автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка информационно-измерительной системы контроля качественных показателей для завода первичного виноделия

г

(О

ОД

На правах рукописи

ХАЗИАФЕРОВ Виктор Анатольеви'

РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДЛЯ ЗАВОДА

ПЕРВИЧНОГО ВИНОДЕЛИЯ

05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств

• АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар 1996

- г -

Работа выполнена в Кубанском государственном технологическом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

М. П. Асмаев.

Официальные оппоненты: доктор технический наук

В. И. Ефименко. кандидат технических наук Е.П. Дешук.

Ведущая организация: АО "Кубаньвинпром".

Защита диссертации состоится 25 июня 1996 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета К. 063.40.06 Кубанского государственного технологического университета (350072, г.Краснодар, ул. - Красная, 135. ауд. .80).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета. •

Автореферат разослан мая 1996 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 350072, г.Краснодар, ул. Московская, 2, КубГТУ, ученому секретарю.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т. н., доцент

В. И. Лойко

_______ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Большинство предприятий, перерабатывающих скоропортящуюся продукцию, ориентированы на технологические операции по приданию сырью определенных качественных характеристик, позволяющих увеличить время его хранения в виде продуктов первичной переработки. Оперативность технологических операций, необходимая для избежания потерь скоропортящегося сырья при первичной переработке, обуславливает логичность применения для управления подобными процессами средств АСУ различной степени интеграции.

Бурное развитие вычислительной техники позволяет реализовать сложнейшие управляющие алгоритмы оптимального выбора направлений переработки и экономического прогнозирования производства в различных перерабатывающих областях. Однако эффективное использование подобных средств автоматизированного управления невозможно без оперативной и точной информации о качественных показателях сырья и продуктов переработки. До настоящего времени большинство качественных оценок проводится несовершенными лабораторными методами. обладающими Слабой оперативностью и не исключающими субъективных ошибок. Наблюдается дисбаланс в развитии"управляющих технических средств АСУ, и технических средств преобразования и передачи данных с уровня технологии в систему управления.

Цель исследования. Целью настоящей работы является синтез информационно-измерительной системы автоматизированного контроля сахаристости винограда и величины остаточного сахара при брожении виноматериала. -

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- разработка графовой информационной модели для- обоснования важнейших качественных показателей необходимых для управления процессом переработки виноградного сырья;

- разработка методики декомпозиции функциональных элементов информационной структуры с целью минимизации информационных связей;

- проведение экспериментальных исследований приемного отделения винзавода с целью оценки необходимой погрешности и быстро-

•

действия контроля сахаристости винограда;

- выбор и градуировка автоматического рефрактометра по виноградному суслу, а также оценка факторов влияющих на точность его работы;

- разработка технических средств для реализации замера сахаристости винограда и преобразования этих данных к виду, удобному для использования в АСУ на базе вычислительной техники;

- исследование процесса алкогольного брожения, с целью оценки значимости величины остаточного сахара при управлении бродильными аппаратами непрерывного действия;

- разработка технических средств контроля величины остаточного сахара при брожении виноматериала.

Методы исследования. Поставленные в работе задачи решались с применением теории графов,.методов математической статистики, методов теории масссового обслуживания. Достоверность научных положений подтверждена результатами промышленных испытаний.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: ■ -

~ получена информационная графовая модель процесса переработки виноградного сырья, на основании которой выбран и обоснован наиболее информативный параметр, определяющий эффективность производства;

- предложена методика упрощения информационной графовой модели процесса переработки винограда путем декомпозиции бе на отдельные функционально-связные подграфы с целью минимизации информационных связей;

- проведено обоснование необходимости "повышения точности измерения сахаристости винограда, рассмотрены пути уменьшения погрешности измерений;

- исследована пропускная способность приемного отделения винзавода при использовании различных методов оценки сахаристости винограда, на основании чего предложена методика рефрактометрического контроля .-сахаристости сусла в потоке и система автоматизированного контроля сахаристости для реализации различных задач управления;

