СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПИВОВАРЕНИЯ
METHOD TO CONTROL BREWAGE

Изобретение относится к управлению технологическими процессами, в частности к управлению процессом производства пива.
Процесс производства пива относится к биотехнологическим процессам со многими неопределенными параметрами, в связи с чем к нему применим способ управления на основе концепции «черного ящика». Эта концепция широко применяется в технической кибернетике для тестирования объектов и систем, свойства которых недостаточно изучены. На базе этой концепции сопоставляются входные и выходные сигналы, не имеющие на первый взгляд ничего общего между собой, при этом возможна рациональная классификация тестов и оптимизация требований, предъявляемых к системе управления процессом [В.Л.Карпман, З.Б.Белоцерковский, И.А.Гудков «Тестирование в спортивной медицине» С.6-7]. В соответствии с законами биологической кибернетики автоматизация процессов типа «бродильные производства» подчиняются законам вероятностных систем с регулированием по отклонению, а включение в систему управления человека приводит к формированию сложной вероятностной биокибернетической системы, взаимосвязанной с простыми детерминированными машинами [Биологическая кибернетика. Под ред. А.Б.Когана, изд. 2-е, М.: «Высшая школа», 1977 г., С.35, 43, 51].
Известен способ управления динамической системой, обладающей стохастическим характером протекания процесса, при котором оптимальный управляющий сигнал выбирается в зависимости от вероятности проявления случайных величин [патент РФ №2059975 С1; опубл. 10.05.1996; Бюл. №13].
Известен способ автоматического управления процессом, включающий адаптивное регулирование по рассогласованию в следящих контурах управления процессом получения оксида кальция [патент РФ №2000112433/09; опубл. 27.05.2002; Бюл. №15 (I ч.)].
Оба способа не предназначены для управления многоэтапными технологическими процессами, в том числе содержащими биотехнологические блоки, к которым, в частности, относится процесс пивоварения.
Известен способ контроля и управления техническим процессом на основе нейронных сетей, включающий многоступенчатое управление отдельными этапами на основе прогнозируемых моделей, входные переменные которых изменяются по различным законам управления [патент РФ №2003129160/09, опубл. 10.04.2005. Бюл. №10]. Данный способ управления предназначен для точечной сварки металлических листов и не включает анализ параметров биотехнических систем.
Существуют технические решения по автоматизации управления режимами работы технологического оборудования практически каждого из отдельных этапов пивоварения. Например, АСУ ТП сусловарочного производства на комбинате им. Степана Разина [Егоров Е.В., Полосин В.Л. Рассказов С.В., Щербина А.Н. http://www.razin.ru/], система автоматизации для управления варочным порядком пивоваренного завода [http:/www.siemens.ru/ad/as]. Кроме самого варочного порядка автоматизирован процесс дробления и взвешивания дробленого солода, а так же система подготовки ледяной воды. Для экстренных случаев предусмотрено резервирование управления с задействованием панели оператора (типа ОР7). Полуавтоматическое управление включает в себя одиннадцать ПИД контуров регулирования и возможность исполнять порядка пятнадцати рутинных подпроцессов полностью в автоматическом режиме с уведомлением технолога об их окончании. Аналогичным образом фирмой Сименс разработана «Система управления охлаждения дрожжевого отделения бродильного цеха» [http:/www.siemens.ru/ad/as]. Известна «Управляющая система регулирования температуры брожения охмеленного сусла в открытых бродильных чанах [http:/www.1-cube/com/rs-ru.htm]. Хорошо разработан процесс управления розливом (бутилирование) пива [http://www.avegroup.ru/7.php].
Однако объектом управления во всех системах является технологическое оборудование, а не процессы превращения исходного сырья в полуфабрикат, молодое пиво и затем - в конечных продукт. При этом в основе автоматизации технологического процесса отсутствует критериальный подход по стандартам качества: целью автоматизации в рассмотренных прототипах является сокращение времени отдельных этапов.
