Алгоритмизация микропроцессорной обработки контрольно-измерительной информации при управлении пивоваренным производством

Актуальность проблемы. Повышение качества продукции растениеводства и содержания в них после переработки полезных веществ имеет большое народнохозяйственное значение. Все это целиком и полностью относится к пивоваренному производству (начиная от сырья и кончая готовой продукцией — пивом, другими безалкогольными напитками) [7,47, 48, 52, 55 ].

Экспрессное измерение содержания полезных компонентов в исходном, сырье и на промежуточных стадиях технологических операций производства пива весьма важно для пивоваренных заводов и комбинатов.

Из изложенного следует важность их обеспечения автоматизированными системами экспресс-анализа качества (АСЭАК) [7, 52], использующих современные методы обработки информации.

АСЭАК имеют унифицированную функциональную систему, обязательно включающую автоматизированный приборно-аналитический комплекс для определения важнейших характеристик сырья, промежуточного и конечного продукта производства.

Вторым по важности является вычислительно-управляющий комплекс (система) компьютерных средств, оснащенных соответствующим математическим, системным и программным обеспечением [7, 52, 34].

Последние тенденции в создании таких вычислительно-управляющих комплексов состоят в использовании микроэлектронной и, особенно, микропроцессорной техники [7], т. е. микропроцессоров (МП).

Это связано с уникально малыми размерами МП при их больших арифметических и логических возможностях, дешевизне, высокой надежности и малом энергопотреблении.

Именно появление МП с их легко изменяемыми программами создало возможность построения адаптивных и легко модернизируемых контролирующих, управляющих и обрабатывающих (информацию) блоков и систем, непосредственно встраиваемых в технологические установки и линии пищевых производств (включая пивоварение).

Применение МП, как подчеркивают многие авторы [17,19], для систем автоматизированного контроля коренным образом меняет традиционные методы их проектирования и создания, заменяя проектирование электронных схем разработкой алгоритмов, и программ микропроцессорной аппаратуры на выполнение определенных функций.

Снижение степени: сложности технологического оборудования при использовании МП — систем (МПС), осуществляется за счет возрастания сложности программного обеспечения МПС [7,47,34]. Вот это обстоятельство и является главной преградой на пути широкого применения МПС в пищевой промышленности, вообще, и в пивоваренном производстве, в частности. Её преодоление лежит на путях системного^ подхода при применении МПС в этой отрасли народного хозяйства.

Действительно, в МПС программное обеспечение составляет около 70 — 80% стоимости разработки всей системы.

Как показывает системный анализ, программирование МПС аналогично программированию минии микроЭВМ, однако есть определенная специфика.

Дело не только в ограниченном наборе команд ималойемкости ЗУ (устройств памяти) и упрощенной архитектуре МПС. И даже не в быстродействии аппаратном, хотя? есть и высокоскоростные МП. Дело в быстродействии алгоритмическом!- В МП резко обострились противоречия между машинным характером обработки информации и антропогенностью (появлением отпечатка человека-созидателя) её алгоритмов. Копирование ручных расчетов по заданным аналитическим выражениям исторически было оправдано и. методически объяснимо при изобретении первых ЭВМ, ввиду отсутствия других алгоритмов, кроме созданных человеком для ручного счета.

Перенос же алгоритмов с обычных ЭВМ на появившиеся в 70-х годах прошлого века МП, был крайне отрицательным явлением в плане широкого внедрения последних для целей контроля и управления.

Это же сдерживает широкое применение МПв управляющих и контролирующих системах вплоть до настоящего времени. В этом ракурсе показательно: мнение Н. П. Брусенцова [19]: «Многие трудностииспользования цифровых машин как математического инструмента не существуют или резко ослаблены в случае, когда машина используется как инструмент кибернетическийт.е. как автомат, систематически * корректирующий свою деятельность при помощиобратной связи от обслуживаемых им объектов».

Встраиваемые микро-ЭВМ иМП в аппараты, агрегаты и машины технологических процессов пищевых производствобеспечивают достижение простыми программными средствами тех же эффектов-совершенствования технологийповышения производительности труда, точности работы оборудования, которые достигаются внедрением совершеннейшего механического, гидравлического, электронного и других видов оборудования [7].

Путь с применением микро-ЭВМ' и МП значительно повышает гибкость системы управления и контроляДействительно, при изменениях в режимах ведения технологических процессов, способов обработки материалов приходится полностью заменять механическое или электронное оборудование, переделывать схемы на новые технологические варианты, что требует, значительных материальных, временных и трудовых затрат [ 7,30 ].

