Автоматизация производства пива

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ  ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра информационных технологий

 

 

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине:

 «Автоматизация типовых технологических процессов и производств»

На тему: «Автоматизация производства пива»

 

Выполнил:

ст.гр. АИСУ-09-4

Ким Е.С.

Проверил:

Еренчинов К.К.

 

 

 

 

 

 

Алматы 2012г.

Содержание.

 

Введение…………………………………………………………………..3стр

1. Автоматизация процесса производства пива

 с заданными параметрами…………………………………………..4стр                                             

2. Технологическая схема производства пива ………………………11стр
3. Описание объекта автоматизации (пастеризация)………………...12стр 

3.1. Структурная схема взаимосвязей между технологическими параметрами объекта..………………………………………………13стр

3.2. Математическая модель объекта регулирования …………….14стр

Заключение ……………………………………………………………..16стр

Список использованной литературы…………………………………..17стр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Автоматизация управления пивоваренными  предприятиями испытывает бум спроса и предложений. Обязательным условием высокого и стабильного качества пива является постоянное и точное соблюдение параметров технологических процессов на всех этапах приготовления. В большинстве случаев выполнить это условие достаточно сложно ввиду наличия либо устаревшего оборудования, либо отсутствия высококвалифицированных специалистов. Одним из основных решений в обеспечении указанных условий является включение в процесс производства пива автоматической системы управления и контроля технологического процесса (АСУ ТП), что позволяет с оптимальной производительностью, высокой точностью и стабильностью соблюдать технологию приготовления пива на всех этапах.

Технология производства пива - это длительный процесс, который  состоит из ряда последовательно  состоящих операций, из которых можно  выделить следующие стадии: производство солода из ячменя, приготовление пивного  сусла, охлаждение пивного сусла, брожение пивного сусла, дображивание и выдержка пива, фильтрация и розлив готового пива.

В курсовой  работе будет  представлена принципиально новая схема управления биотехнологическим процессом пивоварения на базе усовершенствования принципа сетевого «нейронного управления», включающего введение в структуру нейрона контура обратной связи. Предлагаемый принцип управления позволяет последовательно приближать качество полупродукта, поэтапно обеспечивая его приближение к параметрам качества конечного продукта, заданным моделью. Так же автоматизация процесса пивоварения будет представлена одним из этапов-пастеризация.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Автоматизация процесса производства пива с заданными параметрами.

Автоматизация же самого технологического процесса находится на стадии разрозненных разработок, относящихся к отдельным  этапам. При этом в стороне остаются вопросы автоматизации биотехнологических процессов с происходящими в  них ферментативными и биохимическими преобразованиями пивоваренного сырья  в полупродукт и конечный продукт. Практически автоматизация пивоваренного  производства в настоящее время  сведена к двум крайним решениям: тотальная децентрализация с  автоматизированными рабочими местами  на каждом технологическом этапе  или централизованное управление состоянием оборудования.

Поставлена задача поиска оптимального решения автоматизации  процесса пивоварения, ориентированного на производство безопасного конечного  продукта.

Используя методы структурного анализа и функционального моделирования (IDEF0), создана функционально-логическая модель процесса пивоварения. На рисунке 1 представлена контекстная диаграмма  основного бизнес процесса жизненного цикла пивоварения. Причиной создания модели (целью) послужила необходимость  структурирования основных этапов процесса (функций) производства пива, влияющих на формирование качества и безопасность пива.

Анализируя взаимосвязи  входов, выходов и других структурных  элементов модели, сделан вывод, что  ключевым и первоочередным элементом  решения накопившихся проблем пивоварения  является проблема главного управляющего воздействия отсутствие стандарта  качества и безопасности пива как  пищевого продукта.

Следуя логике созданной  модели как основы автоматизации  процесса пивоварения и используя  достижения смежных наук, создана  математическая модель компонентов  пива как пищевого продукта. Высветилась  главная проблема: реальное отсутствие в мировой практике гибкого технологического процесса, способного обеспечить производство пива с заданными вкусо-ароматическими свойствами и пониженными токсикологическими характеристиками. Логика научного поиска, отраженная на рисунке 2, привела к  необходимости использовать рекомендации HACCP (Hazard Analysis and Critical Control Point: русскоязычный эквивалент – «АРКККТ» – анализ рисков и концепция критической контрольной точки) для выявления критических точек технологии производства пива с целью их устранения. При этом сделан основной упор не столько на решении технологических проблем, сколько на возможности создания автоматизированного мониторинга качества промежуточного продукта в ходе его биотехнологических превращений из сырья в полупродукт и готовое пиво.

