошв е новим я Укра'1'ни. Високофрутозний сироп. - це високояюсний рщкий замшннк кру. При вживанш в Ужу вш мае значт переваги перед цукром, знайшов свое стосування при лжувашп захворювань, яю супроводжуготься порушешям глеводного обм1'ну, показаний хворим на цукровнй д1'абет. Вище сказане та р[мкий розвиток виробницгва високофруктозних сирошв в евт дае право ворити про перспектившсть даного виробницгва в Укра?ш та необхщшеть >го автоматизацп.

Виробнищво високофруктозних сирошв з точки зору задач управлшня дрвняеться багатом1ртстю, стад1птстю переробки сировиии та нивпродукпв, певними зв'язками мЬк стадиями. Технолопчний комплекс фобницгва високофруктозних сироте (ТК ВФС) складаеться з трьох ;новних стадш: пдрол1зу цукроаого розчину, очистки пдролпату та юиатограф1чного роздшення швергного розчину на глюкозу та фруктозу, ) е :новою виробницгва високофруктозних сироте. 3 точки зору задач гравлшня ТК ВФС вшноситься до складних х1м1ко-технолопчних систем: 1рактеризусться велико! роз\прносп векторами вихщних параметр1в, збурень I координат стану. Кожна з стадш ТК ВФС (пщсистема) потребуе ттимального управл1ння за вщповцигим критер1ем, математичшши моделями 1 обмежешшми. Для забезпечення безперсрвносл роботи ТК ВФС необхщ.чо 1безпечеши координаш роботи пiдcиcтeм.

Важливим фактором дано)" роботи е те, що в1гробництво исокофруктозних сирошв з точки зору задач автоматгаованого управлишя в 'крапп дос;пджуегься вперше, вперше розробляеться для нього система втоматизованого управлшня. В той же час практично не ¡снуе математичних юделей основних процессе технологичного комплексу, не проводились кспериментальш дослщження процеЫв з точки зору задач автоматизацп.

Аналтачний огляд кнуючих розробок сузджних галузей промисловостс а системний анализ об'скта управл1'ння показали, що ¡снуготь науково-техшчш снов и сгворешгя системи автоматгаованого оптимального управл1ння ТК $ФС.

Таким чином, розробка пршщишв та метод1'в автоматгаованого Т1равл1ння ТК ВФС, розробка системи автоматизованого управл!ння ТК ВФС е истуальною науково-техшчною проблемою.

Дисерташйна робота виконуеться у вшповиносп з планом науков< дошдних робп Украшського державного уншерситету харчових технологи зокрема в рамках науково-дослщно! роботи «Розробити технологи виробництва високофруктозного сиропу з цукру з використання хроматограф!чного методу» на замовлення Комитету харчовоУ промисловос Украши (реестрацшний номер 181/93).

Метою роботи е створення автоматизовано1 системи управлшн технолоНчним комплексом виробництва високофруктозних сиротв, щ базуеться на основ) ефективних критерив управлшня, адекватних математични моделей, вир^шуе задач)' оптим1заци та координацп з метою пщвищенн ефективност1 виробництва високофруктозних сирогав. ТК ВФС розглядастьс як складна х1м1ко-технолопчна система, що складаеться з певних стадг (тдсистем), як\ характеризуються значною м'льюстю структурних т функшональних вщношень. При створе!пи системи управлшня визначеш так три взасмопов'язаш задач):

- оптимпащя техколопчних параметр1в;

- утавлшня перюдичнями режимами;

- координащя роботи тдсистем.

Ц1 задач1 сформован! на основ1 системного ашинзу ТК ВФС т; експериментальних дошджень, анализу робп- з авгоматизаип в сум1жни> галузях промисловосп та сучасних евггових тенденций створення комп'ютерно штегрованих виробництв.

Наукова новизна. При виршенш поставлених задач одержан! нов1 науков положения:

- отримано комплекс статичних характеристик процес1в гщрол13) цукрового розчину, очистки ¡нвертного розчину активованим вугшлям тг хроматограф^чного роздшення ¡нвертного розчину на глюкозну \ фруктозну фракци та статистичних характеристик основних технолопчних змшних цих процсо'в;

- одержано критери опттмзацп технолопчного комплексу та йоге шдсистем;

- отримано комплекс кваз1стагичних математичних моделей, шо характеризуютъ ТК ВФС та його пщсистеми, яи придатт для використання при виршенш задач оперативного управлшня;

розроблено алгоритм управления першдичними режимами роботи тдсистем ТК ВФС та алгоритм координацп их роботи;

- розроблено функцюнальну структуру комп'ютерно-штегровано1 системи травлшня виробництвом писокофруктотих сирота

Практичне значения одержат« результат. За результатами теоретичних I експерименгальних дос.'мджень розроблена М1кропроцесорна система ггоматизованого управлшня технолопчиим комплексом виробництва теокофруктозних сирошв, як складова частина комп'ютерно-штегрованого лробтахгва високофруктозних сирошв. Розроблено техшчну структуру эмп'ютержйнтегровано! системи управления В1фобництвом теокофруктозних сиротв. На основ! отриманих алгоритмш розроблено рограмне забезпечення мпфопроцесорно! автоматизовано'1 системи управлшня К ВФС. Основш ршення пройшли дослщно-виробничу перев1рку на чавол! еетинопродую1в АНТВ «Украшська нива».