Объектом управления нами принята внутренняя среда технологического оборудования, то есть процесс превращения исходного сырья в пиво заданного (требуемого) качества (далее по тексту - «качество промежуточного продукта»).
Наиболее близким аналогом для заявляемого технического решения является способ функционирования настраиваемой биофармацевтической производственной системы, включающий в выбор одного или более блоков, каждый для проведения одной или более процедур для производственного процесса, соединение внутренних частей множества выбранных блоков в порядке процесса, электронное отслеживание перемещения сырьевого материала и компонентов и отслеживание состояния одного или более блоков, включая электронное подтверждение установки и сборки одноразовых компонентов и оборудования процесса [патент РФ №2006131590 А; опубл. 10.03.2008].
Способ имеет ограничение: он разработан для настраиваемых производственных систем и не учитывает специфики биотехнических систем, включающих жизненные циклы живых организмов.
Техническим результатом заявляемого способа является имитационное моделирование процесса производства пива при нестабильности (вариабельности) свойств исходного сырья и вероятностного характера функционирования биотехнологических блоков.
Техническая задача решается тем, что в известном способе, включающем выбор одного или более блоков, каждый для проведения одной или более процедур для производственного процесса, соединение внутренних частей множества выбранных блоков в порядке процесса, электронное отслеживание перемещения сырьевого материала и компонентов и отслеживание состояния одного или более блоков, включая электронное подтверждение установки и сборки одноразовых компонентов и оборудования процесса, проведение предварительно определенным образом каждого соответствующего процесса для соответствующего блока, согласно изобретению для управления процессом производства пива используют сочетания различных законов управления, в том числе управление по типу «человек-машина», по принципу «нейронных сетей». А так же при выборе состава и последовательности по ходу технологического процесса блоки подразделяют на основные и корректирующие, применяемые при отклонении процесса от заданных стандартов, при этом для управления по принципу «нейрон» выбирают те из основных блоков, в которых трудно управляемые биотехнологические процессы могут оказывать существенное влияние на качество конечного продукта.
Техническая задача решается так же тем, что в способе управления процессом пивоварения в блоки памяти программы управления каждым технологическим блоком включены граничные параметры, обеспечивающие стандартное качество конечной продукции всего технологического процесса, и соединение внутренних частей всего множества выбранных блоков в порядке технологического процесса осуществляют только по достижении согласования параметров блоков памяти и блоков фактических значений измеряемых величин контролируемых показателей. Кроме этого электронное отслеживание перемещения сырьевого материала и компонентов ведут по принципу достижения заданного соответствия функций: время процесса/качество промежуточного продукта, при этом длительность процесса зависит от достижения заданных критериев качества. Решение технической задачи осуществляют также отслеживанием состояния одного или более блоков, которое проводят как по показателям технического состояния оборудования, так и по показателям качества промежуточного продукта и тем, что к отслеживаемым показателям отнесены показатели жизнеспособности пивных дрожжей. Кроме этого к отслеживаемым показателям отнесены показатели качества входного сырья, на основании которых технолог-оператор корректирует промежуточные стандарты качества. Способ управления процессом пивоварения предусматривает также, что при выявлении отклонений от стандартных показателей качества сырья, способных повлиять на качество конечного продукта, предусмотрена автоматизированная коррекция технологического процесса пивоварения с подключением корректирующих блоков или полная блокировка процесса. Техническая задача решается также тем, что электронное подтверждение установки и сборки одноразовых компонентов и оборудования процесса включает сопоставление показателей стандартов качества и фактических показателей контрольно-измерительных приборов, а при проведении процесса в каждом технологическом блоке технические неполадки или критические показатели рассогласования инициируют сигнал о невозможности достижения стандартного качества конечного продукта и требуют подключения к управлению процессом технолога-оператора.
Данный способ может быть реализован системой управления процессом производства пива, приведенной на чертеже.
