Методы интенсификации технологических процессов свеклосахарного производства. Лабораторный практикум. Учебное пособие

УДК 664.1

ББК Л 80-1 я 7

К56

Научный редактор профессор В.А. ГОЛЫБИН

Р е ц е н з е н т ы :

Всероссийский научно-исследовательский институт сахарной свеклы им. А. Л. Мазлумова,

кандидат технических наук, доцент Ю.И. ПОСЛЕДОВА

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Воронежского государственного университета инженерных технологий

Кульнева, Н. Г.

К56 Методы интенсификации технологических процессов свеклосахарного производства. Лабораторный практикум [Текст] : учеб. пособие / Н. Г. Кульнева, А. А. Ефремов; Воронеж. гос. ун-т инж. технол. – Воронеж : ВГУИТ, 2015. – 96 с.

Лабораторный практикум разработан в соответствии с требованиями ФГОС ВО подготовки выпускников по направлению 19.04.02 – «Продукты питания из растительного сырья», магистерская программа «Современные ресурсосберегающие технологии сахарного производства. Предназначен для закрепления теоретических знаний дисциплин цикла М1.

Даны методики определения оптимальных параметров и технологических режимов свеклосахарного производства, способы интенсификации технологических процессов, описание лабораторного оборудования

Кульнева Н.Г. , Ефремов А.А., 2015

ФГБОУ ВПО «Воронеж гос. ун-т инж. технол.», 2015

Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежского государственного университета инженерных технологий, его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия университета запрещается.

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

3

ОТ АВТОРОВ

Цель изучения дисциплины: применить углубленные знания в области управления производством продуктов питания из растительного сырья и современные компьютерные технологии для решения научно-исследовательских и производственнотехнологических задач в профессиональной деятельности.

Задачи дисциплины: анализировать и прогнозировать потребности потенциальных потребителей продукции; на основе современных методов управления производством продуктов питания из растительного сырья обеспечить выпуск экологически безопасного продукта, соответствующего требованиям международных стандартов.

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:

-быть подготовленным к использованию современных информационных технологий, оборудования, отечественного и зарубежного опыта для самостоятельного определения задач и проведения научных исследований в области производства продуктов питания из растительного сырья (в соответствии с магистерской программой) (ПК-9);

-способностью осуществлять сбор, обработку, анализ и систематизацию научно-технической информации по тематике исследования (ПК-10);

-способностью использовать практические навыки в организации и управлении научно-исследовательскими и производ- ственно-технологическими работами, в том числе при проведении экспериментов (ПК-18);

-готовность к практическому использованию углубленных знаний в области управления процессом производства продуктов питания из растительного сырья (в соответствии с профилем магистерской программы) (ПК-20).

4

В результате освоения дисциплины студент должен:

знать:

- научные основы повышения эффективности производства продуктов питания из растительного сырья; основные принципы биоконверсии растительного сырья;

уметь:

-использовать фундаментальные научные представления и знания в области физико-химических процессов свеклосахарного производства и основы повышения эффективности технологии пищевых продуктов для использования в профессиональной деятельности;

-свободно ориентироваться в комплексе проблем современных технологий, владеть методологией научного творчества, современными информационными технологиями, методами получения, обработки, хранения и передачи научной информации, быть готовым к творческой дискуссии по разработке инновационных решений.

владеть:

-методами диагностики и систематизации профессиональных проблем, способностью совершенствовать и творчески развивать, постоянно осваивать и применять инновационные методы

впрофессиональной деятельности;

-методами интенсификации производственных процессов, вопросами моделирования технологических процессов на основе системного анализа и химических превращений структурных компонентов сырья.

-методологией системного анализа; феноменологическими законами термодинамики в биокаталитических, химических, биохимических, физико-химических, микробиологических, биотехнологических, тепло- и массообменных и реологических процессах; методами статистического и физико-математического моделирования, методами идентификации параметров математических моделей по данным экспериментальных и теоретических исследований и оценкой моделей на адекватность с возможностью их использования при проектировании нового оборудования и управлении технологическими режимами.

5

Лабораторная работа № 1.

