Автоматизоване управління технологічним комплексом виробництва високофруктозних сиропів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Український державний університет

харчових технологій

На правах рукопису

УДК 681.513.5:547.455.633

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Автоматизоване управління технологічним комплексом

виробництва високофруктозних сиропів

05.13.07 Автоматизація технологічних процесів

Костюк Ігор Вікторович

Київ - 2000

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи

Виробництво високофруктозних сиропів є новим для України. Високофрутозний сироп - це високоякісний рідкий замінник цукру. При вживанні в їжу він має значні переваги перед цукром, знайшов своє застосування при лікуванні захворювань, які супроводжуються порушенням вуглеводного обміну, показаний хворим на цукровий діабет. Вище сказане та стрімкий розвиток виробництва високофруктозних сиропів в світі дає право говорити про перспективність даного виробництва в Україні та необхідність його автоматизації.

Виробництво високофруктозних сиропів з точки зору задач управління відрізняється багатомірністю, стадійністю переробки сировини та напівпродуктів, певними звязками між стадіями. Технологічний комплекс виробництва високофруктозних сиропів (ТК ВФС) складається з трьох основних стадій: гідролізу цукрового розчину, очистки гідролізату та хроматографічного розділення інвертного розчину на глюкозу та фруктозу, і є основою виробництва високофруктозних сиропів. З точки зору задач управління ТК ВФС відноситься до складних хіміко-технологічних систем: характеризується великої розмірності векторами вихідних параметрів, збурень та координат стану. Кожна з стадій ТК ВФС (підсистема) потребує оптимального управління за відповідним критерієм, математичними моделями та обмеженнями. Для забезпечення безперервності роботи ТК ВФС необхідно забезпечення координації роботи підсистем.

Важливим фактором даної роботи є те, що виробництво високофруктозних сиропів з точки зору задач автоматизованого управління в Україні досліджується вперше, вперше розробляється для нього система автоматизованого управління. В той же час практично не існує математичних моделей основних процесів технологічного комплексу, не проводились експериментальні дослідження процесів з точки зору задач автоматизації.

Аналітичний огляд існуючих розробок суміжних галузей промисловості та системний аналіз обєкта управління показали, що існують науково-технічні основи створення системи автоматизованого оптимального управління ТК ВФС.

Таким чином, розробка принципів та методів автоматизованого управління ТК ВФС, розробка системи автоматизованого управління ТК ВФС є актуальною науково-технічною проблемою.

Дисертаційна робота виконується у відповідності з планом науково-дослідних робіт Українського державного університету харчових технологій, зокрема в рамках науково-дослідної роботи “Розробити технологію виробництва високофруктозного сиропу з цукру з використанням хроматографічного методу” на замовлення Комітету харчової промисловості України (реєстраційний номер 181/93).

Метою роботи є створення автоматизованої системи управління технологічним комплексом виробництва високофруктозних сиропів, що базується на основі ефективних критеріїв управління, адекватних математичних моделей, вирішує задачі оптимізації та координації з метою підвищення ефективності виробництва високофруктозних сиропів. ТК ВФС розглядається як складна хіміко-технологічна система, що складається з певних стадій (підсистем), які характеризуються значною кількістю структурних та функціональних відношень. При створенні системи управління визначені такі три взаємоповязані задачі:

- оптимізація технологічних параметрів;

- управління періодичними режимами;

- координація роботи підсистем.

Ці задачі сформовані на основі системного аналізу ТК ВФС та експериментальних досліджень, аналізу робіт з автоматизації в суміжних галузях промисловості та сучасних світових тенденцій створення компютерно-інтегрованих виробництв.

Наукова новизна. При вирішенні поставлених задач одержані нові наукові положення:

- отримано комплекс статичних характеристик процесів гідролізу цукрового розчину, очистки інвертного розчину активованим вугіллям та хроматографічного розділення інвертного розчину на глюкозну і фруктозну фракції та статистичних характеристик основних технологічних змінних цих процесів;

- одержано критерії оптимізації технологічного комплексу та його підсистем;

- отримано комплекс квазістатичних математичних моделей, що характеризують ТК ВФС та його підсистеми, які придатні для використання при вирішенні задач оперативного управління;

розроблено алгоритм управління періодичними режимами роботи підсистем ТК ВФС та алгоритм координації їх роботи;

- розроблено функціональну структуру компютерно-інтегрованої системи управління виробництвом високофруктозних сиропів.