Создание гибкого технологического процесса пивоварения невозможно без автоматизации каждого его этапа. При этом оказалось невозможным применение существующих методов автоматизации управления процессами в связи с тем, что существующий технологический мониторинг не предусматривает мониторинга качества полупродукта. Априорно считается, что, контролируя процесс по состоянию оборудования, можно получить удовлетворительное качество конечного продукта. Моделируя процесс, мы убедились, что, даже обладая совершенным формализованным стандартом выхода системы (стандартом качества конечного продукта), невозможно использовать для автоматизации процесса пивоварения существующие интеллектуальные нейронные сети из-за отсутствия у них своевременной обратной связи. Выявление нестандартного конечного продукта как «внутризаводского брака» на конечном этапе практически невозможно технологически исправить.

Поставленная техническая задача управления качеством полупродукта решалась нами следующим образом (рисунок 3). Данные фактических показаний контрольно-измерительных приборов каждого значимого показателя качества объекта управления (ОУ), например пивного сусла, в режиме онлайн мониторинга поступают как информационные входные сигналы (φt;φс; φc) в блок сравнения процессора и сопоставляются с заданными моделью значениями параметров: ε(τ) = y(τ) –yзад(τ) . При установлении различий заданных и фактических значений процессор подает управляющее воздействие U(τ) на соответствующий исполнительный механизм, которое будет продолжаться до тех пор, пока не установится заданное равенство.

В биологическом объекте этот процесс называется гомеостазисом, а в технических устройствах – механизмом обратной связи. Для реализации принципа обратной связи по достижению заданного качества разработаны критерии качества полупродукта, которые следует соблюдать на основных технологических этапах пивоварения, а также стандарт качества и безопасности готового продукта как основного выхода функции.

Принципиальным отличием предлагаемой системы управления является тот факт, что объектом регулирования является не только технологическое оборудование с мониторингом технического состояния и возмущающих воздействий d(t) в виде «человеческого фактора», но в основном мониторинг качества полупродукта в процессе его биотехнологического превращения из сырья в конечный продукт.

Предлагаемой структуре формального нейрона этот механизм носит универсальный характер для управления любым технологическим процессом. Удалось разработать оригинальную двухуровневую структуру ИНС ТП на основе новой разработанной нами концепции формального нейрона, обладающего обратной связью на нижнем уровне автоматизированного управления (рисунок 4).

Представленная модель ИНС  может быть использована для управления любым производственным процессом (ТП) при условии существования стандарта качества конечного продукта (O1– выхода ТП), стандарта качества входного сырья (I1) и управляющего воздействия (С1) в виде технического производственного регламента. При этом управление ТП следует производить на основе мониторинга качества объекта управления (ОУ – поэтапное превращение сырья в полупродукт и конечный продукт), используя регулирование по отклонению от заданных моделями сравнения диапазонов значений каждого из значимых параметров ОУ (min_max), путем применения корректирующих технологических воздействий, устраняющих возникшее возмущение (dt) по принципу обратной связи с отрицательным направлением воздействия. Разработанная схема управления процессом на основе соблюдения параметров качества объекта включает наличие второго иерархического уровня управления (регулирования), носящего функции контроля, архивирования и визуализации процесса с возможностью блокировки технологического процесса, если выявляется сбой в системе автономного саморегулирования в пределах каждого отдельного технологического этапа.

По существующим принципам  организации автоматизированного  управления технологическим процессом включение человека в систему управления нежелательно, так как приводит к формированию сложной вероятностной биокибернетичекой системы, взаимосвязанной с простыми детерминированными машинами.

Это крайне ненадежно из-за так называемого «человеческого фактора». В разработанной системе участие технолога-оператора предусмотрено только при наличии сбоев параметров работы технологического оборудования, при возникновении сигнала о необходимости проведения корректирующих мероприятий по устранению «исправимого брака» (для подтверждения правомочности решений «первичного нейрона»).