Результати роботи . використовуються в навчалыюму процеа 'крашського державного , ушверситету харчових технологш кафедри втоматизаци та комп'ютерноЧнтегрованих технологш та передаш для провадження на завод пеггинопродувгпв АНТВ «Украшська нива» та в .'омггет харчово! промислозосп Украши, що шдтверджено вщповщним актом а довиками.

Aпpoбaцiя роботи. Основш результата дослщжень доповщались i бговорювались на: наукових конференщ'ях Украшського державного шверситету харчових технолог! к в !995-1999рр.; ВсеукрашськШ науково-ехшчнш конференци "Розробка та в провадження прогресивних технологш а обладнання в харчову га переробну промисловюгь"- (Кшв, 1995р.): /Гшнародшй науково-гехшчнш конференци "Розроблення та впровадження грогреенвних ресурсоощадних технологш та обладнання в харчову та гереробну промисловшть"- (Кшв, 1997р.); МЬкнароднж науково-техшчтй ;онференцн «Проблеми та перспективи створення 1 впровадження нових »есурсо- та енергоощадних технологи!, обладнання в галузях харчово! 1 1срсробно1 промисловост!» - (Кшв, 1999р.).

Публжацн. По тем! дисертаци опублковано 11 друкованих праць, в якнх ткладено основний змicт виконаних дослщжень, з них 3 стагп в фахових шданнях, 2 патенти на винахи, 1 позитивне ршення на видачу патенту на шнахш, 1 стаття депонована в ДНТБ Украши, 4 тези допошдей на наукових сонференшях.

Структура i об'см роботи. Дисертащйна робота складаегься з вступи п'яти роздшв, списку лгёератури з 111 иайменувань, 5 додатмв. Текс викладено на 140 стор., включаючи 28 рисуншв, 9 таблиць та 5 додатмв.

Основш положения, що виносяться на захист: результата дослщжен ! властивостей ТК ВФС та процесу йото функш'онувашш; структура пшзада1 iepapxiHiioi системи управлшня; критер!! для подзадач оптишзацп т; координацп роботи тдсистем; комплекс кваз1статичних математичнш ''' моделей; алгоритм управлшня перюдичними режимами пщсистем ТК ВФС алгоритм координацп ix роботи; функциональна структура мкропроцесорно автоматизоваио'1 системи управлшня ТК ВФС; функцюнальна структур« комп'ютерно-1нгегровано1 системи управлшня виробництво\ високофруктозних сиротв.

Особисгий внесок у розробку наукових результата. Особисто автором розроблеш положения, викладеш в роздал! автореферату "Основш положения, що виносяться на захист". В публикациях у сп1вавторств1 особисгий внесок автора полягас в наступному: в [1,8] здшснено постановку задач! оптимального управлшня та розроблено структуру системи автоматизованого управлшня процесом хроматограф1чного роздшення, в [2] розроблено математичш модел1 та здшснено Bn6ip метод1в оппанзаци технолопчних параметр1в Ж ВФС, в [3] проведено анашз можливостей використання легкозасвоюваних цукр1в в У крапп, в [4] вибрано техшчт засоби та розроблено структуру системи автоматичного управлшня xpoмaтoгpaфíчним роздшенням в пер1одичному режиму в [5,6,11] проведено обробку результата експериментальних дослщжень, виконано аналв ТК ВФС, як об'екта управл1ння, в [7,9] розроблеш процедури створення системи автоматизованого управлшня ТК ВФС на основ! поставлених задач, отриманих математичних моделей, критерии та обмежень, в [10] розроблено алгоригми управл1ння перюдичними режимами та координацй роботи пщсистем ТК ВФС та вщповщне програмне забезпечення.

ОСНОВНИЙ ЗМ1СТ РОБОТИ

Вступ. Показана акгуальтсгь роботи з точки зору важливоси проблеми оперативного оптимального управлшня ТК ВФС для розвитку виробницгва високофруктозних сирошв в Украш; зв'язок роботи з науковими програмами УкраГнського державного ушверсигету харчових технолог!й. Сформульована

та 1 задача дослщжень. Визначена наукова новизна та практнчне значения [ержаних результата. .

Перший ро-щл присвячено анал1зу гехиолопчного комплексу гробницгва високофруктозних сироте з точки зору задач автоматизаци I »становщ задач» досшджень.

При використшпн в якосп вихщноГ сировиии цукру . принципова хнолопчна схема виробшщгва високофруктозних сирошв вкдючае таю гераци: клерування цукру, пдролЬ сахарози, очистку активов аним вугитям, юматограф1чне роздшення, концентруваши розчголв та розлив. Дании :хнолопчний комплекс складасться з гщрол^зу, очистки та хроматограф1чного вдшення. - .