- на основании проведенных экспериментальных и теоретических

исследований получены градуировочные и метрологические характе- -ристики используемых средств контроля;------------------

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- проведен анализ конструктивных особеностей различных рефрактометров с позиции применимости для решения задач виноделия, на основании которого, выбран и обоснован тип используемой приборной реализации;

- на основании проведенных экспериментальных исследований в реальных условиях функционирования предприятия разработано устройство для контроля степени сбраживания виноматериала в бродильных батареях, характеризующееся существенной простотой и эффективностью действия. Наличие подобного устройства позволяет корректировать программу управления процессом брожения по основному качественному показателю, что позволяет существенно снизить потери по данной технологической операции.

Реализация работы. Результаты работы реализованы в системе автоматического контроля сахара в сусле и остаточного сахара в виноматериале прошедшей производственные испытания на винзаводе "Южный" п. Тамань, Краснодарского края.

На защиту выносится:

- информационная графовая модель переработки виноградного сырья;

- методика обоснования и выбора информативных параметров для эффективного контроля винодельческого производства;

- методика определения сахаристости винограда измерением,оптической плотности сусла в потоке;

- индикатор окончания процесса брожения.

Апробация работа. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на краевой научной конференции молодых ученых "Современные проблемы экологии" (Краснодар. 8-10 июня 1994 г.), на международной научно-технической конференции "Автоматизация биотехнических систем в условиях рыночной экономики и конверсии" (Москва, 3-7 октября 1994 г.), на международной конференции " Прогрессивные технологии и техника в пищевой промышленности"

• - 6 -

-------- ъ

(Краснодар. 19-21 сентября 1994 г.). на научных семинарах и заседаниях кафедры автоматизации производственных процессов КубГТУ.

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 6 печатных работ.

Структура*и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, содержащего 92 наименования, деух приложений, изложена на 120 страницах машинописного текста, включая 21 рисунок, 1 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, кратко изложены теоретические и практические результаты работы, представлена их научная новизна и практическая значимость, сформулированы основные положения выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ процесса переработки винограда, выявлены основные показатели, необходимые для решения задач управления. Рассмотрены существующие методы оценки сахаристости винограда. Сделан анализ их применимости для автоматического контроля содержания Сахаров.в виноградном сырье. Рассмотрены причины помешавшие внедрению автоматических рефрактометров в виноделии. Проведен анализ недостатков автоматических пробоотборников винограда, многократные испытания которых в 70-е годы так и не увенчались выпуском серийной модели.

Рассмотрены схемы управления процессом алкогольного брожения. Проанализированы возможные потери от несвоевременной оценки величины остаточного сахара на выходе бродильного аппарата.

Во второй главе обоснована структура разрабатываемой измерительно-информационной системы. Для этих целей рассмотрена общая характеристика информационных потоков, сопровождающих процесс переработки виноградного сырья. Определены блоки данных, формируемых на каждом технологическом этапе процесса переработки.

На базе анализа производственной деятельности винзавода выявлена четкая последовательность технологических этапов, что поз-

волило представить процесс переработки в виде ориентированного— мультиграфа: _ - - — ____________ __________С = ( V, Е. Г) . (1)

где V - множество вершин (технологических этапов), Е - множество связей

Г - инцидентор графа, определяющий направление и соответствие связей Е.

Управление процессом переработки виноградного сырья осуществляется на базе рассмотренных блоков данных, посредством выработки управляющих решений для каждого технологического этапа. Принятые управляющие решения и необходимые для этого данные представляют собой множество документированных информационных потоков:

* - 12.... 1„; Ф,, Ф2.... Фт } , (2)

где I); 12, 1П - подмножество информационных потоков, фг- фш ~ подмножество управляющих воздействий.