Построение модели технологического участка свеклосахарного производства

Цель работы: освоить методику построения SA-диаграмм и анализа на их основе выбранного участка технологической системы свеклосахарного производства.

Теоретические сведения

Математические модели при различной их физической природе основаны на идентичности математического описания процессов в модели и оригинале. Конечная цель математических моделей – прогноз результатов проведения процесса и выработка рекомендаций по возможным воздействиям на его ход.

Процессы сахарного производства чрезвычайно сложны. В ряде случаев для их математического описания удается составить дифференциальные уравнения, которые, как правило, не поддаются решению, так как описывают целый класс процессов, в пределах которого действуют применяемые законы, и не учитывают частных особенностей отдельных процессов. Поэтому целесообразно использовать статистическое моделирование.

Статистические модели строятся на основе экспериментальных данных, полученных на действующем объекте (в условиях влияния на него случайных возмущений), и представляют собой системы соотношений, которые связывают значения выходных и входных переменных объекта. Данные модели базируются на результатах нескольких серий измерений, позволяющих статистическими методами контролировать и анализировать влияние посторонних факторов. Так как несколько одинаковых из-

в рамках базовых моделей.

При разработке статистических моделей модулей химикотехнологических систем не ставится задача детального описания закономерностей процессов, происходящих в объекте. Математи-

6

ческое описание строится в виде регрессионных зависимостей выходных параметров объекта от входных и представляет собой линейные или нелинейные полиномиальные уравнения.

Достоинствами статистических моделей являются возможность применения к объектам с неизвестными механизмами происходящих в них процессов или в случае больших систем, детальное описание которых вызывает серьезные математические трудности, а также учет влияния большого числа независимых факторов.

Основными признаками, по которым можно классифицировать различные функциональные диаграммы, являются:

-разновидности блоков, используемых в составе диаграммы;

-разновидности дуг, соединяющих блоки.

Кроме того, функциональные диаграммы можно классифицировать по областям их применения:

-структурный системный анализ и проектирование (функциональное моделирование) – SA-диаграммы в SADT и IDEFO, диаграммы потоков данных Гейна-Сарсона и др.;

-визуальное программирование информационных систем – диаграммы BPWin и др.

Одной из самых первых и наиболее известных разновидностей функциональных диаграмм можно назвать SA-диаграммы. SA-блок изображается в виде прямоугольника (рис. 1) и сопровождается текстом, описывающим один из этапов функционирования технологического процесса свеклосахарного производства. Под этапом технологического процесса, соответствующим рассматриваемому SA-блоку, понимается какая-либо подсистема рассматриваемой технологической системы на данном уровне декомпозиции. Каждая сторона SA-блока имеет вполне определенное особое значение: левая сторона блока предназначена для входных параметров, верхняя – для управляющих, правая – для выходных и нижняя – для механизмов, реализующих данную функцию.

SA-блоки на диаграмме размещаются по «ступенчатой» схеме в соответствии с их доминированием, которое понимается как влияние, оказываемое одним блоком на другие, то есть в соответствии с технологической схемой процесса, причем каждый

7

блок диаграммы описывает конкретный этап функционирования технологической системы на данном уровне декомпозиции. Кроме того, блоки должны быть пронумерованы, например, в соответствии с их доминированием. Номера блоков служат однозначными идентификаторами этапов моделируемой информационной или технологической системы.

Рис. 1 Типовой SA-блок

Дуги в SA-диаграммах представляют наборы предметов или передаваемые данные и описываются существительными или существительными с определениями. Предметы (данные) могут состоять с блоками в четырех возможных отношениях: вход, выход, управление, механизм. Каждое из этих отношений изображается дугой, связанной с определенной стороной блока – таким образом, стороны блока графически классифицируют предметы, изображаемые дугами.

Входные дуги изображают предметы (данные), используемые и преобразуемые блоками. Управляющие дуги обычно изображают информацию, управляющую действиями подсистем, моделируемой информационной или технологической системы. Выходные дуги изображают предметы (данные), в которые преобразуются входы. Механизмы обычно изображают физические аспекты реализации функций подсистем. В нашем случае дуги SA-диаграмм представляют собой показатели рассматриваемого технологического процесса, контролируемые на данном этапе, ограничения в виде нормативных и управляющих параметров и непосредственно технологическое оборудование предприятия, выступающее в данном случае в роли механизма.