Виходячй з методологи системного аналпу, процес виробництва «окофруктозних сироте визначено як технолопчний комплекс, що являе збою складну хшко-технолопчну систему. Дана ощнка ТК ВФС зпдно з нуючою класифисащею технолопчних комплешв 1 проведена декомпозшця роцеЫв виробництва високофруктозних сирогав на три шдсистеми: гшрол^зу, чистки та хроматограф1чного роздитення. Показано, що така декомпозищя е айбыьш ефективною з точки зору задач керування, оскшыси процес гщротзу е езперервним, очистки - перюдичним, а хроматограф!чиого роздшення -ашвбезперервним. Параметричиа схема ТК ВФС показана на рис. 1.

Г1ДРОЛ13

ОЧИСТКА

ХРОМАТОГРАФ1ЧНЕ Б03Д1ЛЕННЯ

Рис. 1 Параметрична схема тдсистем ТК ВФС.

Пщсистеми ТК ВФС характеризуються такими основними вхадним) змшними: СРар- вм1ст сухих речовин цукрового розчину, %; Лцр-температур; цукрового розчину, °С; 0цр- витрата цукрового розчину, м3/год.; ^ -температура очистки, °С; -тривал1сть очистки, хв.; ирл-^рл - температур: ¡инертного розчину перед вущовщшми хромагограф1чними колонами, °С; ^ р-витрата швертного розчину, м3/год. Основш координати стану та вихщш зм1нн пщсистем: 8Г - сгупшь пдрол!зу, %; Ь^в. - р1вень в зб^рнику гщкшзату, м ЕФ0Ч. - ефект очистки, %; ЕФоб. - ефект обезбарвлення, %; - р1вень к емноот очистки, м; Вф. - питомий вюад фруктози, %; Чфр- чистоте фрукгозного розчину, %; СРфр- вмкт сухих речовин вихщних продуктов хроматограф^чних колон, %; Ьззб. - ревень в зб!рнику фрукгозного розчину, м. Основш збурення пщсистем: Кк.сл - яюсть катюнообм1НШ1 смоли КУ-2-4(в Н+-формО; Ккл-1 - яюсть катюнообмшшл смоли КУ-2-4(в Са+-форм1); ка.,. -юлыасть активованого вугшля, кг.

Пдрол1з та хроматограф^чне роздиення здшснюють фронтальним способом в юнообмгнних колонах, заповнених катюнообмшними смолами. Особлив1стю хроматограф1чного роздшення е те, що в процеа' елюювання на вихода з колони постшно змшюсться конценграшя сухих речовин та влнст глюкози та фруктози. При режим! роботи, близькому до безперервного, використовуються чотири юнообмшш колони, яю з'еднаш послщовно. Система колон працюе в двох режимах, яю змшюють один одного, це - рециркулящя розчину в колонах та вщб1'р продуктових фракцш з одночасною подачею вихшюго розчину в одну 3 колон.

В результат! процесу пдрол1зу необхщно отримати швертний розчин з ступеней гщрол^зу 97-100%. В результат очистки необхщно забезпечигги ефект очистки 75-80%. В результат хроматограф1чного роздшення потр1бно забезпечити питомий вшад фруктози 85-95%, при заданих обмеженнях на чистоту фруктози та вм1ст сухих речовин виxiднoгo розчину.

Анашз технолопчного комплексу показав, що вш складаеться а значноГ юлькосп' процес1в переробки речовини, сукуиносп установок та агрегат, численних емкостей та допомЬкного обладнання, тобто технолопчна схема ТК ВФС мае розподалену структуру. При цьому е як паралельно, так ( послщовно з'еднаш елементи, а також дшьниш з зворотними технолопчними зв'язками. Анализ структурних, технолопчних, параметричних та операторних схем, приведених в роботу показав, що даний технолопчний комплекс е складною системою з рецшешчними зв'язками.

На ос но в 1 проведеного анал1зу та з урахуванням сучасних тенденцш розвитку автоматизаци виробницгва була сформована задача дослцщенв, яка полягае у створенш автоматизованоГ системи управл1'ння ТК ВФС, що забезпечуе узгоджене з позицш обраного критерио оягимальносп функщонування подсистем ТК ВФС 1 може працювати як елемент комп'ютерно-штегровано! системи управления виробницгвом високофруктозних сироте. При цьому тлребують виршення задач! оптилтаци технолопчних параметрш, управлшня перюдичними режимами подсистем та координаци 1х роботи,

Визначено науково техшчш основи шс1 роботи та основнг напрямки дослшженъ. ,

В другому роздш приведет результата експерименталышх дослщжень ГК ВФС, як об'екта автоматизованого управлйшя,. яю дозволили вибрати яайбшьш адекватш модел1 процеЫв, розробити способи автоматизованого ^равл!шм даним тетаолопчним комплексом.

В результата насиченого вшсиоючого експеримешу за планами ГГлакетта-Зермана виявлеш найбшьш суггев1 техлолопчш параметри процеав гщролЬу га хроматограф1чного роздшення: температура цукрового розчшгу перед лдрол1зом, питоме навантаження на гiдpoлiзнi колони, ступшь пдрол1зу, температура швертного розчину, питоме навантаження на хроматограф1'чш солони, чистота фруктозного розчину та ам1ст в ньому сухих речовин.