Практичне значення одержаних результатів. За результатами теоретичних та експериментальних досліджень розроблена мікропроцесорна система автоматизованого управління технологічним комплексом виробництва високофруктозних сиропів, як складова частина компютерно-інтегрованого виробництва високофруктозних сиропів. Розроблено технічну структуру компютерно-інтегрованої системи управління виробництвом високофруктозних сиропів. На основі отриманих алгоритмів розроблено програмне забезпечення мікропроцесорної автоматизованої системи управління ТК ВФС. Основні рішення пройшли дослідно-виробничу перевірку на заводі пектинопродуктів АНТВ “Українська нива”.

Результати роботи використовуються в навчальному процесі Українського державного університету харчових технологій кафедри автоматизації та компютерно-інтегрованих технологій та передані для впровадження на завод пектинопродуктів АНВТ “Українська нива” та в Комітет харчової промисловості України, що підтверджено відповідним актом та довідками.

Апробація роботи. Основні результати досліджень доповідались і обговорювались на: наукових конференціях Українського державного університету харчових технологій в 1995-1999рр.; Всеукраїнській науково-технічній конференції "Розробка та впровадження прогресивних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість"- (Київ, 1995р.); Міжнародній науково-технічній конференції "Розроблення та впровадження прогресивних ресурсоощадних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість"- (Київ, 1997р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми та перспективи створення і впровадження нових ресурсо- та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості” - (Київ, 1999р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 11 друкованих праць, в яких викладено основний зміст виконаних досліджень, з них 3 статті в фахових виданнях, 2 патенти на винахід, 1 позитивне рішення на видачу патенту на винахід, 1 стаття депонована в ДНТБ України, 4 тези доповідей на наукових конференціях.

Структура і обєм роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, пяти розділів, списку літератури з 111 найменувань, 5 додатків. Текст викладено на 140 стор., включаючи 28 рисунків, 9 таблиць та 5 додатків.

Основні положення, що виносяться на захист: результати досліджень властивостей ТК ВФС та процесу його функціонування; структура підзадач ієрархічної системи управління; критерії для підзадач оптимізації та координації роботи підсистем; комплекс квазістатичних математичних моделей; алгоритм управління періодичними режимами підсистем ТК ВФС, алгоритм координації їх роботи; функціональна структура мікропроцесорної автоматизованої системи управління ТК ВФС; функціональна структура компютерно-інтегрованої системи управління виробництвом високофруктозних сиропів.

Особистий внесок у розробку наукових результатів. Особисто автором розроблені положення, викладені в розділі автореферату “Основні положення, що виносяться на захист”. В публікаціях у співавторстві особистий внесок автора полягає в наступному: в [1,8] здійснено постановку задачі оптимального управління та розроблено структуру системи автоматизованого управління процесом хроматографічного розділення, в [2] розроблено математичні моделі та здійснено вибір методів оптимізації технологічних параметрів ТК ВФС, в [3] проведено аналіз можливостей використання легкозасвоюваних цукрів в Україні, в [4] вибрано технічні засоби та розроблено структуру системи автоматичного управління хроматографічним розділенням в періодичному режимі, в [5,6,11] проведено обробку результатів експериментальних досліджень, виконано аналіз ТК ВФС, як обєкта управління, в [7,9] розроблені процедури створення системи автоматизованого управління ТК ВФС на основі поставлених задач, отриманих математичних моделей, критеріїв та обмежень, в [10] розроблено алгоритми управління періодичними режимами та координації роботи підсистем ТК ВФС та відповідне програмне забезпечення.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

автоматизоване управління високофруктозний сироп

Вступ. Показана актуальність роботи з точки зору важливості проблеми оперативного оптимального управління ТК ВФС для розвитку виробництва високофруктозних сиропів в Україні; звязок роботи з науковими програмами Українського державного університету харчових технологій. Сформульована мета і задача досліджень. Визначена наукова новизна та практичне значення одержаних результатів.

