Внутрилабораторный контроль качества измерений с применением IT-технологий

ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ

УДК 663.5

Внутрилабораторный контроль качества измерений

с применением it-технологий

Н.В. Шелехова, д-р техн. наук; В.А. Поляков, д-р техн. наук, профессор, академик РАН; Е.М. Серба, д-р биол. наук, профессор РАН; Т.М. Шелехова, канд. техн. наук; Н.В. Полтавская

ВНИИ пищевой биотехнологии - филиал ФИЦ питания, биотехнологии и безопасности пищи, Москва

Комплексный контроль технологических процессов производства этилового спирта из пищевого сырья и спиртных напитков, приготовленных на его основе, предусматривает мониторинг химического состава полупродуктов, образующихся на каждой стадии технологического процесса, с использованием современных инструментальных методов анализа и информационных технологий для сбора, хранения и анализа информации, проведения расчетов и оформления отчетов [1-3]. Поэтому для производителей алкогольной продукции несомненный интерес представляет контроль качества результатов измерений, обеспечивающий их достоверность, что является одним из основных элементов системы управления. Предметом лабораторной квалиметрии является теоретическое и практическое обоснование надежности аналитических методик, оценка достоверности результатов измерений с применением методов математической статистики.

Статистические методы контроля точности, стабильности и управления процессами нашли широкое применение в испытательных производственных лабораториях. Известно, что чем статистически стабильнее процесс, тем выше его качество [4].

Мощный инструмент статистического контроля стабильности технологических процессов производства -построение контрольных карт Шу-харта (ККШ) на основании оперативных данных. Однако оперативное построение контрольных карт Шухарта вручную - весьма трудоемкая задача

[5, 6].

одним из способов автоматизации испытательных производственных лабораторий является разработка специализированных программных

комплексов, предназначенных для получения, буферизации и анализа экспериментальной информации, реализации процесса метрологической обработки больших массивов результатов измерений [7, 8].

Повышение скорости и точности расчетов, возможность быстрого обмена информацией, сокращение числа ручных операций, повышение квалификации сотрудников, улучшение условий труда и, как следствие, повышение производительности позволяет поднять контроль качества и безопасности выпускаемой продукции на новый, современный уровень.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что проведение исследований в области автоматизации контроля качества результатов измерений содержания токсичных микропримесей в алкогольной продукции является значимым и актуальным направлением в развитии современного пищевого производства.

В работе использовалось следующее аналитическое оборудование: газовые хроматографы Agilent 7890, Кристалл 5000M, Маэстро 7820. Объектами исследования служили спиртные напитки и программные инструментальные средства, применяемые для разработки программного обеспечения. Количественное определение содержания токсичных микропримесей проводили по ГОСТ 30536-2013 «Водка и спирт этиловый из пищевого сырья. Газох-роматографический экспресс-метод. Определение содержания токсичных микропримесей». Статистическую обработку результатов измерений и построение контрольных карт Шухарта осуществляли с применением разработанного программного комплекса ПК «С2Н5ОН- налитик».

системный подход к анализу научной литературы в области информационных технологий позволил выявить необходимость автоматизации процедуры контроля стабильности стандартного отклонения промежуточной прецизионности с изменяющимися факторами «время» и «оператор» при исследовании физико-химических характеристик алкогольной продукции методом газовой хроматографии.

Для решения поставленной задачи предложена модернизация ранее разработанного нами программного комплекса, предназначенного для обработки результатов измерений показателей качества и безопасности алкогольной продукции, полученных при проведении испытаний газохроматографическим методом.

Установлена необходимость создания программного модуля - компьютерной программы КП «ККШ», обеспечивающего автоматизацию построения контрольных карт Шухарта и интегрирование его в специализированный программный комплекс ПК «С2Н5ОН-аналитик». Программный комплекс построен на расширяемой компонентной основе, позволяющей вносить изменения в его структуру для обеспечения соответствия новейшим тенденциям в области автоматизации обработки результатов измерений. Таким образом, расширение функционала программного комплекса позволяет добиться эффекта синергии - получения дополнительного суммарного эффекта от внедрения специализированной системы в целом, превосходящего сумму эффектов от внедрения отдельных модулей.