3 метою врахування негативного впливу на далий об'ект випадкових ;бурень, було визначено 1 проанал1-зовано статистичш характеристики основних м1нних процес1в виробницгва високофруктозних, сирошв. Для цього була фоведена перев1рка реал1защй технолопчних параметр!в виробницгва ВФС, !ка здйснювалась обчислюванням пцльносп розподшення зм!нних процесгв 1 юр1внянням й- з теоретичним нормальним розподаленням. 3 щею метою в :иробничих умовах заводу пекгинопродукпв акцюнерного науково-иробничого товариства «Украйгська нива» були отримаш реал!задй основних мшних процепв виробницгва ВФС, за якими побудовшп пстограми озподшення.

Перев1рку гшотези про нормальшсгь розподалення параметр1в проводили а критерием %2 (ГИрсона), який виражаеться М1рою розходження емЫричних астот розподшення п„ взятих з пстограм, 1 вщповщних 1м теоретичних частот ¡т, як! знайдеш при припущенш, вдо емгаричне розподшення нормальне. 'езультати вказаного пор1вняння дозволили зробити висновок про те, що з

ймсшршстю 95% можна прийняти ппотезу про нормальне розподшення основних змшних нроцеав виробнищгва ВФС.

Були визначеш статистичш характеристики основних параметров процеав виробництва ВФС, так! як: математичне сподшання середньоквадратичие вщхилення - стх, коефвдент асиметрн Ах, ексцесу Ех, вар^аци У а, анало яких показуе, шо ¡з-за збурень 1 недотримання технолопчних параметр1в в заданих-межах ямсш показники процеав ТК ВФС коливаються в значних межах.

Були проведеш дослШження процеав виробнищгва ВФС для визначення ступеню стацюнарносп об'екта управл1ння. Вивчались змши вихщних величин при ф^ксованих значениях ' вх^дних змппшх. Сташонаршсть процес1в виробництва ВФС перевгряли по непараметричному критерио суми квадрата тривалосп серш. Результата переварки показали, що вихццп величини процеав виробницгва ВФС зшнюються в час1 як стащонарш випадков1 процеси при умов1 стабшьност! режимных параметр1в. Разом з тим виявлено, що натривалих пром1жках часу, як1 значно перевшцують тривашсть перехщних процеав, спостер1гаеться нестацюнаршсть зм1нювання основних вихщних величин пщсистем ТК ВФС.

. Статичш характеристики процеав .виробницгва високофруктозних сироп ¡в отримано експериментальним. шляхом в лабораторних умовах. Визначення статичних характеристик проводили активним «класичним» методом. Залежшсть питомого. виходу фруктози вш температури в процеЫ : хроматограф^чного роздшення приведено на рис. 2.

95 -т-

Температура швертного розчнну, 11.р., грая. Ц

-»-1 -о-2 -й-3

Рис. 2 Залежнкть питомого виходу фруктози вщ температури (пигоме навантаження (О , р ): 1- 0,2 м3/(м2*год);

2- 0,4 м3/(м2*год); 3- 0,6 м3/(м2*год)).

Анатз характеристик показав, що вони мають екстремалышй або близький до екстремального характер, причому дрейф екстремушв характеристик потребуе застосування пошукових екстремальних метод1в «жгимвапи.

В роздш приведено пстограми розподшення, автокорелящйш та взаемокоредяшйш функци, статичш характеристики та поверхш вщгуку основних зм1нних ТК ВФС.

ТретШ розди робота присвячений виршешпо задач1 оптимального управл!1ння ТК ВФС.

Аншиз експериментальних дослщжень (роздш 2) показав, що задача управл1ння ТК ВФС на певному часовому иггервал1 може бути зведена до кваз^статично} за рахунок того, що збурення мають пepioд змши, сум1рний з горизонтом управления, а час перехщних процесш суттсво менший пертду оперативного управляя.

Kpигepiш управл1ння ТК ВФС визначено показник eкoнoмiчнocтi, я кий максимально враховуе вЫ сторони ефективносп роботи виробницгва i вщповщае вимоз1 до yпpaвлiння тexнoлoгiчними комплексами за допомогою цекомпозищйних методав. Критерй складаються з прибутюв вщ виходу |)руктози 1 глюкози за зв1тний перюд та виробничих втрат, яю складаються з ^мовно-постшних та змшюваних, яю е ресурсами оттшаци.

Виходячи з вище сказаного, критерМ управлшня ТК ВФС можна (аписати так:

V

ФР_Ф Р- Ф Р- » ц " гл.р. гл.р. п гл.р. »ц

100 ф 100 гл (!)