При этом управление каждым технологическим этапом производится микропроцессором автоматизированно без участия оператора по принципу устранения возмущающего отклонения от заданных параметров модели качества.

Проработка схем автоматизированного  управления отдельными этапами показала возможность технологической оптимизации процессов. Получены три патента на способы получения пива с повышенными целебными свойствами и способы приготовления сусла. Семь из разработанных технических решений оформлены как заявки на предполагаемые изобретения или полезные модели.

Существующие классификации искусственных нейронных сетей (ИНС) различают не столько по структуре аппаратных составляющих, сколько по их адекватности различным направлениям науки. Например, А.И. Галушкин выделяет пять основных направлений развития ИНС: математика (математическая статистика), математическая логика (теория автоматов), теория управления, вычислительная математика (информатика) и вычислительная техника (аппаратная реализация).

При характеристике «в общем виде» разработанная нами ИНС относится к «теории управления» и представляет собой искусственную нейронную сеть, в которой каждый формальный нейрон нижнего уровня управляет отдельным этапом технологического процесса (конкретной установкой) по принципу «управление по отклонению» от заданных параметров модели качества полупродукта. При этом верхний уровень управления процессом – центральный нейрон ИНС – получает информацию только о внештатных отклонениях технологического процесса на любом из этапов, требующую централизованного вмешательства дежурного персонала. Все остальные регуляторы (управляющие, корректирующие или регулирующие мероприятия) объекта регулирования (качество полупродукта) осуществляются автоматически региональным ФН на принципах мониторинга и обратной связи. Этот новый принцип управления в ИНС классифицируется как управление по «системе стабилизации»,предназначенной для поддержания заданного значения системной переменной (выхода системы) на определенном уровне независимо от действующих на систему возмущений.

В соответствии с классификацией систем автоматизированного управления с переменными параметрами разработанная нами система относится к категории интеллектуальных нейронных сетей. В основу системы положена теория функциональных систем, использующих простейшую системную приспособительную реакцию живого организма взамен моделирования структур мозга или систем искусственного разума.

Отклонения фактических параметров качества полупродукта (каждого конкретного параметра по заданной программе) от заданных моделью сравнения устраняются управляющим микропроцессором с применением корректирующих устройств по принципу отрицательной обратной связи, аналогичной гомеостазису в реальном биологическом объекте; при этом при выходе параметров качества полупродукта за диапазон допустимых моделью сравнения значений микропроцессор инициирует тревожный сигнал на второй уровень управления для привлечения внимания дежурного оператора.

2. Технологическая схема производства пива 

 

Рисунок 5.

 

Пиво игристый освежающий напиток, слегка с хмелевым запахом насыщен  диоксидом углерода.

Рисунок 5.Очищенный солод измельчается в вальцовой дробилке 1. (Характерным конструктивным признаком мельницы является то обстоятельство что рабочие органы соприкасаются, в дробилке рабочие органы не соприкасаются. В вальцовой дробилке если вальцы разведены, имеют зазор, машина выполняет роль дробилки, если вальцы сведены то дробилка выполняет роль мельницы. Цель дробления измельчения - получение однородной крупы при сохранении шелухи.) Дробленый материал поступает для взвешивания на весы 2 и в бункер 3, затем на магнитный сепаратор 4 далее очищенный дробленый солод подается в заторный аппарат 5 (цилиндрическая емкость) в заторном аппарате происходит смешивание дробленой массы с водой при температуре 60 С за тем 40% массы перекачивается на первую отварку в заторный аппарат 6 там первоначально масса нагревается до температуры 70 С это температура осахаривания за тем масса доводится до кипения, при кипении крупные частицы развариваются, выделяется белковая масса, после чего раствор перекачивается в заторный аппарат 5 при смешивании растворов температура становится равной 70 С затор оставляют для осахаривания после чего часть раствора возвращают на вторую отварку в аппарат 6 при этом температура равна 80 С далее затор направляется на фильтрацию в аппарат 7 светлая часть раствора называемая суслом перекачивается в сусловарочный аппарат 8, куда добавляется хмель, сусло доводится до кипения, после варки хмельное сусло направляется в хмелеотделитель 9 где лепестки хмеля задерживаются, а раствор перекачивается в сборник горячего сусла 10 сусло далее подается в центробежный тарельчатый сепаратор 11 в котором происходит очистка от взвешенных частиц белка, из сепаратора 11 сусло поступает на охлаждение в теплообменник 12 где оно охлаждается до температуры 6 С, охлажденное сусло сливается в бродильный чан 13 куда добавляются дрожжи из емкости 14, первое брожение протекает при температуре около 10 С в течение 6-8 суток далее молодое пиво очищают от дрожжей и направляют в танк 15 для дображивания в течении 11-90 суток, далее под давлением диоксида углерода из танка 15 пиво подается в сепаратор 16 и в фильтр 17 где освобождается от дрожжей, микроорганизмов и других мелких частиц, отфильтрованное пиво подается в теплообменник 18 при необходимости насыщается диоксидом углерода в карбонизаторе 19 сливается в танк 20 и подается в отделение розлива.