На первом этапе исследования разработан механизм взаимодействия оператора, газового хроматографа и компьютерной программы. Предложен универсальный алгоритм сбора экспериментальных данных для автоматизированного построения графиков и проведения метрологических расчетов. Выбраны приемы передачи, хранения, обработки и поиска информации на основе сформированных принципов построения автоматизированных систем, установлены процедуры выполнения сценариев.

Процесс обработки данных условно разделен на две части, первая из которых является непосредственно работой пользователя - ввод в программу результатов измерений, а вторая представляет работу программы: проверка данных, вводимых пользователем, проведение необходимых расчетов и формирование окна предварительного просмотра

Рис. 1. Принципиальная схема функционирования компьютерной программы

отчета, вывод на печать данных отчета посредством периферийного устройства. Показано, что в условиях компьютерной обработки данных преобладают операции, выполняемые автоматически компьютерной программой в соответствии с указанным сценарием в автоматическом режиме, сохраняя за пользователем только функцию контроля.

В целях обеспечения высокой репрезентативности выборки установлена рекомендуемая периодичность и процедура контроля стабильности результатов измерений, сформулирована математическая постановка задачи. Контроль рекомендуется проводить не реже 1 раза в квартал, набирая от 20 до 30 подгрупп экспериментальных данных.

Проведены исследования по разработке принципиальной схемы функционирования компьютерной программы (рис. 1).

Показано, что выполнение сценария оценки стабильности технологического процесса (рис. 1) приводит к одному из двух утверждений: либо процесс управляем (стабилен), либо неуправляем (не стабилен). Смысл интерпретации контрольной карты заключается в поиске источников улучшения либо системы в целом, либо конкретных процессов.

В рамках проведенного исследования спроектирован эргономичный графический интерфейс, обеспечивающий эффективный диалог пользователя с программой в процессе работы.

Отчетные формы позволяют выбрать из баз данных нужную пользователю информацию, оформить ее в виде документа. Установлено, что табличное представление результатов измерений в документах наиболее доказательно, наглядно и удобно для восприятия и анализа информации. Кроме того, преимуществом использования табличных форм является возможность систематизировано отображать большие объемы измерительной информации. Не вызывает сомнений, что табличная форма является наглядной и информативной формой представления данных.

Таким образом, в целях повышения эффективности восприятия полученного распределения результатов наблюдений, выявления взаимосвязей и закономерностей выбраны графические способы представления данных. Для визуализации контрольной карты Шухарта предложен линейный график, на котором по горизонтальной оси нанесены номера наблюдений, а по вертикальной оси - значения расхождения между

результатами газохроматографи-ческого определения исследуемого компонента в относительных процентах. В соответствии с расчетными значениями на графике горизонтально расположены линии пределов, вычисление параметров для которых производится компьютерной программой автоматически. Полученные в процессе выборки значения регистрируются в виде точек, соединенных ломаной линией.

Для создания информационной технологии, автоматизирующей построение графического представления карты Шухарта, иллюстрирующей мониторинг стандартного отклонения промежуточной прецизионности с изменяющимися факторами (время, оператор), проведены следующие исследования: определен состав информации, подлежащей отображению и макет размещения данных

в отчете; установлен вид и размер шрифта; проведена оценка эффективности разработанного отчета.

В результате проведенных исследований разработано две формы отчетов. Первая форма отчета отображает результаты проверки однородности дисперсий по критерию Кохрена. При этом в случае, если дисперсии не однородны, автоматически исключается максимальное значение расхождения между результатами определения исследуемого компонента в относительных процентах. При подтверждении однородности дисперсий автоматически вычисляется значение стандартного отклонения промежуточной прецизионности и значения параметров линий пределов: средней линии, предела действия и предела предупреждения. Вторая форма отчета автоматически формирует таблицу, содержащую

техника и технология

Рис. 2. Модульный состав программного комплекса и упрощенный алгоритм функционирования

информацию о параметрах линий пределов и графическое представление карты Шухарта.