С пук. * Ц цук. ® К С * Ц К.С. ® а» * Ц а.». ^ Са.СО 3 * Ч Са.СО 3 "О «л. №

де Офр,ОГЛр - вихщя витрати вщповйщо фруктозного розчину, люкозного розчину; Отх - виграта цукру на клерування; СРфР,СРглр вмкт :ухих речовин вщповшю фруктозного та глюкозного розчшпв; 4фр,4глр-мстота вщповщно фруктозного та глюкозного розчшпв; витрата

:аттпообмпшоГ смоли; Оав- витрата акгивованого вугшля; Осасоз- витрата "аС03 на регенерацно; 0!1:1Л - витрата палива на виробницгво; Цф., 11^ , Ц^« ,

1*.с., Да..., Цсасоз, Цшл. ~ ЩНИ, ВЩПОВШЮ, фруКТОЗИ, ГЛЮКОЗИ, Цукру,

катионообм1нно1 смоли, активованого вугшля, СаС03) палива. - "

На ocнoвi критерии оптимгзацн та ана!нзу проведенюс досл1дасень визначено шльов1 фyнкдii тдсистем ТК ВФС, як( зв'язують показники вихщних продуктов шдснстем ТК ВФС та IX основш режимш параметри. При цьому екстремум цшьовоГ функщУ визиачас оптимальний режим роботи вшповщно? шдсистеми.

Цшьовими функщями було визначено: для гшрол1зу - «Максимальний cтyпiнь пдрол1'зу», для очистки - «Максимальний ефект очистки», для хроматограф1чного роздшення - «Максимальний питомий вихш фруктози».

Математично цшьов! функшУ пщсистем ТК ВФС можна представити так:

де ,и2 ,и3 - виповщно обласп управлшь шдсистем пдролпу, очистки та хроматограф1чного роздшення.

Обмеження задач1 оптимального управлшня в даному випадку можна представити у вш ляд) }^вностей на параметри стану шдсистем:

Для реал1зашУ задач управл1'ння ТК ВФС отримано комплекс квазютатичних математичних моделей на основ1 методу найменших квадрат. Для цього використовувався експериментадьний материал, отриманий в результат! пасивного експерименту, проведеного в виробничих умовах заводу пектинопродукпв акщонерного науково-виробничого товариства «Украшська нива». Огримаш модел1 вщображають залежносп вихшних змтних пщсистем вщ основних технолопчних параметр ¡в:

^гь. шах > , СРцр ),

и1

ЕФОТ= шах ЕФОТ точ),

(2)

Вф. - щах ®ф. № р > С, р),

(3)

Бг = -29.61 + 2.15*^ -8.26*0 цр. - 1.93*СРцр., ЕФ0Ч = 18.43 + 0.03*Го„.- 1.09Ч, - ОЛб*^*^., Вф =-0.027*12,р + 1.48*1,р.+ 75.22- 15.04*0, Р>0.33П,Р "в,

.2

оч.

'..р.

Четвертий розд1п присвячено розробщ алгортлпчного та програмного абезпечення системи автоматизованого. управл1ння ТК ВФС. Здшснена ;екомпозищя загалыго/ задач1 управл!ння з урахуванням умов коректносп ¡дзадач управления (»снування, единосп та cтiйкocтi решения), '¿х сумкносп та згодженосп, спйкосп рлнень до похибок.

На основ4 системного анашу ТК ВФС як об'скта управлншя, показнишв роцесу його функщ'онування та тexнoлoriчниx вимог до системи автоматизацн изначено загальну задачу упршшння, яка включае пiдзaдaчi:

- оптим1заш1 технолопчних параметргв пщсистем;

- управлшня перюдичними режимами робота пщсистем;

- координацн роботи пщсистем. ,,

При формалЬацп задач1 управления будемо вважати, що ТК ВФС кладаеться з пщсистем, кожна з яких характеризусться векторами стану Х„ их1дних змшних Уь збурень управлшь У;. Пщзадачею утфавлншя вдсистемою Р| на часовому ¡нтервши I < I < I + Ь € пронес пошуку управдшня 1,(0, яке забезпечуе оптимум показннка функцшнування ф, гадсистеми Р,:

1 + Ь

II = /я(ВД,ВД,1)Л->орь (5)

ри в1дповщних обмеженнях, яю враховують взаемод1ю пщсистем та дiaпaзoни ар1ювання зм^нних.

Проведений анализ метод ¡в оптимёзацп показав, що крана результата при птюпзаш пщсистем ТК ВФС дае градеентний метод з обмеженнями. !щншення шдзадач! оптимпацн технолопчних режим1в подсистем ТК ВФС дшснювалось в вщповщносп з функшями мети.

Задача координацн, як було показано вшце, полягас у визначенш таких «шок змгатх взаемодш пщсистем, як1 забезпечують не тшьки огггимпащю юботи кожно1 з них, а а ТК в цшому.

тах _ = (6)

Умова (6) виконусгься при ¡снуючих обмеженнях типу (3) та. ¡нших, що ¡раховують умови узгодження змшних взаемоди пщсистем та визначають /бласт! допустимих значець технолопчних параметр!'в. В даному випадку мшними взаемоди с значения ртшв в нром!Ж1ШХ зб1рниках та витрати

цукрового та швертного розчишв. Задача координацп' полягае у забезпеченш безперервносп технолопчного потоку. Дана задача викликана тим, що процеси гщрол1зу i хроиатографёчного роздшення проходять з р!зним питомим навангаженням, а процес очистки е перюдичним. Як допом!жна, була поставлена i вирнпена пщзадача розрахунку оптимальних значень обЧмев нашвпродуюпв в промЬкних зб^рниках.