Данная схема включает:
n
n+1
1 - мнемосхема технологического процесса. 1.1, 1.2 … 1 - информация о текущем состоянии всех этапов технологического процесса. 1 - состояние готовности тары к приему готовой продукции;
2 - дежурный технолог-оператор;
3 - центральный контроллер (общий для всех этапов технологического процесса);
4 - сигнал внештатной ситуации состояния технологического оборудования (блокировка процесса);
n
5.1, 5.2, … 5 - блоки коррекции (типичные для любого из n этапов).
6 - блок управления технологическим оборудованием данного этапа технологического процесса.
.m
7 (7.1, 7.2, … 7) - основное технологическое оборудование данного этапа процесса пивоварения;
8 - блок управления корректирующим оборудованием, используемым для коррекции качества промежуточного продукта;
9 - блок технического мониторинга состояния технологического оборудования;
10 - блок мониторинга качества промежуточного продукта;
11 - блок памяти промежуточных стандартов качества;
11.а- линия оперативной коррекции стандарта качества;
12 - блок сравнения;
13 - сигнал отклонения качества промежуточного продукта от критических параметров (сигнал тревоги).
Заявляемый способ предусматривает выбор блоков управления 6 основным технологическим оборудованием 7.7, 1…7.m, функционально взаимосвязанных с блоками управления корректирующим оборудованием 8, применяемым для корректировки качества промежуточного продукта. При этом осуществляется контроль технического состояния оборудования через блок технического мониторинга 9 и при постоянном контроле качества промежуточного продукта через блок мониторинга качества промежуточного продукта 10. При этом центральный контроллер 3 осуществляет электронное отслеживание перемещения сырьевого материала и компонентов, а так же отслеживание и контроль состояния каждого из блоков основного технологического оборудования данного этапа процесса пивоварения 7.1 и отслеживание качества промежуточного продукта в каждом из них, получая информацию из блока сравнения 12, сопоставляющего показатели блока памяти стандартов качества промежуточного продукта 11 с данными фактических показателей контрольно-измерительных приборов (блок мониторинга - 10). Сигнал отклонения качества промежуточного продукта от заданных стандартов блока памяти поступает в блок коррекции 5.1, блок управления технологическим оборудованием 6 данного этапа пивоварения, и при необходимости в блок управления корректирующим оборудованием 8. При отклонении качества промежуточного продукта от критических параметров, способных повлиять на качество конечного продукта, блок сравнения 12 подает сигнал тревоги 13 в центральный контроллер 3, требующий участия дежурного технолога-оператора 2 либо в оперативной коррекции всего технологического процесса, либо в оперативной коррекции 11а показателей блока памяти промежуточного стандарта качества 11. При этом способ предусматривает визуальную информацию и запись текущих параметров всех этапов технологического процесса на мнемосхеме 1. 1.1…1.n. Показатели рассогласования на любом этапе технологического процесса инициируют сигнал о невозможности достижения стандартного качества конечного продукта и требуют подключения к управлению дежурного технолога-оператора 2. При этом способ предусматривает электронное подтверждение установки, готовности технического состояния одноразовых корректирующих компонентов 8 и оборудования процесса 7 по данным блока технического мониторинга 9, включая блокировку всего процесса через центральный контроллер 3 и звукового сигнала внештатной ситуации 4.
Способ предусматривает управление биотехнологическими процессами по принципу «нейрона с использованием обратной связи для автоматического регулирования заданного стандартом качества продукта. Через цепочку блоков №№9-5-6-8-7-9-5 происходит обратная связь и автоматическое регулирование состояния оборудования, приводящая к отключению сигнала 4 и продолжению технологического процесса, если дежурный оператор 2 не объявил аварийную ситуацию для ремонта или замены оборудования (датчика).
При этом способом предусмотрена обратная связь управления качеством промежуточного продукта и его автоматическое регулирование в пределах граничных параметров по цепочке блоков управления №№7.1-7.m-10-12-5-6-8-7-10-11-12, приводящая к отключению сигнала тревоги 13 при выполнении заложенной программы, если дежурный оператор 2 не примет другого решения.