Перший розділ присвячено аналізу технологічного комплексу виробництва високофруктозних сиропів з точки зору задач автоматизації і постановці задачі досліджень.

При використанні в якості вихідної сировини цукру принципова технологічна схема виробництва високофруктозних сиропів включає такі операції: клерування цукру, гідроліз сахарози, очистку активованим вугіллям, хроматографічне розділення, концентрування розчинів та розлив. Даний технологічний комплекс складається з гідролізу, очистки та хроматографічного розділення.

Виходячи з методології системного аналізу, процес виробництва високофруктозних сиропів визначено як технологічний комплекс, що являє собою складну хіміко-технологічну систему. Дана оцінка ТК ВФС згідно з існуючою класифікацією технологічних комплексів і проведена декомпозиція процесів виробництва високофруктозних сиропів на три підсистеми: гідролізу, очистки та хроматографічного розділення. Показано, що така декомпозиція є найбільш ефективною з точки зору задач керування, оскільки процес гідролізу є безперервним, очистки - періодичним, а хроматографічного розділення - напівбезперервним.

Підсистеми ТК ВФС характеризуються такими основними вхідними змінними: СР_ц.р.- вміст сухих речовин цукрового розчину, %; t_ц.р.-температура цукрового розчину, ^оС; G_ц.р.- витрата цукрового розчину, м³/год.; t_оч. - температура очистки, ^оС; _оч. -тривалість очистки, хв.; t_і.р.1-t_і.р.4 - температура інвертного розчину перед відповідними хроматографічними колонами, ^оС; G_і.р- витрата інвертного розчину, м³/год. Основні координати стану та вихідні змінні підсистем: S_г. - ступінь гідролізу, %; L_1зб. - рівень в збірнику гідролізату, м; EФ_оч. - ефект очистки, %; EФ_об. - ефект обезбарвлення, %; L_оч. - рівень в ємності очистки, м; В_ф. - питомий вихід фруктози, %; Ч_ф.р.- чистота фруктозного розчину, %; СР_ф.р.- вміст сухих речовин вихідних продуктів хроматографічних колон, %; L_3зб. - рівень в збірнику фруктозного розчину, м. Основні збурення підсистем: К_к.с.1 - якість катіонообмінної смоли КУ-2-4(в Н⁺-формі); К_к.с.1 - якість катіонообмінної смоли КУ-2-4(в Са⁺-формі); к_а.в. - кількість активованого вугілля, кг.

Гідроліз та хроматографічне розділення здійснюють фронтальним способом в іонообмінних колонах, заповнених катіонообмінними смолами. Особливістю хроматографічного розділення є те, що в процесі елюювання на виході з колони постійно змінюється концентрація сухих речовин та вміст глюкози та фруктози. При режимі роботи, близькому до безперервного, використовуються чотири іонообмінні колони, які зєднані послідовно. Система колон працює в двох режимах, які змінюють один одного, це - рециркуляція розчину в колонах та відбір продуктових фракцій з одночасною подачею вихідного розчину в одну з колон.

В результаті процесу гідролізу необхідно отримати інвертний розчин з ступенем гідролізу 97-100%. В результаті очистки необхідно забезпечити ефект очистки 75-80%. В результаті хроматографічного розділення потрібно забезпечити питомий вихід фруктози 85-95%, при заданих обмеженнях на чистоту фруктози та вміст сухих речовин вихідного розчину.

Аналіз технологічного комплексу показав, що він складається із значної кількості процесів переробки речовини, сукупності установок та агрегатів, численних ємкостей та допоміжного обладнання, тобто технологічна схема ТК ВФС має розподілену структуру. При цьому є як паралельно, так і послідовно з'єднані елементи, а також дільниці з зворотними технологічними зв'язками. Аналіз структурних, технологічних, параметричних та операторних схем, приведених в роботі, показав, що даний технологічний комплекс є складною системою з рециклічними зв'язками.