На основ1 визначених пщзадач розроблено алгортшчне та програмне забезпечення системи автоматизованого управлшня ТК ВФС, яке включае алгоритм оптимального управлшня шдсистем ТК ВФС, алгоритм управлшня перюдичними режимами ТК ВФС, алгоритм координацп роботи шдсистем та спещально розроблене програмне забезпечення (все представлено в роботт).

В п'ятому роздш проведена розробка комп'ютерно-штегроважн системи автоматизованого управл1ння (К1СУ) виробництвом високофруктозних сиротв.

Розроблено м!кропроцесорну автоматизовану систему управлшня ТК ВФС (МАСУ ТК ВФС). МАСУ ТК ВФС е комп'ютершмнгегрованою системою, побудованою на 6a3i програмно-тсхшчного комплексу, який складаегься з мкропроцесорного контролера (МПК) Modicon TSX Micro-3722 та персонально'! ЕОМ. Проведено Biiöip техшчних засоб1в МАСУ ТК ВФС. Структурна схема системи автоматизованого управлшня ТК ВФС приведена на рис. 3.

Розроблено також функшональну структуру та проведений BHÖip техшчних засоб1в та програмного забезпечення К1СУ виробництва високофруктозних cuponiB. Для розроблено! системи характерною е штегращя функщй оргашзацшно-екожмчного та оперативного управлшня на основ! TpboxpiBneBOi' оргашзацп мереж. Проведено Buoip техшчних 3aco6iB та програмного забезпечення К1СУ виробництва високофруктозних сиротв. Технична структура, що реамзуе способи управл1ння пшсистемами даного виробництва (omramauii технолопчних параметр ¿в, управлшня перюдичними та безперервкими режимами шдсистем, координацп), розроблена на основ! мнсропроцесорних контролер1в фipми «Schneider» (перший ревень), об'енаних мережею Fipway, робочих станцщ оператор1в-технолопв (другий pieeHb) та головних спешал!ст1в (третш pieeHb) об'еднаних в мереж! Ethernet. Ця структура (приведена в po6oTi) задовольняе перспективам розвитку комп'ютерно-штегрованог системи управлшня виробництвом високофруктозних сиротв.

ПЕОМ

Оптимизация технолог1чнихпараметр!в

Вщображення технолопчних параметр!В

Дистаншйне управл!ння

Ведения ¡сгори процеав

Ьггерфейсний зв'язок

1нтерфейсний зв'язок

мпк

Регулювання режимних параметр!в

ПРОГРАМА УПРАВЛ1ННЯ

Управлпшя перюдичними режимами

Координащя роботи пщсистем

твое

ЦА1Т, ЦДЛ

Модут зв'язку з об'ектом

АЦП, ДЦП

и

12

ТК ВФС

X

Рис. 3 Структура системи автоматизованого управлшня ТК ВФС.

ОСНОВН1ВИСНОВКИ ТА РЕЗУЛЬТАТИ

1. В результат системного анализу технолопчний комплекс виробшщтва зисокофруктозних сиротв (ТК ВФС) визначено як складну Х1М1ко-технолопчну систему, шо складасться з трьох взаемозв'язаних пщсистем - пдролйу, очистки га хроматограф1чного роздшення, кожна з яких прапюе в1'дповщно в 5езперервному, перюдичному та нaпiвбeзпepepвнoмy режимах, при цьому процеси гщрол1зу та хроматограф!чного роздшення проходять з р1зним навантаженням. Визначено, що для кожно! з пщсистем необх!дно виршувати задача оптгошацн технолопчних параметров, управл1ння перюдичними режимами роботи та координаци роботи пщсистем.

2. Проведен! теоретичш та експериментальш дослщженш npouecie виробництва високофруктозшк сиротв дозволили визначити найбщып важлшп технолопчш параметри даних nponecia. Anani3 статичних характеристик основних зм^нних npouecie ТК ВФС показав, що вони мають екстремальний або блюький до екстрёмального характер, причому дрейф екстремум!в характеристик потребус застосування пошукових екстремальних метод ¡в оптишзацн.

3. Отримано критерй оптнмпаци ТК ВФС та його щдсистем, яю вшображають технко-економ1чш аспекта функщонування ТК ВФС в цшому та даказники нашвпродузспв кожшн його тдсистеми. Критерии управлшня ТК ВФС визначено показник екожмчносп, цшьовими функщями гадсистем було визначено: для пдрол^зу - «Максимальний стушнь пдрол1зу», для очистки -«Максимальней ефекг очистки», для хроматограф1чного роздшення -«Максимальний гштомий вихщ фруктози».

4. В результат! експериментальних дослцркень. об'екта буди OTpHMaHi математичш модел1 гадсистем ТК ВФС, що вщображають вплив основних режимних параметр на цшьов! функци гадсистем: 8г=Г(1Цр.,Оцр,СРад/), ЕФОТ= flto, д.«.), Вф= f(tip,Gip).

5. Для практичного використання запропонованк математичш модел! гадсистем ТК ФВС, алгоритми управления перюдичними режимами та координацн робота щдсистем ТК ВФС, вщповщне программе забезпечення.