Следующим этапом исследования стало создание абстрактной модели компьютерной программы, основанной на применении Unified Modeling Lingua. Построены диаграммы прецедентов и диаграммы деятельности, на основе которых определены оптимальные варианты информационной технологии и установлены последовательности действий для каждого прецедента.

В соответствии с концепцией объектно-ориентированного программирования спроектирована логическая структура компьютерной программы, основанная на использовании диаграммы классов. В ходе работ выделены классы, формирующие структуру базы данных и реализующие набор операций, способствующих решению задачи в рамках прецедента.

Произведена реализация описанных классов на языке программирования Object Pascal в среде разработки Delphi 7. Важно подчеркнуть, что реализация математических расчетов и визуального интерфейса разнесены в отдельные блоки, что позволило увеличить структурированность кода и сделать возможным изменение любого из блоков независимо друг от друга, например, модификация расчетной части интерфейса или модификация интерфейса с переносом

в web. Кроме того, данный подход позволяет повысить эффективность обнаружения различного рода дефектов в программном коде.

Таким образом, в целях контроля стабильности стандартного отклонения промежуточной прецизионности с изменяющимися факторами (время, оператор) разработана компьютерная программа, предназначенная для автоматизации построения контрольных карт Шухарта. В программе предусмотрены механизмы реализации следующих задач: сбор и буферизация информации, проведение расчетов, формирование отчетов.

Завершающий этап исследований посвящен апробации программы, в результате которой установлено, что применение разработанной информационной технологии позволяет сократить затраты рабочего времени оператора на 90%, исключить ошибки, повысить качество расчетов, минимизировать человеческий фактор.

Создание и применение современных информационных технологий для автоматизации расчетов для построения и формирования графического представления контрольных карт шухарта, значительно упрощает работу пользователя. Очевидно, что сокращение времени на обработку информации ведет к сокращению сроков проведения анализа в целом и снижению затрат на документирование отчетных данных.

В рамках настоящего исследования разработанный модуль (компьютерная программа) встроен в программный комплекс ПК «С2Н5ОН-аналитик», расширяя тем самым его, комплекса, аналитические возможности. Модульный состав программного комплекса и упрощенный алгоритм функционирования отображен на рис. 2.

В результате проведенного исследования создан новый, эффективный и результативный инструмент для ведения внутрилабораторного контроля качества результатов испытаний алкогольной продукции при использовании метода газовой хроматографии.

Применение программного комплекса позволит упорядочить информацию и автоматизировать рутинные процессы, что приведет к снижению числа ошибок и повышению точности расчетов, сокращению затрат рабочего времени оператора.

Предложен новый подход к механизму внутрилабораторного контроля результатов измерений показателей качества алкогольной продукции, основанный на применении информационных технологий и обеспечивающий быструю и достоверную обработку результатов измерений.

Расширены аналитические возможности программного комплекса «С2Н5ОН-аналитик». Принципы, положенные в основу проектирования программного комплекса и концепция разработки модулей в его рамках, могут быть использованы для дальнейших исследований и создания аналогичного программного обеспечения.

НИР проведена за счет субсидии на выполнение госзадания в рамках Программы научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 гг. (тема № 0529-2014-0107).

ЛИТЕРАТУРА

1. Шелехова, Н.В. Комплексная система контроля производства этилового спирта и спиртных напитков/Н.В. Шелехова [и др.] // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2015. - № 12. -С. 53-56.

2. Шелехова, Н.В. Научное обеспечение контроля биотехнологических процессов производства этилового спирта/Н.В. Шелехова, Л.В. Римарева, В.А. Поляков // Пиво и напитки. - 2016. -№ 1. - С. 16-20.

3. Шелехова, Н.В. Управление технологическими процессами производства алкогольной продукции с применением информационных технологий/Н.В. Шелехова, Л.В. Римарева // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2017. -№ 3. - С. 28-31.

