Автоматизированное управление процессом производства хлебного кваса

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ПРОИЗВОДСТВА ХЛЕБНОГО КВАСА

Специальность 05.13.06 - «Автоматизация и управление

технологическими процессами и производствами (промышленность)»

Морозов Виталий Олегович

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 Россельхозакадемии (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 В.С., Бирюкова В.В., Гордеева Л.С., Лапшенкова Г.И., Лубенцова В.Ф., Матвеева В.Е., Меньшутиной Н.В., Уткина В.И., Цирлина А.М., Шубладзе А.М., 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 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; 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 автоматизи-рованных 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 заседаниях 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:

C₆H₁₂O₆ = 2CO₂ + 2C₂H₅OH +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.

Рисунок 1 - Изменение температуры и давления в процессе 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.

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:

(2)

где Х₁ - изменение давления (фактор 1), атм; Х₂ - изменение температуры (фактор 2), °С; Х₃ - 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 Т₁ +T₂ 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; автоматизация квас кожухотрубный теплообменник

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 =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 органолептических (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 DirectLogic DL205; на верхнем уровне используется SCADA-система MasterSCADA RT. Весь ход технологического процесса фиксируется SCADA-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 SCADA-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 «Информационные 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. Матирный // 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.

Размещено на Allbest.ru