6. Розроблено систему автоматизованого управлшня ТК ВФС, яка вирииуе задач! оттизацн та координацй робота гадсистем га управлшня перюдичними режимами ТК ВФС, а також узгоджена з функцюнальною структурою комп'ютерно-штегровано1 системи управлшня виробництвом високофрукгозних сирошв. Система базуеться на основ! м^кропроцесорних ко1ггролер!в Modicon TSX Micro та ПЕОМ, що об'едааш в мepeжi Fipway та Ethernet. Розрахунковий термш окупноси системи автоматизованого управл!ння ТК ВФС складае 2.17 роки, коефдиент економ!чно1 ефективносп' - 0.46.

7. OcHOBHi результата робота перев1рено за допомогою ьм1тац!йного моделювання та у виробничих умовах. Проведет дослщження дозволили визначити способи автоматичного контролю чйстоти фруктозного розчину та yIфaвлiння процесом хроматограф1чного роздшення, новизна яких тдтверджена отриманими патентами.

Основний змют дисертацп викладено в опублжованих роботах:

1. Коспок 1.В., Ладашок А.П., Танащук Л.1. Автоматизоване управления гехнолопчним комплексом хроматографёчного роздшення сум11ш глюкози та фруктози//Харчова та переробна промисловкть.- 1997,-N7.-026-28.

2. Костюк 1.В., Ладанюк А.П., Танащук Л.1., Кабальсысий Г.В. Моделювання та оптимёзащя управления технолопчним комплексом виробництва високофруктозних сиротв. // Автоматизацёя виробничих процеав. - 1999,-№2. •

3. Танащук Л.1., 1вчук Н.П., Костюк 1.В. Перспектива розвитку та технолога виробництва легкозасвоюваних цукропродуктёв в Украёнё.// Харчова та переробна промислошсть.- 1996.- N6.-с.27-29.

4. Костюк 1.В., Ладашок А.П., Танащук Л.1. Система автоматичного управления хроматограф1чним роздёленням пдролёзованое сахарози на фруктозу ё глюкозу.// - Патент на винахёд N 22902А.

5. Танащук Л.1., Гулий 1.С., Бобрёвник Л.Д., 1вчук Н.П., Карпович М.С., Костюк 1.В. Спосёб одержання глюкозио-фруктозних сиропёв.// Патент на винахёд №21978.

6. Танащук Л.1., Гулий 1.С., Костюк 1.В. Спосёб одержання високофруктозного сиропу.// Позитивке рёшення на видачу патенту на винахщ. Вихёдний номер 10984 вёд 17.04. 1998р.

7. Костюк 1.В., Танащук Л.1., Ладанюк А.П. Розробка технологи виробництва та системи автоматнзованого управлёння процесом виробництва високофруктозних сиротв.// К.: Деп. в ДНТБ Украёни, №433-У197, 1997.

8. Костюк 1.В., Ладанюк А.П. Оптимальне управления процесом хроматографёчного роздшення сумёшё глюкози та фруктози// Розробка та впровадження прогресивних технолопй та обладнання в харчову та переробну промисловёсть: Тези Всеукраёнськоё науково-технёчноё конференцёё. -К.: УДУХТ,1995.-с.416.

9. Костюк. 1.В., Ладанюк А.П., Авдеенко В.В. Автоматизоване управлёння технолопчним комплексом виробництва високофруктозних сиротв з цукровмёсноё сировини.//Розроблення та впровадження прогресивних ресурсоощадних технолопй та обладнання в харчову та переробну промисловёсть: Тези Мёжнародное науково-технёчноё конференцёё. -К.: УДУХТ, 1997.-c.138.

10. Костюк 1.В., Авдеенко В.В. Управлёння перёодичними режимами робота технолопчного комплексу виробшшгва високофруктозних сиропёв.// -Тези Мёжнародное науково-технёчноё конференцёё -К.: УДУХТ, 1999.

П. Танащук Л.1., Гулий 1С., 1вчук Н.П., Карпович М.С., Костюк I.B., Гнатенко A.M. Cnoci6 виробницгва високофруктозного та глкжозно-фруктозного сиротв.// Тези Всеукрашськоо нау ково-техшчно1 конференци. -Кшв. УДУХТ,- 1995.-с.72.

Костюк I.B. Автоматгооване управлигая техиолопчним комплексом виробницгва високофрукгозних сирошв. - Рукопис.

Дисертац1я на здобутгя наукового ступеня кандидата техшчних наук за спешальшстю 05.13.07 - автоматизация технолопчних процеав. - Украшський державний ушверситет харчових технолопй, Кшв, 2000. .

Дисерташо присвячено питаниям розробки методов та способов управлншя техиолопчним комплексом виробницгва високофруктозних сирошв. Розроблена структура системи управления на ochobi пщзадач оттпзацп технолопчних параметр1в, управлшня першдичними режимами, координацп роботи подсистем. Отримано комплекс квазктатичних математичних моделей необх1Дно'1 T04H0CTi придатних для оперативного управлишя. Розроблеш алгоритми опттшацп технолопчинх параметров, управл1ння перюдичними режимами, координацп роботи пщсистем на баз! ефективних критерпв оптимизаций Розроблена система е розподшеною мкропроцесорною системою управл1ння побудованою на осшш контролеров та ПЕОМ, об'еднаних в мереж! для створення комп'ютерночнтегрованого виробництва.