На основі проведеного аналізу та з урахуванням сучасних тенденцій розвитку автоматизації виробництва була сформована задача досліджень, яка полягає у створенні автоматизованої системи управління ТК ВФС, що забезпечує узгоджене з позицій обраного критерію оптимальності функціонування підсистем ТК ВФС і може працювати як елемент компютерно-інтегрованої системи управління виробництвом високофруктозних сиропів. При цьому потребують вирішення задачі оптимізації технологічних параметрів, управління періодичними режимами підсистем та координації їх роботи.

Визначено науково-технічні основи цієї роботи та основні напрямки досліджень.

В другому розділі приведені результати експериментальних досліджень ТК ВФС, як обєкта автоматизованого управління, які дозволили вибрати найбільш адекватні моделі процесів, розробити способи автоматизованого управління даним технологічним комплексом.

В результаті насиченого відсіюючого експерименту за планами Плакетта-Бермана виявлені найбільш суттєві технологічні параметри процесів гідролізу та хроматографічного розділення: температура цукрового розчину перед гідролізом, питоме навантаження на гідролізні колони, ступінь гідролізу, температура інвертного розчину, питоме навантаження на хроматографічні колони, чистота фруктозного розчину та вміст в ньому сухих речовин.

З метою врахування негативного впливу на даний обєкт випадкових збурень, було визначено і проаналізовано статистичні характеристики основних змінних процесів виробництва високофруктозних сиропів. Для цього була проведена перевірка реалізацій технологічних параметрів виробництва ВФС, яка здійснювалась обчислюванням щільності розподілення змінних процесів і порівнянням її з теоретичним нормальним розподіленням. З цією метою в виробничих умовах заводу пектинопродуктів акціонерного науково-виробничого товариства “Українська нива” були отримані реалізації основних змінних процесів виробництва ВФС, за якими побудовані гістограми розподілення.

Перевірку гіпотези про нормальність розподілення параметрів проводили за критерієм ² (Пірсона), який виражається мірою розходження емпіричних частот розподілення n_i, взятих з гістограм, і відповідних їм теоретичних частот n_iт., які знайдені при припущенні, що емпіричне розподілення нормальне. Результати вказаного порівняння дозволили зробити висновок про те, що з ймовірністю 95% можна прийняти гіпотезу про нормальне розподілення основних змінних процесів виробництва ВФС.

Були визначені статистичні характеристики основних параметрів процесів виробництва ВФС, такі як: математичне сподівання m_x; середньоквадратичне відхилення _х, коефіцієнт асиметрії А_х, ексцесу Е_х, варіації V, аналіз яких показує, що із-за збурень і недотримання технологічних параметрів в заданих межах якісні показники процесів ТК ВФС коливаються в значних межах.

Були проведені дослідження процесів виробництва ВФС для визначення ступеню стаціонарності обєкта управління. Вивчались зміни вихідних величин при фіксованих значеннях вхідних змінних. Стаціонарність процесів виробництва ВФС перевіряли по непараметричному критерію суми квадратів тривалості серій. Результати перевірки показали, що вихідні величини процесів виробництва ВФС змінюються в часі як стаціонарні випадкові процеси при умові стабільності режимних параметрів. Разом з тим виявлено, що на тривалих проміжках часу, які значно перевищують тривалість перехідних процесів, спостерігається нестаціонарність змінювання основних вихідних величин підсистем ТК ВФС.

Статичні характеристики процесів виробництва високофруктозних сиропів отримано експериментальним шляхом в лабораторних умовах. Визначення статичних характеристик проводили активним “класичним” методом. Залежність питомого виходу фруктози від температури в процесі хроматографічного розділення приведено на рис. 2.

Рис. 2 Залежність питомого виходу фруктози від температури (питоме навантаження (G _і.р. ) : 1- 0,2 м³/(м²*год); 2- 0,4 м³/(м²*год); 3- 0,6 м³/(м²*год)).

Аналіз характеристик показав, що вони мають екстремальний або близький до екстремального характер, причому дрейф екстремумів характеристик потребує застосування пошукових екстремальних методів оптимізації.

В розділі приведено гістограми розподілення, автокореляційні та взаємокореляційні функції, статичні характеристики та поверхні відгуку основних змінних ТК ВФС.