Заявляемый способ реализуется следующим образом:
Иерархия структур управления включает семь последовательно соединенных центров (с функциями формальных нейронов), каждый из которых отвечает за качество полуфабриката на соответствующем этапе процесса пивоварения: 1) блок входных данных (сырьевой блок), 2) блок дробления зернопродуктов, 3) блок получения сусла, 4) блок главного брожения (сбраживания пивного сусла), 3) блок дображивания и созревания молодого пива, 6) блок фильтрации пива, 7) блок розлива и упаковки. При этом применено управление по принципу «Формальный нейрон» для оценки состояния жизнеспособности популяции пивных дрожжей на стадиях бродильных процессов, включая биомониторинг их ферментной активности (например, йонселективными электродами); измерение редокс-потенциала системы, соотношение живые/мертвые клетки (например, автоматический пурсаметр фирмы Дегремон, Франция) с учетом динамики степени сбраживания сусла (соотношение концентраций сахар/этиловый спирт/диацетил/высшие спирты). При этом процесс ведется по принципу достижения заданного соответствия функции: время брожения/качество молодого пива (брожение проводят до критического содержания в сусле сахаров и ацетоина). Использованы алгоритмы управления технологическим оборудованием, включая линейные управляющие воздействия, дающие возможность точного учета результатов воздействия возмущающих факторов заданной интенсивности. При этом включение в процесс производства пива каждого последующего блока возможно только при достижении согласования показателей качества полуфабриката (объекта регулирования) с ожидаемым качеством конечного продукта.
Корректирующие блоки (вспомогательное оборудование) также управляются центральным контроллером (центральным управляющим устройством) по специальным программам, включаемым по командам нижестоящего звена управления при возникновении сигнала о несоответствии фактических параметров качества на данном этапе технологического процесса, заданным конкретной моделью управления. При этом первичное звено управления конкретным блоком (этапом) технологического процесса пивоварения подает сигнал тревоги и необходимости подготовки к работе корректирующего блока (сигнал подготовки к работе) на основании результатов сопоставления (карт блока сравнения показателей мониторинга - с показателями требуемой модели качества на данном этапе технологического процесса), если ресурсов привлечения (увеличения производительности) основного технологического аппаратного блока недостаточно, или требуется качественно иное изменение технологического процесса. Сигнал обратной связи об эффективности корректирующего воздействия (по запрограммированному времени воздействия или по показателям мониторинга критического показателя), как и включение в работу корректирующего блока, замыкается на центральном контроллере. Важно отметить, что заложенные в управляющие программы критерии качества конечного продукта не изменяются ни на одном из этапов производственного процесса, тогда как критерии качества промежуточного продукта (объекта регулирования) различаются от этапа к этапу по мере преобразования характеристик исходного сырья на этапах технологического процесса: сырье, полуфабрикат, сусло, молодое пиво, конечный продукт - созревшее или готовое пиво. При этом в программы заложен прогноз возможного искажения качества конечного продукта при выходе объекта регулирования за пределы запрограммированных параметров, а также подготовлены программы включения корректирующих механизмов (дополнительных блоков). Таким путем реализуется принцип обратной связи, обязательный для регулирования по принципу «нейронные сети».
Другой особенностью заявляемого способа управления процессом пивоварения является возможность блокировки процесса перед любым технологическим этапом. То есть в функции формального нейрона введена функциональная обязанность, выполняемая в реальных нейронах биологических систем системой синапсов: не пропускать слабый (субпороговый) импульс и усиливать ответ (управляющее воздействие) при его запредельных параметрах. Эту функцию в каждом формальном нейроне выполняет блок сравнения граничных значений объекта регулирования (различных для каждого этапа технологического процесса) с фактическими параметрами процесса (по данным мониторинга).