■а

В общем случае система управления выполняет некоторую функцию:

Ф - Р (I) (3)

преобразующую вектор входных информационных потоков (I) в вектор выходных потоков (Ф). При этом входные информационные потоки составляет информация поступающая от объекта управления и характеризующая состояние его компонент, а выходные информация отображающая управляющие воздействия. Для идентификации связности и сопод-чиненности управляющих и информационных потоков в системе, проводится ее декомпозиция на подсистемы определяющие частные функции управления.

На базе анализа информационных блоков, журналов ведения технологических операций формализованы взаимосвязи измеряемых технологических параметров и управляющих воздействий, на основании чего построен информационный граф процесса переработки виноградного сырья (рис.1).

Полный граф процесса переработки винограда

11,12,14

11,12,14

Ф12

Управляющие решения: - I

Ф} - номер линии переработки;

Ф2 - расчет с поставщиком;

Ф3 - номер емкости отстоя;

Ф4 - количество БО ;

Ф5 - конец сульфитации;

Ф6 - конец осветления;

Ф, - решение о подсахаривании;

Фв - контроль подсахаривания;

Ф9 - доводка по кислотности;.

Ф10 - режим брожения;

Фп - подготовка ЧКД;

Ф1г - контроль процесса брожения.

гформационные данные:

- сахаристость; 1г - сорт;

13 - кислотность;

14 т масса сырья;

15 - поставщик;

16 - самотек/пресс;

17 - микробиологический контроль

1а - конечная сахаристость; 19 - конечная кислотность; 110 - температура брожения; 1и - остаточный сахар.

Вершины графа образуются из формализованной,на уровне доку-' ментов части -декомпозиции ^функции управления. Ориентированные ребра графа представляют собой потоки документированной информа- ' ции. Соответствие ребер вершинам задается трехместными предикатами Г в виде соответсвувдих матриц смежности:

Г - в - I Уи 1пхп , (4)

где п - количество вершин графа.

и13 - количество ребер соединяющих 1-ю и 3-ю вершины (количество показателей).

Задача синтеза структуры функциональных подсистем сводятся к распределению функциональных элементов по группам, каждая из которых образуется вокруг частной цели управления, то есть к разрезанию графа функциональной структуры на подграфы Сгк. Индексное число "к" определяется множеством частных функций управления.

Критерием оптимальности распределения элементов по подсистемам (разрезания графа С на подграфы служит минимум информационных связей между подсистемами

Шк. I = 1йщ • (5)

При этом в качестве ограничений выступает отсутствие циклов между подсистемами.

Наибольший, эффект дают итерационные методы разрезания, сводящиеся к улучшению критерия оптимальности предыдущего варианта разрезания графа путем перестановки одной или группы вершин между подграфами. При этом начальный вариант разрезания выбирается случайным образом. Локальный минимум итерационного метода определяется как неулучшение критерия оптимальности от перестановки любой из ключевых вершин любого подграфа, данного варианта разрезания в любой другой подграф.

Анализ графовой модели после минимизации информационных связей позволяет сделать вывод, что важнейшими качественными параметрами для организации и планирования процесса переработки ви-

ноградного сырья являются сахаристость исходного сырья и остаточный сахар при брожении виноматериала.

Приведены результаты экспериментальных исследований доказывающие слабую представительность пробы винограда для оценки всей партии поставляемой одним транспортным средством. Расхождения в результатах замера по контрольной пробе и. среднего сахара после суслоотделения составляют в среднем до 1,2% массовых, при точности применяемого ареометрического метода ± 0,36%. Показано, что такая точность оценки основного качественного показателя сырья в начале сезона переработки может привести к материальным издержкам. Для уменьшения погрешности рассмотрены методы троекратной выборки и контроль сахаристости винограда после суслоотделения.