4. Терещенко, А. Г. Внутрилабора-торный контроль качества результатов химического анализа/ А.Г. Терещенко, Н.П. Пикула. - Томск: STT, 2017. - 266 с.

5. Уилер, Д. Статистическое управление процессами. Оптимизация бизнеса с использованием контрольных карт Шухарта/ Д. Уилер, Д. Чамберс. - М.: Альпина Бизнес Букс, 2009. - 409 с.

6. Шелехова, Н.В. Специализированные программные комплексы в контроле качества алкогольной продукции/Н.В. Шелехова [и др.] // Пищевая промышленность. -2017. - № 1. - С. 50-52.

7. Куцевич, И.В. Специализированное программное обеспечение для автоматизации процедур внутрилабораторного контроля качества результатов количественного химического анализа/И.В. Куцевич // - Современная лабораторная практика. - 2008. - № 3. - С. 37-46.

8. Шелехова, Н.В. Специализированный программный комплекс «С2Н5ОН-аналитик» - инновационный инструмент автоматизации контроля качества и безопасности алкогольной про-

дукции/Н.В. Шелехова, В.А. Поляков, Л.В. Римарева // Пищевая промышленность. - 2015. - № 9. - С. 28-31.

REFERENCES

1. Shelehova, N.V. Kompleksnaja sistema kontrolja proizvodstva jetilovogo spirta i spirtnyh napitkov/ N.V. Shele-hova [i dr.] // Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ja. - 2015. - № 12. - S. 53-56.

2. Shelehova, N.V. Nauchnoe obe-spechenie kontrolja biotehnologicheskih processov proizvodstva jetilovogo spirta/ N.V. Shelehova, L. V. Rimareva, V.A. Poljakov // Pivo i napitki. - 2016. -№ 1. - S. 16-20.

3. Shelehova, N.V. Upravlenie tehno-logicheskimi processami proizvodstva alkogol'noj produkcii s primeneniem in-formacionnyh tehnologij/N.V. Shelehova, L.V. Rimareva // Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ja. - 2017. - № 3. - S. 28-31.

4. Tereshhenko, A.G. Vnutrilaboratornyj kontrol' kachestva rezul'tatov himichesko-go analiza/A.G. Tereshhenko, N.P. Pikula. -Tomsk: STT, 2017. - 266 s.

5. Uiler, D. Statisticheskoe upravle-nie processami. Optimizacija biznesa s ispol'zovaniem kontrol'nyh kart Shuhar-ta/ D. Uiler, D. Chambers. - M.: Al'pina Biznes Buks, 2009. - 409 s.

6. Shelehova, N. V. Specializiro-vannye programmnye kompleksy v kontrole kachestva alkogol'noj produkcii/N.V. Shelehova [i dr.] // Pish-hevaja promyshlennost'. - 2017. - № 1. -S. 50-52.

7. Kucevich, I.V. Specializirovannoe programmnoe obespechenie dlja avtoma-tizacii procedur vnutrilaboratornogo kon-trolja kachestva rezul'tatov kolichestven-nogo himicheskogo analiza/ I. V. Kucevich // - Sovremennaja laboratornaja praktika. - 2008. - № 3. - S. 37-46.

8. Shelehova, N.V. Specializirovannyj programmnyj kompleks «S2N5ON-anali-tik» - innovacionnyj instrument avtoma-tizacii kontrolja kachestva i bezopasnosti alkogol'noj produkcii/ N. V. Shelehova, V.A. Poljakov, L.V. Rimareva // Pishheva-ja promyshlennost'. - 2015. - № 9. -S. 28-31.