Третій розділ роботи присвячений вирішенню задачі оптимального управління ТК ВФС.

Аналіз експериментальних досліджень (розділ 2) показав, що задача управління ТК ВФС на певному часовому інтервалі може бути зведена до квазістатичної за рахунок того, що збурення мають період зміни, сумірний з горизонтом управління, а час перехідних процесів суттєво менший періоду оперативного управління.

Критерієм управління ТК ВФС визначено показник економічності, який максимально враховує всі сторони ефективності роботи виробництва і відповідає вимозі до управління технологічними комплексами за допомогою декомпозиційних методів. Критерії складаються з прибутків від виходу фруктози і глюкози за звітний період та виробничих втрат, які складаються з умовно-постійних та змінюваних, які є ресурсами оптимізації.

Виходячи з вище сказаного, критерій управління ТК ВФС можна записати так:

де G_ф.р.,G_гл.р. - вихідні витрати відповідно фруктозного розчину, глюкозного розчину; G_цук. - витрата цукру на клерування; СР_ф.р.,СР_гл.р. вміст сухих речовин відповідно фруктозного та глюкозного розчинів; Ч_ф.р.,Ч_гл.р.- чистота відповідно фруктозного та глюкозного розчинів; G_к.с.- витрата катіонообмінної смоли; G_а.в.- витрата активованого вугілля; G_CaCO3- витрата СаСО₃ на регенерацію; G_пал.- витрата палива на виробництво; Ц_ф., Ц_гл., Ц_цук., Ц_к.с., Ц_а.в., Ц_CaCO3, Ц_пал. - ціни, відповідно, фруктози, глюкози, цукру, катионообмінної смоли, активованого вугілля, СаСО₃, палива.

На основі критеріїв оптимізації та аналізу проведених досліджень визначено цільові функції підсистем ТК ВФС, які звязують показники вихідних продуктів підсистем ТК ВФС та їх основні режимні параметри. При цьому екстремум цільової функції визначає оптимальний режим роботи відповідної підсистеми.

Цільовими функціями було визначено: для гідролізу - “Максимальний ступінь гідролізу”, для очистки - “Максимальний ефект очистки”, для хроматографічного розділення - “Максимальний питомий вихід фруктози”.

Математично цільові функції підсистем ТК ВФС можна представити так:

S_гід. = S_гід. (t_ц.р., G_ц.р. , СР_ц.р.),

ЕФ_оч = ЕФ_оч (t_оч, _оч), (2)

В_ф. = В_ф. (t_і.р., G_і.р.),

де U₁ ,U₂ ,U₃ - відповідно області управлінь підсистем гідролізу, очистки та хроматографічного розділення.

Обмеження задачі оптимального управління в даному випадку можна представити у вигляді нерівностей на параметри стану підсистем:

х_ijmin х_ij х_ijmax. (3)

Для реалізації задач управління ТК ВФС отримано комплекс квазістатичних математичних моделей на основі методу найменших квадратів. Для цього використовувався експериментальний матеріал, отриманий в результаті пасивного експерименту, проведеного в виробничих умовах заводу пектинопродуктів акціонерного науково-виробничого товариства “Українська нива”. Отримані моделі відображають залежності вихідних змінних підсистем від основних технологічних параметрів:

S_г. = - 29.61 + 2.15*t_ц.р. - 8.26*G²_ц.р. - 1.93*СР_ц.р.,

EФ_оч. = 18.43 + 0.03*t²_оч. - 1.09*t_оч. - 0.46*_оч.*t_оч. , (4)

В_ф. = - 0.027*t²_і.р. + 1.48*t_і.р. + 75.22 - 15.04*G_і.р. -0.33*t_і.р.*G_і.р.

Четвертий розділ присвячено розробці алгоритмічного та програмного забезпечення системи автоматизованого управління ТК ВФС. Здійснена декомпозиція загальної задачі управління з урахуванням умов коректності підзадач управління (існування, єдиності та стійкості рішення), їх сумісності та узгодженості, стійкості рішень до похибок.