Рассматривая приемное отделение винзавода, как объект массового обслуживания, проведены расчеты пропускной способности сырьевых поставок при использовании указанных выше методов контроля сахаристости винограда. При использовании метода контроля содержания Сахаров после суслоотделения вероятность прохождения без очереди и среднее время ожидания обслуживания равны: Р33 = 0,45 л

I.)

(5)

Т33 = 25,1 МИН.

Для случая троекратного отбора пробы эти же параметры принимают другие значения:

?гг = 0,25 Т22 = 33 мин.

) . (6)

Таким образом, метод контроля сахаристости виноградного сырья после суслоотделения имеет преимущества с "точки зрения повышения пропускной способности приемного отделения винзавода.

На основании изложенного выше предложена структура системы сбора информации при приемке сырья на заводе первичного виноделия. Система состоит из канала передачи параметров о массе сырья, поставщике, сорте винограда, и канала передачи данных о сахаристости сусла из дробильного отделения. Показано, что снятие показаний с десяти линий переработки винограда можно уверенно обеспечить в последовательном мультиплексном режиме.

-11 - ' •

В третьей главе рассмотрены особенности рефрактометричесого метода контроля за концентрацией растворов. Обосновано использованиерефрактометров -работающихпо принципу измерения угла полного внутреннего отражения от границы раздела сред: измерительная призма - контролируемый ратвор.

Проведен анализ существующих моделей рефрактометров с точки зрения их применимости для задач виноделия. Критерий сравнения включает в себя экономические и эксплуатационные качества. На основании чего сделан выбор автоматического рефрактометра А1-ЕР0 производства московского НПО "МИР".

Рассмотрены вопросы градуировки рефрактометрического датчика для оценки сахаристости сула различных сортов винограда. Полученные на основании экспериментальных данных градуировочные характеристики приведены на рис. 2. Они оказались различными для белых и темных сортов винограда, что объясняется разницой в содержании растворенных несахаров. Проведена оценка изменения абсолютной погрешности прибора для новых градуировочных характеристик. Показано, что абсолютная погрешность не превышает погрешности применяемого в настоящее время ареометрическиго метода.

Приведены результаты экспериментальных исследований загряз-няемости измерительной призмы в процессе эксплуатации, и как следствие увеличение погрешности измерений. Сделан вывод о перео-дичности профилактических работ.

Для разделения винограда по поставщикам предложен алгоритм переработки сырья в дробильном отделении с откачкой сусла после каждого транспортного средства (рис.3). Расчитана высота установки датчиков уроня суслосборника с точки зрения минимального влияния остатка предыдущего сырья на сахаристость последующей партии.

Приведены разработанные принципиальные схемы устройств для преобразования выходного токового сигнала рефрактометра в цифровой код и цифровой индикации сахаристоти по месту.

В четвертой главе проведен анализ причин влияющих на точность оценки остаточного сахара при брожении. Показано, что всвя-зи с многокомпонентностыо бродящего виноматериала. оценка остаточного сахара по его плотности (оптической плотности) не высока, но удовлетворяет существующим требовайиям технологии. Тем не менее. применяемый при эксплуатации непрерывных бродильных аппаратов ручной периодический контроль, не. исключает возможных потерь связанных с-откачкой недобродившего виноматериала.

Градуировочные характеристики рефрактометра по виноградному суслу

1 - для винограда белых сортов

2 - для винограда темных сортов

Блок-схема алгоритма операции суслоотделения

Предложен метод непрерывного отслеживания пороговой величины остаточного сахара путем автоматизации применяемого ареометричес-кого контроля. Для этих целей разработано специализированное устройство - индикатор окончания процесса брожения. Разработанный прибор состоит из измерительной ячейки и пробоотборного устройства (рис.4). Пробоотборное устройство использует принцип пневмонасоса "монтежю", что позволило исключить из конструкции механически подвижные элементы. Проведен расчет рабочего давления "монтежю" на основании которого, реализована схема управления на базе стандартных пневматических и электронных элементов.

