Digital twin for CIP-washing station with SCADA system

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Due to stricter sanitary and hygienic standards and the constant increase in prices for energy and water resources, the importance of CIP purification processes is growing in terms of cost for breweries. Optimization by traditional methods is difficult, the processes are nonlinear, depend on the composition of the product and require strict compliance with safety conditions, especially when working with glass containers. Consequently, the task for effective CIP systems is formulated considering the above factors.

Aim. To create a digital twin system for CIP station, capable to generate an optimal operating profile in real-time, taking into account factors like flow, temperature, and time, and to ensure direct industrial SCADA system implementation. The solution is based on a mathematical model that incorporates a system of implicit differential equations describing the processes of heat and mass transfer as well as the hydraulic equilibrium of the pipeline network.

Methods. Optimization is performed using an iterative dynamic programming algorithm that minimizes the total costs of steam, electricity, and chemicals, while maintaining hygienic standards for residual contamination.

Results. To ensure compatibility with the industrial SCADA environment, we have employed automatic code generation in the S-function to transfer the model from MATLAB/Simulink, eliminating the need for additional adaptation. A pilot real-world test was carried out for 60000 bottles per hour. During 30 consecutive days, the digital twin demonstrated stability and high accuracy, deviations from the SCADA logs did not exceed 0.4 °C in temperature and 1.2 % in solution consumption.

Conclusions. The introduction of profile-guided optimization cut the CIP cycle time by 10-15 % and reduce the consumption of caustic and steam by an average of 20 %, while maintaining the microbiological purity of the equipment. The results obtained confirm both the technical and economic feasibility of the proposed approach.

About the authors

V. S. Artemyev

Plekhanov Russian University of Economics

Author for correspondence.
Email: Artemev.vs@rea.ru
ORCID iD: 0000-0002-0860-6328
SPIN-code: 8912-5825

Senior Lecturer of the Department of Computer Science

Russian Federation, Stremyannyy lane, 36, Moscow, Russia, 115054

References

  1. Ageev O.V., Lizorkina O.A., Samoilova N.V. Analysis of methodological principles for modeling flexible food systems. Bulletin of Science and Education of Northwest Russia. 2023. Vol. 9. No. 2. Pp. 7-24. EDN: AFAIUD. (In Russian)
  2. Frolochkin A. Rules for selecting detergents for enterprises working with water of varying hardness. Milk Processing. 2024. No. 8(298). Pp. 50-51. EDN: MWFAVA. (In Russian)
  3. Aksenov M.M., Dubrovskaya O.V. Treatment of sediments formed during the "dry" hopping process using centrifugal equipment. Beer and Beverages. 2021. No. 3. Pp. 44-46. EDN: VKDONC. (In Russian)
  4. Tuktasheva E.Yu. Study of the effectiveness of preliminary reagent treatment of wastewater from breweries. Urban Planning and Architecture. 2021. Vol. 11. No. 3(44). Pp. 56-61. doi: 10.17673/Vestnik.2021.03.09. (In Russian)
  5. Aksenov M.M., Dubrovskaya O.V. Beer clarification using modern centrifugal separators. Beer and Beverages. 2020. No. 3. Pp. 74-75. EDN: GOHDAV. (In Russian)
  6. Sergienko O.I. Transition to the best available technologies as a source of innovation and a way to organize resource-efficient production. Economic efficiency, environmental innovation, climate and energy policy: Collection of articles based on the results of an international research seminar. Saint Petersburg: Skifiya-Print LLC, 2016. Pp. 170-178. (In Russian)
  7. Starostin A.S., Artemyev V.S. Spectral analysis in automated information systems. Computational Nanotechnology. 2025. Vol. 12. No. 1. Pp. 69-78. doi: 10.33693/2313-223X-2025-12-1-69-78. (In Russian)
  8. Grigoriev A.O., Mokrova N.V., Artemyev V.S. Methods of statistical analysis for diagnosing the condition of electrical equipment in the agro-industrial complex. Bulletin of Chuvash State Agrarian University. 2025. No. 1(32). Pp. 185-193. doi: 10.48612/vch/k3rd-8hk2-74nz. (In Russian)
  9. Afanasyev S.N., Pakhomov A.N. Current limitation in a DC electric drive system with modal control and variable structure. News of Higher Educational Institutions. Electromechanics. 2022. Vol. 65. No. 4. Pp. 58-63. doi: 10.17213/0136-3360-2022-4-58-63. (In Russian)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2025 Artemyev V.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».