Кроме того, следует подчеркнуть, что средства автоматизации раньше устаревают морально, чем физически. В случае же МПС все сводится лишь, к замене программ на новые, соответствующую проведенной модернизации производства. Таким образом, всё определяется программой, т. е. прикладным программным, обеспечением.

Оно же и составляет, основную сложность, особенно для начинающих пользователей, т. е. разработчиков. Это связано с тем, что программирование МПС имеет ряд специфических особенностейш всецело определяется набором и типом алгоритмов, реализуемых в МПС.

Процесс создания новых алгоритмов и программ на их основе пока ещё носит эвристический характер. Не используется математический аппарат и математические модели для синтеза алгоритмов, ориентированных на микропроцессорную реализацию.

Эти обстоятельства остро поставили в" повестку дня алгоритмические и программные вопросы при проектировании микропроцессорных систем контроля и управленияпищевыми производствами, вообще, и в пивоварении, в частности.

С учетом сказанного предметом исследованияв диссертации выбраны оперативный контроль параметров технологических процессов в пивоваренном производстве, математические модели разностно-итерационных алгоритмов (РИА) как наиболее подходящих для применения в МПС контроля (они целочисленные и потому быстродействующие), методы сбораобработки? первичной информации о состоянии контролируемых объектов (значениях, физико-технических величинописывающих эти объекты).

Методами исследования являются системный анализ, математическое и< цифровое моделированиепроцедур функционального преобразования контролируемых величини — через нихпроизводственных объектов, методы вычислительной математики, теории информации, теорииалгоритмовТочностные и скоростные характеристики алгоритмов преобразования определяются методами теории вероятностей и матстатистики.

Цель работы. Разработать принципы алгоритмизации микропроцессорных систем* экспрессконтроля технологических процессов в пивоваренном производстве на базе математических моделей процедур такого контроля, их преобразования и создания на их базе математического, программного обеспечения микропроцессорных систем, обеспечивающих этот контроль. Применение МПС обусловлено их высокой эффективностью, в первую очередь, за счет возможности реализации на них разностно-итерационных алгоритмов. Их модификацияи адаптация к контролю техпроцессов в пивоварении также является одной из целей данной работы.

Задачи: исследования. В свете изложенного важными являются задачи системногоанализа процедур контроля в пивоваренномпроизводстве, исследования возможности перевода этого контроля в режим автоматизированного, с использованием в * качестве обработчиков (преобразователей) исходной информации: микропроцессорных систем, оснащенных программным обеспечением на базе разностно-итерационных алгоритмов как наиболее подходящих (в виду их целочисленности, точности и быстродействия) для таких систем.

Одной из задач исследований является определение на базе созданных нами математических моделей РИА возможности реализации их достоинств для целей автоматизации (контроля сложных технологических процессов пивоваренного производства.

Научная новизна. € целью создания автоматизированной: системы экспресс — контроля пивоваренного производства осуществлена постановка и впервые решена проблема замены трудоемкого и не всегда успешного эвристического варианта разработки целочисленных алгоритмов для МПС, вариантом, основанном на базе модифицированных нами разностно-итерационных процедур.

Прикладная ценность полученных результатов состоит в создании прецедента разработки эффективных и оптимальных алгоритмов и программ для МПС в пищевой промышленности. Это создает предпосылки ещё более широкого и высокоэффективного применения микропроцессоров в системах автоматизированного контроля в пивоваренном производстве. При этом полностью учтены его отраслевые особенности с точки зрения эффективного контроля его параметров.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций обусловлена всесторонним учетом особенностей технологии производства пивакорректным применением методов математического анализа, вычислительной математики, теории информации, теориипринятия решений в рамках системного подхода к решаемым проблемам.

Практическая ценность. Разработаны алгоритмы и микропроцессорная система экспресс-контроля параметров технологических процессов в пивоваренном производстве, а именно, определен набор основных контролируемых параметров, предложеныв качестве алгоритмической базы модифицированные нами разностно-итерационные алгоритмы, обоснованы их преимущества и методы, реализации их на МП^ встроенных в аппаратуру контроля.

Создан, испытан и внедрен в производство автоматизированный контрольный пункт (АКП) параметров пивоваренного производства.