 

3.Описание объекта автоматизации  (пастеризация).

Основной задачей, стоящей  перед предприятиями пищевой  отрасли, является выпуск качественной продукции, соответствующей по физико-химическим, микробиологическим и органолептическим  показателям действующей нормативно-технической  документации.

Предотвращению порчи продуктов, увеличению сроков их хранения способствует своевременная термообработка, при  которой под воздействием высокой  температуры уничтожается болезнетворная микрофлора. Поэтому без таких  процессов, как пастеризация или  стерилизация невозможно ни одно современное  производство.

Пастеризация осуществляется при температурах ниже точки кипения  продукта (от 65 до 95°С).

Технологический процесс пастеризации пивазаключается в том, что 

пиво нагревают до определенной температуры,  выдерживают  определенное  время при этой температуре,  а потом постепенно охлаждают. Дальше,  пиво разливается в стерильные бутылки. 
Чем больше температура, тем меньше времени необходимо  для  уничтожения  микроорганизмов.

На основе этого была принята  величина, которая выражает интенсивность  пастеризации число РЕ.

Под единицей пастеризации понимают биологический эффект от тепловой обработки пива при температуре 60°С  в минуту.            
Формула числа РЕ:

где t–время пастеризации; Т-температура пастеризации;

 

3.1 Структурная схема взаимосвязей между технологическими параметрами объекта

Рисунок 6.Структурная схема связи между технологическими параметрами объекта

(пастеризатора)

Входные величины:

F1 – расход пива;

F2 – расход теплоносителя;

F3 – расход хладагента;

Возмущающие величины: 
- температура пива на входе в пастеризатор; 
- температура пива на входе в охладитель; 
- температура хладагента; 
- температура теплоносителя;

Выходные величины:

РЕ - пастеризационное число;

- температура пива после охлаждения;

Влияние входных величин: 
1) Расход пива. От расхода пива зависит время пребывания пива  в пастеризаторе,  это время  соответственно  влияет  на  РЕ.  При увеличении  затраты время пастеризации уменьшается,что приводит к уменьшению числа пастеризации.

Также расход пива влияет на его температуру на выходе. С увеличением  расхода уменьшается время охлаждения, температура пива на выходе увеличивается.

2)Расход теплоносителя.  Расход влияет на число РЕ, ведь с увеличением расхода  теплоносителя увеличивается температура  пастеризации.

3)Расход хладагента. Расход хладагена прямопропорционален температуре пива на выходе из аппарата.

Влияние возмущающих величин : 
1. Температура пива на входе в пастеризатор. Влияет на число РЕ.  
2. Температура пива на входе в охладитель. Влияет на температуру пива на выходе.  
3.2 Математическая модель объекта регулирования

Математическую  модель объекта регулирования для расчетов оптимальных параметров настройки  регулятора находится в виде передаточной функции. Входной величиной данного объекта регулирования (теплообменника) является затрата хладагента, а исходной – температура пива на выходе из охладителя.

