Содержание к диссертации
Введение 6
Анализ технологического процесса производства кваса
1 Анализ состояния пищевой промышленности в области техники и технологии процесса производства кваса
2 Анализ технологических компонентов при производстве кваса
3 Анализ технологического оборудования и уровня автоматизации процессов брожения квасного сусла 19
4 Анализ различных методов контроля готовности кваса, наиболее перспективных с точки зрения автоматизации
5 Особенности производства кваса на ООО «Национальный продукт»
6 Постановка задачи исследования 37
Выводы по главе 1 42
Математическое моделирование процесса брожения
1 Химико-физические свойства процесса брожения 43
2 Теоретическое и экспериментальное обоснование предлагаемой математической модели и анализ значимости параметров модели при параметрической идеитификации
3 Составление математической модели процесса брожения на основании полученных экспериментальных данных
3.1 Рассмотрение возможности применения метода множественного линейного регрессионного анализа для построения модели
3.2 Рассмотрение применимости метода мультипликативной модели для построении модели
3.3 Рассмотрение возможности применения метода Брандона для построения модели
4 Анализ полученной математической модели и
эффективности ее возможного применения в промышленных условиях
Выводы по главе 2
Исследование автоматизированной системы управления процессом производства кваса
1 Получение математической модели теплообменника по подготовке воды для кваса
2 Оптимизация параметров системы стабилизации температуры воды при производстве кваса
2.1 Метод обобщённой линеаризация последовательно включенных нелинейностей
2.2 Расчет параметров автоколебаний в системе стабилизации температуры воды при использовании релейного регулятора
2.3 Расчет оптимальных параметров регулятора в системе стабилизации температуры воды при использовании существующего регулятора
2.4 Особенности реализации цифровых законов управления при использовании сервомоторов постоянной скорости 92
3.3 Расчет оптимальных параметров цифрового регулятора, работающего в комплекте с сервомотором постоянной скорости 97
3.4 Получение передаточной функции приведенной непрерывной части цифровой САУ 100
3.5 Расчет цифровой системы на устойчивость по критерию Джури 102
3.6 Алгоритм функционирования системы управления в автоматическом режиме 106
Выводы по главе 3 109
4 Реализация автоматической системы управления процессом производства кваса 110
4.1 Разработка и исследование системы регулирования заданной температуры затора 110
4.2 Анализ применимости измерительного преобразователя расхода воды 113
4.3 Разработка и исследование измерительной системы задания вязких компонентов - концентрата квасного сусла и сахарного сиропа 116
4.4 Разработка системы измерения основных параметров в бродильно-купажном аппарате 118
4.5 Разработка и исследование системы контроллеров управления и операторского пункта 122
4.6 Структура и состав АСУ ТП 127
4.7 Описание алгоритма работы АСУ ТП 131
Выводы по главе 4 136 Заключение 137
Список использованных источников 139
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 (обязательное) 147
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 (обязательное) 149
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 (обязательное) 150
Введение к работе
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 B.B., 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 матема тическим моделированием и численным определением параметров модели объ екта и алгоритмов идентификации с помощью экспериментальных данных
промышленного процесса производства кваса !
Диссертация выполнена на кафедре автоматизации производственных процессов (АЛЛ) 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 М.Л., Хомутову СИ. за доброжелательность и участие в обсуждении вопросов, возникших в ходе выполнения предлагаемого исследования. 1 Анализ технологического процесса производства кваса
1.1 Анализ состояния пищевой промышленности в области техники и технологии процесса производства кваса
По оценке «Директ-ИНФО», в 2006 г. по России средний коэффициент загрузки мощностей по производству кваса составил около 21 %. Суммарные же производственные мощности по состоянию на октябрь 2007 г. находятся на уровне 135 млн дал, при этом многие компании планируют продолжать наращивать мощности по выпуску кваса [67]. О росте рынка кваса и активной борьбе за этот рынок свидетельствует также тот факт, что компания Coca-Cola планирует запустить в России производство кваса [10]. Квас сегодня становится реальной альтернативой своим конкурентам - безалкогольным напиткам зарубежных производителей. Важнейшим союзником предприятия в вопросе повышения конкурентоспособности должны стать средства автоматизации, позволяющие значительно поднять эффективность управления бизнес-процессами предприятия, добиться значительного снижения себестоимости продукции и, как следствие, рост конкурентоспособности компании [63].