На основі системного аналізу ТК ВФС як обєкта управління, показників процесу його функціонування та технологічних вимог до системи автоматизації визначено загальну задачу управління, яка включає підзадачі:

- оптимізації технологічних параметрів підсистем;

- управління періодичними режимами роботи підсистем;

- координації роботи підсистем.

При формалізації задачі управління будемо вважати, що ТК ВФС складається з підсистем, кожна з яких характеризується векторами стану Х_і, вихідних змінних Y_і, збурень Z_і, управлінь U_і. Підзадачею управління підсистемою Р_і на часовому інтервалі є процес пошуку управління U_і(t), яке забезпечує оптимум показника функціонування _і підсистеми Р_і:

, (5)

при відповідних обмеженнях, які враховують взаємодію підсистем та діапазони варіювання змінних.

Проведений аналіз методів оптимізації показав, що кращі результати при оптимізації підсистем ТК ВФС дає градієнтний метод з обмеженнями. Вирішення підзадачі оптимізації технологічних режимів підсистем ТК ВФС здійснювалось в відповідності з функціями мети.

Задача координації, як було показано вище, полягає у визначенні таких оцінок змінних взаємодій підсистем, які забезпечують не тільки оптимізацію роботи кожної з них, а й ТК в цілому .

(6)

Умова (6) виконується при існуючих обмеженнях типу (3) та інших, що враховують умови узгодження змінних взаємодії підсистем та визначають області допустимих значень технологічних параметрів. В даному випадку змінними взаємодії є значення рівнів в проміжних збірниках та витрати цукрового та інвертного розчинів. Задача координації полягає у забезпеченні безперервності технологічного потоку. Дана задача викликана тим, що процеси гідролізу і хроматографічного розділення проходять з різним питомим навантаженням, а процес очистки є періодичним. Як допоміжна, була поставлена і вирішена підзадача розрахунку оптимальних значень обємів напівпродуктів в проміжних збірниках.

На основі визначених підзадач розроблено алгоритмічне та програмне забезпечення системи автоматизованого управління ТК ВФС, яке включає алгоритм оптимального управління підсистем ТК ВФС, алгоритм управління періодичними режимами ТК ВФС, алгоритм координації роботи підсистем та спеціально розроблене програмне забезпечення (все представлено в роботі).

В пятому розділі проведена розробка компютерно-інтегрованої системи автоматизованого управління (КІСУ) виробництвом високофруктозних сиропів.

Розроблено мікропроцесорну автоматизовану систему управління ТК ВФС (МАСУ ТК ВФС). МАСУ ТК ВФС є компютерно-інтегрованою системою, побудованою на базі програмно-технічного комплексу, який складається з мікропроцесорного контролера (МПК) Мodicon TSX Micro-3722 та персональної ЕОМ. Проведено вибір технічних засобів МАСУ ТК ВФС. Структурна схема системи автоматизованого управління ТК ВФС приведена на рис. 3.

Розроблено також функціональну структуру та проведений вибір технічних засобів та програмного забезпечення КІСУ виробництва високофруктозних сиропів. Для розробленої системи характерною є інтеграція функцій організаційно-економічного та оперативного управління на основі трьохрівневої організації мереж. Проведено вибір технічних засобів та програмного забезпечення КІСУ виробництва високофруктозних сиропів. Технічна структура, що реалізує способи управління підсистемами даного виробництва (оптимізації технологічних параметрів, управління періодичними та безперервними режимами підсистем, координації), розроблена на основі мікропроцесорних контролерів фірми “Schneider” (перший рівень), обєнаних мережею Fipway, робочих станцій операторів-технологів (другий рівень) та головних спеціалістів (третій рівень) обєднаних в мережі Ethernet. Ця структура (приведена в роботі) задовольняє перспективам розвитку компютерно-інтегрованої системи управління виробництвом високофруктозних сиропів.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ТА РЕЗУЛЬТАТИ

1. В результаті системного аналізу технологічний комплекс виробництва високофруктозних сиропів (ТК ВФС) визначено як складну хіміко-технологічну систему, що складається з трьох взаємозвязаних підсистем - гідролізу, очистки та хроматографічного розділення, кожна з яких працює відповідно в безперервному, періодичному та напівбезперервному режимах, при цьому процеси гідролізу та хроматографічного розділення проходять з різним навантаженням. Визначено, що для кожної з підсистем необхідно вирішувати задачі: оптимізації технологічних параметрів, управління періодичними режимами роботи та координації роботи підсистем.