Взаимовлияние блоков может выражаться либо в пересылке выхода к другому блоку для дальнейшего преобразования, либо в

8

выработке управляющей информации, предписывающей, что именно должен делать другой блок. В SA-диаграммах требуется только пять типов взаимосвязей между блоками для описания их отношений: управление, вход, обратная связь по управлению, обратная связь по потоку данных, выход-механизм.

Отношения управления и входа являются простейшими, поскольку они отражают интуитивно очевидные прямые воздействия. Отношение управления возникает тогда, когда выход некоторого блока непосредственно влияет на управление блока с меньшим доминированием или следующий этап технологического процесса, например в зависимости от качества сахарной свеклы изменяется величина откачки. Отношение входа возникает тогда, когда выход блока становится входом для блока с меньшим доминированием. Обратные связи более сложны, так как они отражают итерацию или рекурсию – выходы одного блока влияют на будущее выполнение других функций, что впоследствии влияет на исходный блок. Обратная связь по управлению возникает, когда выход некоторого блока влияет на управление блока с большим доминированием, а отношение обратной связи по данным имеет место, когда выход блока становится входом другого блока с большим доминированием.

Отношение выход – механизм отражает ситуацию, при которой выход одного блока становится средством достижения цели, то есть механизмом, другого. В качестве примера можно представить ситуацию, когда автоматизированная система в виде комплекса программных средств, полученная как выход доминирующего блока «Разработать автоматизированную систему», является механизмом блока с меньшим доминированием «Контролировать технологический процесс».

Дуги в SA-диаграммах, как правило, изображают наборы предметов (данные), поэтому они могут разветвляться и соединяться вместе различным образом. Разветвления дуги означают, что часть ее содержимого (или весь набор предметов) может появиться в каждом ответвлении дуги. Дуга всегда помечается до разветвления, чтобы дать название всему набору. Кроме того, каждая ветвь дуги может быть помечена в соответствии со следующими правилами: считается, что непомеченная ветвь содер-

9

жит все предметы, указанные в метке перед разветвлением; каждая метка ветви уточняет, что именно содержит эта ветвь. Слияние дуг указывает, что содержимое каждой ветви участвует в формировании содержимого объединенной дуги. После слияния дуга всегда помечается для указания нового набора, кроме того, каждая ветвь перед слиянием также может быть помечена: считается, что непомеченные ветви содержат все предметы, указанные в общей метке после слияния; каждая метка ветви уточняет, что именно содержит эта ветвь.

SA-диаграмма является основным рабочим элементом SADT – метода структурного анализа и проектирования систем.

Второй важнейшей составной частью SADT является идея иерархической декомпозиции сверху вниз. В SADT модель системы объединяет и организует отдельные SA-диаграммы в иерархические древовидные структуры. При этом рекомендуется, чтобы в каждой отдельной диаграмме было от трех до шести блоков: в этих пределах диаграммы удобны для чтения, понимания и использования.

Корректность SADT-модели проверяется в процессе итеративного рецензирования. На практике над различными частями модели могут совместно работать множество авторов, потому что каждый функциональный блок модели представляет отдельный субъект, который может быть независимо проанализирован и декомпозирован. Таким образом, концепция SADT-модели способствует самокоординированию работы коллектива авторов, в то время как процесс SADT-моделирования координирует совместное рецензирование возникающих идей.

Удобство использования и выразительность функциональных SADT диаграмм в большой степени являются следствием того, что они позволяют представлять богатое смысловое содержание в компактной графической форме, то есть с помощью графического синтаксиса.

Диаграммы, построенные в соответствии с концепцией SADT, позволяют провести декомпозицию, как технологической системы свеклосахарного производства, так и разрабатываемой информационной системы ее контроля и диагностики до необходимого уровня иерархии и выделить основные взаимосвязи меж-

10