Автоматизированное управление процессом производства хлебного кваса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Морозов, Виталий Олегович

• Морозов, Виталий Олегович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Морозов, Виталий Олегович

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизированное управление процессом производства хлебного кваса»

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.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Морозов, Виталий Олегович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Морозов, Виталий Олегович, 2009 год

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.