Где к – коэффициент  передачи

На основе аналитических  зависимостей для определения параметров математической модели и зная геометрические размеры объекта, значения технологических  параметров объекта, материальные и  энергетические потоки определим основные параметры математической модели объекта:

Т₁=24 с, Т₂ =12с

Кривая разгона  теплообменника при единичном ступенчатом возмущении имеет вид рисунок 7:

Рисунок 7.Кривая разгона теплообменника при единичном ступенчатом возмущении

При изменении  расхода хладагента температура пива на выходе изменяется и достигает нового устоявшегося значения, так как теплообменник является объектом регулирования с саморегулированием. Закон изменения температуры во времени при нанесении возмущения характеризует динамические свойства объекта. Динамические свойства теплообменника зависят, главным образом, от его конструктивных размеров и расхода потоков.

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Средства измерений играют важную роль при построении современных  автоматических систем регулирования, отдельных технологических параметров и процессов (АСР) и особо автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), которые требуют представления  большого количества необходимой измерительной  информации в форме, удобной для  сбора, дальнейшего преобразования, обработки и представления ее, а в ряде случаев для дистанционной  передачи в выше ниже стоящие уровни иерархической структуры управления различными производствами.

В данной курсовой работе проанализирована система автоматизации производства пива. Представлены технологическая  и структурные схемы производства, принципиально новая схема управления биотехнологическим процессом пивоварения на базе усовершенствования принципа сетевого «нейронного управления», включающего введение в структуру нейрона контура обратной связи. Предлагаемый принцип управления позволяет последовательно приближать качество полупродукта, поэтапно обеспечивая его приближение к параметрам качества конечного продукта, заданным моделью. Сделаны выводы:

• Разработана принципиально новая структура интеллектуальной нейронной сети на базе формального нейрона с отрицательной обратной связью, имитирующего рефлекторную дугу и гомеостазис реального биологического объекта. В основу системы положена теория функциональных систем, использующих простейшую системную приспособительную реакцию живого организма взамен моделирования структур мозга или систем искусственного разума.
• Существующие нейронные сети можно существенно упростить, как структурно или эксплуатационно, так и снять проблемы обучения при использовании структурного элемента «формального нейрона» не как бинарного элемента сортировки входных сигналов, а как нейрона с отрицательной обратной связью, имитирующего рефлекторную дугу и гомеостазис реального биологического объекта.
• Автоматизация управления технологическим процессом производства пива возможна на базе двухуровневой ИНС ТП с обратной связью на уровне формального нейрона нижнего уровня.

Разработанная в ходе курсовой работы схема автоматизации процесса пастеризации и выбранные системы управления техпроцессом предназначены для оптимизации данной стадии производства пива.

Внедрение разработанных  систем автоматизации на конкретном производстве повысит качество выпускаемой  продукции, снизит технологические  потери.

 

 

Список использованной литературы

 

1.Автоматизация производственных  процессов и АСУТП в пищевой  промышленности /Под ред.Л.А.Широкова.-М.,1986.-311с.

2.Кулаков М.В. Технологические  измерения и приборы для химических  производств: Учебник.-М.,1983.-424с.

3.Основы автоматизации  технологических процессов пищевых  производств: Учеб.пособие.-М.,1982.-295с.

4.Полоцкий Л.М., Лапшенков  Г.И. Автоматизация химических  произ-водств: Учеб.пособие.-М.,1982.-295с.

5.Стефани Е.П.Основы построения  АСУТП: Учеб.пособие.-М.,1982.-352с.

6.Автоматизация технологических  процессов пищевых производств  /Под ред. Е.Б.Карпина.-М.,1977.-426с.

7.Автоматизированные системы  управления предприятиями молочной  промышленности /Ю.П.Маркин, Б.В.Семенов,  Н.П.Лакшин и др.-М.,1977.-271с.

8.Автоматические приборы,  регуляторы и вычислительные  системы: Справ.пособие/Под ред.Б.Д.Кошарского.-Л.,1976.-485с.

9.Брусиловский Л.П.,Вайнберг  А.Я., Черняков Ф.С.Автоматизированные  системы управления технологическими  процессами предприятий молочной  промышленности.-М.,1986.-232с.

10.Брусиловский Л.П., Вайнберг  А.Я. Автоматизация технологических  процессов производства молочных  консервов.-М.,1985.-280с.