Ключов1 слова: технолопчний комплекс, математичне моделювання, оптим[зац1Я параметров, координация, автоматизоване управло'ння.,.

Kostyuk I.V. Automatized control over technological complex of high-fhictose sugar juice production. - Manuscript.

Dissertation for a candidate degree of technical science by speciality 05.13.07 -automatisation of technological processes. - Ukrainian State University of food technologies, Kyiv, 2000.

The dissertation is devoted to working out methods and ways of the control over technological complex of high-fructose sugar juices production: The structure of controlling system has been developed on the base of subtasks to optimize technological parameters, control over periodical regimes, and subsystems work coordination. The complex of quasi-static mathematical models of necessary accuracy that are appropriate for operative control has been obtained. The algorithms for optimization of technological parameters, control over periodical regimes, subsystems work coordination have been developed on the base of effective criteria of optimization. The worked out system is distributed micro-processing system of control built on the base of controllers, and

ntegrated into a network for creating computer-integrated production.

Key words: technological complex, mathematical modeling, optimization of jarameters, coordination, automatized control.

Костгок I.B. Автоматизированное управление технологическим сомплексом производства высокофруктозных сиропов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по ;пециальности 05.13.07 -. автоматизация технологических процессов. -Украинский государственный университет пищевых технологий, Киев, 2000.

Диссертация посвящена вопросам разработки методов и способов /правления технологическим комплексом производства высокофруктозных ;иропов (ТК ПВС), а также системы автоматизированного управления данным ГК.

ТК ПВС, с точки зрения задач управления, отличается многомерностью, заличием отдельных стадий переработки сырья и полупродуктов, )пределенными связями между стадиями. ТК ПВС состоит из трех основных зроцессов: гидролиза сахарного раствора, очистки гидролизата и сроматографического разделения инвертного раствора на глюкозу и фруктозу. Г точки зрения задач управления ТК ПВС относится к сложным химико-технологическим системам, характеризуется большой размерности векторами соординат состояний, выходных параметров и возмущений.

При создании системы управления определены такие три паимосвязанные задачи: оптимизация технологических параметров, отравление периодическими режимами подсистем, координация работы юдсистем ТК ПВС.

Для решения поставленных задач были проведены экспериментальные ^следования ТК ПВС, в частности статистические исследования. Результаты соторьгх показали, что выходные величины процессов изменяются во времени сак стационарные случайные процессы, при условии стабильности режимных гараметров. Вместе с тем, на длительных промежутках времени наблюдается «стационарность изменения основных выходных величин. Определены ггатические характеристики процессов. Анализ характеристик показал, что они шеют экстремальный или близкий к экстремальному характер, при этом дрейф жстремумов характеристик требует использования поисковых экстремальных методов оптимизации.

Анализ результатов исследований показал, что задача управления ТК ТВ С на определенном интервале может быть сведена к квазистатической. Критерием управления ГК ПВС выбрано показатель экономичности, который

максимально учитывает все стороны эффективности работы производства и отвечает требованию к управлению при помощи декомпозиционных методов. Были определены критерии оптимальности для ТК ПВС и его подсистем при решении задач оптимизации. Определены также ограничения задачи оптимизации в виде неравенств на параметры состояния подсистем.

Для реализации задач управления ТК ПВС получен комплекс квазистатистических математических моделей на основе результатов , пассивного эксперимента и метода наименьших квадратов. Математические .модели представляют собой зависимости качест венных показателей выходных продуктов подсистем ТК ПВС от основных технологических параметров.

Проведенный анализ методов оптимизации показал, что лучшие результаты при оптимизации подсистем ТК ПВС дает градиентный метод с ограничениями, с использованием которого решались задачи оптимизации, на основе полученных моделей и в соответствии с выбранными критериями и ограничениями.

Задача координации в данном случае заключается в обеспечении беспрерывности технологического потока, что связанно с тем, что процессы гидролиза и хроматографического разделения проходят при разной нагрузке, а процесс очистки является периодическим.

На основе выделенных задач разработано алгоритмическое и программное обеспечение системы автоматизированного управления ТК ПВС, которое включает алгоритм оптимального управления подсистем ТК ПВС, алгоритм управления периодическими режимами ТК ПВС, алгоритм координации работы подсистем и специально разработанное программное обеспечение.

Разработана микропроцессорная автоматизированная система управления ТК ПВС, которая базируется на использовании микропроцессорного контроллера TSX Micro фирмы Schneider. Разработана также структура компьютерно-интегрированной системы управления производством высокофрукозных сиропов, которая состоит из микропроцессорных контроллеров и ПЭВМ объединенных в сети для создания компьютерно-интегрированного производства.

Ключевые слова: технологический комплекс, математическое моделирование, оптимизация технологических параметров, координация, автоматизированное управление.