2. Проведені теоретичні та експериментальні дослідження процесів виробництва високофруктозних сиропів дозволили визначити найбільш важливі технологічні параметри даних процесів. Аналіз статичних характеристик основних змінних процесів ТК ВФС показав, що вони мають екстремальний або близький до екстремального характер, причому дрейф екстремумів характеристик потребує застосування пошукових екстремальних методів оптимізації.

3. Отримано критерії оптимізації ТК ВФС та його підсистем, які відображають техніко-економічні аспекти функціонування ТК ВФС в цілому та показники напівпродуктів кожної його підсистеми. Критерієм управління ТК ВФС визначено показник економічності, цільовими функціями підсистем було визначено: для гідролізу - “Максимальний ступінь гідролізу”, для очистки - “Максимальний ефект очистки”, для хроматографічного розділення - “Максимальний питомий вихід фруктози”.

4. В результаті експериментальних досліджень обєкта були отримані математичні моделі підсистем ТК ВФС, що відображають вплив основних режимних параметрів на цільові функції підсистем: S_г=f(t_ц.р.,G_ц.р.,СР_ц.р.), EФ_оч.= f(t_оч.,_оч.), В_ф.= f(t_і.р.,G_і.р.).

5. Для практичного використання запропоновані: математичні моделі підсистем ТК ФВС, алгоритми управління періодичними режимами та координації роботи підсистем ТК ВФС, відповідне програмне забезпечення.

6. Розроблено систему автоматизованого управління ТК ВФС, яка вирішує задачі оптимізації та координації роботи підсистем та управління періодичними режимами ТК ВФС, а також узгоджена з функціональною структурою компютерно-інтегрованої системи управління виробництвом високофруктозних сиропів. Система базується на основі мікропроцесорних контролерів Мodicon TSX Micro та ПЕОМ, що обєднані в мережі Fipway та Ethernet. Розрахунковий термін окупності системи автоматизованого управління ТК ВФС складає 2.17 роки, коефіцієнт економічної ефективності - 0.46.

7. Основні результати роботи перевірено за допомогою імітаційного моделювання та у виробничих умовах. Проведені дослідження дозволили визначити способи автоматичного контролю чистоти фруктозного розчину та управління процесом хроматографічного розділення, новизна яких підтверджена отриманими патентами.

Основний зміст дисертації викладено в опублікованих роботах

1. Костюк І.В., Ладанюк А.П., Танащук Л.І. Автоматизоване управління технологічним комплексом хроматографічного розділення суміші глюкози та фруктози // Харчова та переробна промисловість.- 1997.- N7.-с26-28.

2. Костюк І.В., Ладанюк А.П., Танащук Л.І., Кабальський Г.В. Моделювання та оптимізація управління технологічним комплексом виробництва високофруктозних сиропів. // Автоматизація виробничих процесів. - 1999.- № 2.

3. Танащук Л.І., Івчук Н.П., Костюк І.В. Перспектива розвитку та технологія виробництва легкозасвоюваних цукропродуктів в Україні.// Харчова та переробна промисловість.- 1996.- N6.-с.27-29.

4. Костюк І.В., Ладанюк А.П., Танащук Л.І. Система автоматичного управління хроматографічним розділенням гідролізованої сахарози на фруктозу і глюкозу.// - Патент на винахід N 22902А.

5. Танащук Л.І., Гулий І.С., Бобрівник Л.Д., Івчук Н.П., Карпович М.С., Костюк І.В. Спосіб одержання глюкозно-фруктозних сиропів.// Патент на винахід № 21978.

6. Танащук Л.І., Гулий І.С., Костюк І.В. Спосіб одержання високофруктозного сиропу.// Позитивне рішення на видачу патенту на винахід. Вихідний номер 10984 від 17.04. 1998р.