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

В приложениях приведен акт производственных испытаний, техническое описание и инструкция по эксплуатации на индикатор окончания процесса брожения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Исследование винзавода как объекта информационного обслуживания позволяет выделить в качестве характерного свойства" информационных потоков, связь последовательности и периодичности всплесков интенсивности информационных циклов с особенностями технологических процессов переработки винограда.

2. На основании изучения структуры и характера функциональных связей завода первичного виноделия имеется возможность декомпозиции системы управления процессом переработки виноградного сырья на отдельные функциональные элементы, выполняющие частные функции управления.

3. Разработанная модель информационной структуры винзавода в виде графов и матриц смежности, позволила решить задачу синтеза функциональных подсистем и выделения главных информационных элементов.

4. Анализ графовой модели процесса переработки винограда показывает, что данные входного контроля качественных показателей сырья участвуют в организации и планировании всего перерабатывающего комплекса.

5. Оценка информативной значимости показателей качества ис-

Измерительная ячейка

1 - успокоительная емкость

2 - измерительная емкость

3 - датчик положения ареометра

4 - промывочный вентиль

=о Пробоотборное устройство

Воздух В измерительную

ходного сырья, анализ полученной графовой модели процесса переработки винограда, выявляют необходимость повышения точности измерения сахаристости, особенно в первые две недели сезона переработки.

6. Решения задачи оптимизации информационных связей предложено проводить на основе метода разрезания графов и снижения размерности графовой модели.

7. Анализ существующих методов контроля сахаристости виноградного сусла показал недостаточную точность оценки этого параметра за счет слабой представительности пробы и возможности субъективного вмешательства в процесс измерения.

8. Методика повышения представительности пробы за счет увеличения количества выборок приводит к дополнительным временным затратам и уступает по времени методу оценки сахаристости после суслоотделения.

9. Экспериментальные исследования подтвердили эффективность использования автоматических рефрактометров А1-ЕР0 для нужд винодельческой промышленности.

10. Для избежания материальных потерь связанных с откачкой в винохранилище недобродившего виноматериала, контроль остаточного •сахара при брожении должен осуществляться непрерывно.

11. Использование индикатора остаточного сахара в существующей схеме автоматического регулирования позволяет увеличить производительность бродильных аппаратов в условиях нестабильности качественных показателей поступающего сырья.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Хазнаферов В. А. Комплекс средсв контроля качественных показателей для винодельческого производства. Краев, науч. конф. молод, ученых "Современные проблемы экологии": Тез. докл.- Краснодар, 1994. - с. 20.

2. Хазнаферов В.А. Разработка индикатора окончания процесса брожения. Международн: научно-техн. конф. "Автоматизация биотехнических систем в условиях рыночной экономики и конверсии": Тез. докл.- М., 1994.- с.

3. Хазнаферов В. А. Схема управления процессом брожения виноградного сусла. Международн. научн. конф. "Прогрессивные технологии и техника в пищевой промышленности": Тез. докл.- Краснодар,

- 17 -

1994--: С. 154 - 155. - ~'

4. Асмаев М.П., Хазнаферов В.А. Датчик контроля лстаточного сахара при брожении виноматериала// Технические средства и системы автоматического контроля: Сб. науч. тр.// Кубан. гос. технол. ун-т. - Краснодар, 1994. - с. 4 - 8.

5. Асмаев М.П., Хазнаферов В. А. Экспериментальные исследования возможности применения рефрактометрических методов • виноделии// Автоматизированное управление и контроль технологических процессов: Сб. науч. тр.// Кубан. гос. технол. ун-т,- Краснодар, 1995.- с. 4 - 8.

6. Асмаев М.П., Хазнаферов В.А. Структура информационных связей винзавода// Автоматизированное системы управления и средства автоматизации в пищевой промышленности: Сб. науч. тр.// Кубан. гос. технол. ун-т. - Краснодар, 1996.- с. 4-8.