В связи с тем, что мониторинг фактических значений качества промежуточного продукта на каждом этапе дает довольно динамичные результаты, разработана концепция критических (граничных) значений показателей качества как основа критериев «регулирования по отклонению», выходы за пределы которых чреваты нарастанием качественных изменений, близких к неизбежным отклонениям от стандарта качества (требуемого качества) конечного продукта. Таким образом, в системе управления созданы фильтры, пропускающие для включения корректирующих воздействий только сигналы о не допускаемых моделью отклонениях в качестве контролируемых параметров (эта функция в реальных нейронах принадлежит синапсам). Этим достигается стабильность в работе первичного звена управления, отсекающая допустимые показатели качества от «сигналов к действию» технологических блоков, корректирующих процесс.
С технической точки зрения этими критериями служат чаще всего показатели температуры или кислотности среды (затора, сусла, молодого пива), ее насыщение растворенным кислородом или углекислым газом, объемы или уровни жидкости. Критериями качества, например, на этапе главного брожения служат (кроме показателей экстрактивности сусла) концентрации этилового спирта, сахаров или диацетила, соотношение количества живых/мертвых дрожжевых клеток и другое. При этом корректирующими воздействиями не всегда являются мероприятия по дополнительному введению ингредиента, исправляющего ситуацию для приближения ее к эталонной модели (ферменты, сахар, спирт, добавки) или проведение дополнительных технологических процедур (барботаж, карбонизация, пастеризация, УФ-облучение потока при перекачке и другое). Как показал наш опыт, существенные изменения качества продукта - объекта наблюдения - могут быть достигнуты на основе управления функцией время/качество. Например, увеличивая длительность варки сусла, можно добиться более эффективного осахаривания. Или, сокращая время основного брожения, можно уменьшить концентрацию высших спиртов (основы сивушного масла) в молодом пиве. Или, изменяя температуру дображивания молодого пива, можно добиться требуемого изменения органолептических свойств готового пива.
Важно заметить, что большинство корректирующих воздействий, связанных с «добавками или разбавлениями», реализуются дозирующими техническими устройствами для жидких или сыпучих продуктов (по объемам или по весу); причем весь арсенал этих устройств имеет известную систему автоматизации. При этом технические устройства, реализующие воздействия на основной процесс в виде изменения температуры внутренней среды (охлаждение или нагрев), имеют хорошо отлаженную систему автоматической регуляции с обратной связью, а также ресурс запасной мощности. Все это способствует решению проблемы приборного оформления при автоматизации управления процессом пивоварения.
При заведомо невозможной коррекции показателей качества система управления через сопоставление стандарта качества промежуточного продукта 11 с данными мониторинга 12 (блок сравнения) включает сигнал тревоги 13 и требует подключения оператора для принятия решения о рациональности дальнейшего продолжения процесса с неизбежным получением заведомо дефектной продукции.
В заявляемом способе управления процессом производства пива заложены известные пивоварам дополнительные технологические решения для ликвидации типичных критических ситуаций. Например, введение этапа микронизации зернового сырья при его чрезмерном микробном обсеменении (клеточными элементами) или резком снижении содержания сахаров; дополнительные добавки ферментов при преждевременном истощении пивных дрожжей или при их внезапном автолизе;
дополнительное введение протеолитических ферментов при проблемах фильтрации из-за избыточных белковых осадков (для перевода белка в растворимые аминокислоты); дополнительное введение стерилизованного сахара-сырца на стадии дображивания для сохранения требуемой концентрации этилового спирта, карбонизация, УФ-облучение потока при перекачке или дополнительный этап пастеризации готового пива при избыточном содержании микробных клеток. При этом способом предусмотрены команды автономного включения корректирующих блоков. Первичный блок инициирует команду на включение соответствующего блока. Эта команда подтверждается центральным контроллером (второй уровень подтверждения необходимости коррекции процесса). Однако автоматизированное принятие таких серьезных технологических решений должно подтверждаться повторными командами оператора (третий уровень подтверждения необходимости коррекции процесса). Однако при отсутствии подтверждающей команды от дежурного оператора в продолжение определенного времени центральным управляющим устройством подается команда на выполнение заданной программы.
Таким образом, участие человека-оператора предусмотрено только при возникновении нестандартной ситуации с качеством промежуточного продукта, способной исказить качество конечного продукта, а также при технических сбоях в работе основного оборудования.