7. Костюк І.В., Танащук Л.І., Ладанюк А.П. Розробка технології виробництва та системи автоматизованого управління процесом виробництва високофруктозних сиропів.// К.: Деп. в ДНТБ України, №433-Уі97, 1997.

8. Костюк І.В., Ладанюк А.П. Оптимальне управління процесом хроматографічного розділення суміші глюкози та фруктози// Розробка та впровадження прогресивних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість: Тези Всеукраїнської науково-технічної конференції. -К.: УДУХТ,1995.-с.416.

9. Костюк І.В., Ладанюк А.П., Авдєєнко В.В. Автоматизоване управління технологічним комплексом виробництва високофруктозних сиропів з цукровмісної сировини.//Розроблення та впровадження прогресивних ресурсоощадних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість: Тези Міжнародної науково-технічної конференції. -К.: УДУХТ, 1997.-с.138.

10. Костюк І.В., Авдєєнко В.В. Управління періодичними режимами роботи технологічного комплексу виробництва високофруктозних сиропів.// - Тези Міжнародної науково-технічної конференції -К.: УДУХТ, 1999.

11. Танащук Л.І., Гулий І.С., Івчук Н.П., Карпович М.С., Костюк І.В., Гнатенко А.М. Спосіб виробництва високофруктозного та глюкозно-фруктозного сиропів.// Тези Всеукраїнської науково-технічної конференції. - Київ. УДУХТ.- 1995. -с.72.

12. Костюк І.В. Автоматизоване управління технологічним комплексом виробництва високофруктозних сиропів. - Рукопис.

13. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - автоматизація технологічних процесів. - Український державний університет харчових технологій, Київ, 2000.

АНОТАЦІЯ

Дисертацію присвячено питанням розробки методів та способів управління технологічним комплексом виробництва високофруктозних сиропів. Розроблена структура системи управління на основі підзадач оптимізації технологічних параметрів, управління періодичними режимами, координації роботи підсистем. Отримано комплекс квазістатичних математичних моделей необхідної точності придатних для оперативного управління. Розроблені алгоритми оптимізації технологічних параметрів, управління періодичними режимами, координації роботи підсистем на базі ефективних критеріїв оптимізації. Розроблена система є розподіленою мікропроцесорною системою управління побудованою на основі контролерів та ПЕОМ, обєднаних в мережі для створення компютерно-інтегрованого виробництва.

Ключові слова: технологічний комплекс, математичне моделювання, оптимізація параметрів, координація, автоматизоване управління.

ANNOTATION

Kostyuk I.V. Automatized control over technological complex of high-fructose 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 integrated into a network for creating computer-integrated production.

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

Аннотация

Костюк И.В. Автоматизированное управление технологическим комплексом производства высокофруктозных сиропов. - Рукопись.

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

Диссертация посвящена вопросам разработки методов и способов управления технологическим комплексом производства высокофруктозных сиропов (ТК ПВС), а также системы автоматизированного управления данным ТК.

ТК ПВС, с точки зрения задач управления, отличается многомерностью, наличием отдельных стадий переработки сырья и полупродуктов, определенными связями между стадиями. ТК ПВС состоит из трех основных процессов: гидролиза сахарного раствора, очистки гидролизата и хроматографического разделения инвертного раствора на глюкозу и фруктозу. С точки зрения задач управления ТК ПВС относится к сложным химико-технологическим системам, характеризуется большой размерности векторами координат состояний, выходных параметров и возмущений.

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

Для решения поставленных задач были проведены экспериментальные исследования ТК ПВС, в частности статистические исследования. Результаты которых показали, что выходные величины процессов изменяются во времени как стационарные случайные процессы, при условии стабильности режимных параметров. Вместе с тем, на длительных промежутках времени наблюдается нестационарность изменения основных выходных величин. Определены статические характеристики процессов. Анализ характеристик показал, что они имеют экстремальный или близкий к экстремальному характер, при этом дрейф экстремумов характеристик требует использования поисковых экстремальных методов оптимизации.

Анализ результатов исследований показал, что задача управления ТК ПВС на определенном интервале может быть сведена к квазистатической. Критерием управления ТК 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 качественных 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.

Размещено на Allbest