Внутрилабораторный контроль качества измерений с применением ^-технологий

Ключевые слова

алкогольная продукция; аналитический контроль; безопасность; информационные технологии; контрольные карты Шухарта

Реферат

Одним из перспективных направлений совершенствования контроля качества лабораторных исследований в аналитических лабораториях является разработка и внедрение современных информационных технологий (1Т). В целях автоматизации предложена модернизация разработанного ранее специализированного программного комплекса, предназначенного для обработки результатов измерений, полученных при проведении испытаний методом газовой хроматографии. Обоснована необходимость разработки компьютерной программы, автоматизирующей построение контрольных карт Шухарта в целях контроля стабильности стандартного отклонения промежуточной прецизионности с изменяющимися факторами (время, оператор). Показано, что в условиях машинной обработки данных преобладают операции, выполняемые в автоматическом режиме в соответствии с указанным алгоритмом, сохраняя за человеком только функцию контроля. Разработана логическая структура функционирования компьютерной программы. С применением современных подходов к разработке компьютерных программ, спроектирован графический интерфейс, составлен алгоритм сбора экспериментальных данных и разработаны формы отчетов, позволяющие визуализировать графическое представление контрольных карт Шухарта и быстро получать необходимую информацию. Показано, что компьютерная программа, разработанная на основе нового поколения вычислительной техники и современных операционных систем, обладает дружественным интерфейсом, эргономично спроектированными диалоговыми окнами, понятной справочной системой, демонстрирует разумное и предсказуемое поведение. Установлено, что применение информационных технологий для построения контрольных карт Шухарта позволяет сократить затраты рабочего времени оператора на 90%, исключить ошибки и повысить качество расчетов, облегчить работу пользователя, сократить финансовые издержки на обработку результатов измерений. Материалы проведенного исследования могут найти применение в научно-исследовательской работе, направленной на дальнейшее развитие информационных технологий для применения в промышленности.

Авторы

Шелехова Наталия Викторовна, д-р техн. наук,

Поляков Виктор Антонович\ д-р техн. наук, профессор, академик РАН,

Серба Елена Михайловна, д-р биол. наук, профессор РАН,

Шелехова Тамара Миайловна, канд. техн. наук,

Полтавская Наталья Валериевна

ВНИИ пищевой биотехнологии - филиал ФИЦ питания, биотехнологии и безопасности пищи, 111033, Москва, ул. Самокатная, 4 б, satella@mail.ru

Intralaboratory quality control measurements with the use it- technologies

Key words

alcoholic products; analytical control; control cards Shewhart; information technologies; safety

Abstracts

One of the perspective directions of improvement of quality control of laboratory researches in analytical laboratories is development and deployment of modern information technologies (IT). For automation modernization of the developed earlier specialized program complex intended for processing of results of the measurements received when carrying out tests by method of a gas hromatography is offered. The necessity of developing a computer program that automates the construction of Shewhart control cards in order to control the stability of the standard deviation of the intermediate precision with changing factors (time, operator). It is shown that in the conditions of computer processing of data, operations performed in automatic mode in accordance with the indicated algorithm prevail, retaining only the control function for the person. The logical structure of the functioning of the computer program is developed. With the use of modern approaches to the development of computer programs, a graphical interface has been designed, an algorithm for collecting experimental data has been compiled and report forms have been developed that allow visualizing the graphical representation of Shewhart's control cards and quickly obtain the necessary information. It is shown that a computer program developed on the basis of a new generation of computer technology and modern operating systems has a user-friendly interface, ergonomically designed dialog boxes, an understandable help system, demonstrates reasonable and predictable behavior. Established that the use of information technologies for the construction of Shewhart control cards allows to reduce the operator's operating time by 90%, eliminate errors and improve the quality of calculations to facilitate the work of the user, and reduce financial costs for processing the measurement results. The materials of the conducted research can find application in the research work aimed at the further development of information technologies for use in industry.

Authors

Shelekhova Nataliya Viktorovna, Doctor of Technical Sciences, polyakov Viktor Antonovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Academcian of RAS,

Serba Elena Mihajlovna, Doctor of Biological Sciences, professor of RAS, Shelekhova Tamara Miajlovna, Candidate of Technical Sciences, Poltavskaya Natalya Valerievna

Russian Research Institute of Food Biotechnology - branch of Federal Research Center of Food and Biotechnology, 4 b, Samokatnaya str., Moscow, 111033, satella@mail.ru