Реализация результатов. Результаты работы внедрены в виде АКП экспрессконтроля и в виде пакета подпрограмм для МПС функционального преобразования и обработки, информации в НПО СПКБ «Промавтоматика» при* разработке программного обеспечения МПС локальной автоматики. АКПпараметров технологических процессов при производстве пива? и безалкогольных напитков внедрен на филиале № 1 3АС МПБК «Очаково» (Приложение А) и в винсовхозе ООО «Горный» (пос. Школьный) Крымского района. Результаты исследований используются в учебном процессе КубГТУ.

Апробация. Основные этапы работы неоднократно докладывались на научных семинарах кафедры «Автоматизированных систем управления и вычислительной техники». Кроме того, ряд докладов по тематике диссертации были сделаны на нескольких межрегиональных всероссийских и международных научно-технических конференциях. Тезисы этих докладов, а часто и сами доклады были опубликованы в печатных трудах этих конференций.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ.

Основные положения выносимые на защиту:

— принципы организации сбора, обработки и использования информации по экспресс — анализу параметров технологических процессов в пивоваренном производстве;

— математические модели модифицированных нами и принятых в качестве базовых разностно-итерационных алгоритмов, рекомендуемых для микропроцессорной реализации как наиболее оптимальные для современных вычислительных средств;

— методика проектирования алгоритмов функционального преобразования и обработки информации для МПС экспресс — контроля в пивоваренном производстве, включая аппроксимацию Паде, адаптированную нами на низкие степени многочленов числителя и знаменателя;

— пакет стандартных подпрограмм для МПС экспресс — контроля пивоваренных производств;

— автоматизированный контрольный пункт для заводских лабораторий пивоваренных заводов и заводов безалкогольных напитков.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, литературы и приложений, изложенных на 154 страницах. В приложениях приведены документы о внедрении, таблицы, программы и т. д.

5.6 Выводы.

1. На основе изучения и анализа производственного объекта (пивоваренное производство) определены задачи контроля, сформулированы назначение и шесть функций автоматизированного контрольного пункта (АКП).

2. Разработаны алгоритмы и программы микропроцессорной системы, входящей в АКП. Проверена их работоспособность, точность, подтверждена высокая технико-экономическая эффективность АКП, длякоторого они созданы.

3. Использование АКП в заводской лаборатории МПБК «Очаково» г. Краснодар повышает технико-экономические показатели цеха производства безалкогольных напитков, повышает культуру труда инженеров-технологов и лаборантов, создает предпосылки более широкого применения компьютерной техники в системах контроля технологических процессов в пивоваренной промышленности.

Заключение

.

Основным научным результатом диссертационной работы является разработка методологии алгоритмизации микропроцессорной обработки контрольно-измерительной информации при управлении производством пива и безалкогольной напитков на базе предложенного разностно-итерационного алгоритма.

Эта методология базируется на системном подходе к проектированию алгоритмического и программного обеспечения этой обработки и включает следующие аспекты:

1. Учет разнообразия функциональных преобразований (в том числе заданных таблично) при выполнении косвенных измерений.

2. Обеспечение аппаратной и/или программной простоты вычислителя или программы обработки.

3. Обеспечение универсальности и способности к модернизации пакета прикладных программ для различных контролируемых параметров.

В диссертационной работе достигнута поставленная цель за счет следующих научных достижений:

1. Проанализированы и установлены типичные контролирующие процедуры и выявлено, что в большинстве случаев они используют косвенные измерения, требующие сложных функциональных преобразований сигналов первичных измерителей.

2. Предложен и обоснован на основе системного анализа математических моделей итерационных процессов базовый разностно-итерационный алгоритм (РИА) обеспечивающий вычисление практически любых функциональных зависимостей, заданных либо аналитически, либо эмпирической формулой, либо таблично (на основе экспериментальных данных).

3. За счет аппроксимации Паде заданных функциональных зависимостей обеспечена универсальность применения одного единственного алгоритма и подпрограммы его реализации в системе команд, не содержащей операций умножения и деления, являющимися ресурсоемкими при микропроцессорной реализации.

4. Благодаря предложенной методики проектирование алгоритмов конкретного функционального применения сведено к детерминированному подбору массива (из 10 констант), проводимого с помощью САПР. проектировщика таких алгоритмов на базе персонального компьютера.

5. На конкретных примерах показано применение методики алгоритмизации процедур косвенных измерений при контроле производства пива.

6. С использованием результатов данных исследований разработан и испытан автоматизированный информационно-вычислительный пункт для пивоваренных и безалкогольных производств. В ряде организаций: используются разработанные в диссертации целочисленные алгоритмы для реализации функциональных зависимостей при контроле параметров технологических процессов, в частности, производства пива и безалкогольных напитков.