Актуальность темы
Обеспечение населения Российской Федерации качественными, разнообразными отечественными продуктами питания является первоочередной социально-экономической проблемой. Развитие отраслей агропромышленного комплекса требует широкого внедрения высокоэффективных поточно-механизированных линий, оборудованных средствами автоматического контроля и регулирования для обеспечения стабильности производственных процессов, соблюдения установленных технологических режимов.
Кондитерская отрасль является одной из ведущих в пищевой промышленности, ее продукция традиционно пользуется неизменным спросом. Большинство кондитерских изделий получают из полуфабрикатов и пищевых масс, имеющих вязкую или пластичную консистенцию. В общем комплексе производственных процессов кондитерской промышленности процессы формования таких пищевых масс занимают ведущее место. Из-за сложности и неоднородности кондитерских масс происходят частые колебания процесса формования, особенно при формовании конфетных жгутов. Стабилизация процессов формования с целью повышения их эффективности — одна из основных проблем кондитерской промышленности. Ее решение предусматривает создание устройств для непрерывного автоматического слежения за ходом процесса и введения соответствующих поправок. Однако, при решении задач автоматизации возникают значительные трудности из-за отсутствия измерительных преобразователей контроля, работающих в потоке во время формования.
В настоящее время все большей популярностью для бесконтактного контроля за состоянием различных процессов пользуются интеллектуальные измерительные преобразователи на основе цифровых видеокамер (ЦВК).
Эффективное использование цифровой видеотехники в системах автоматизации производства прежде всего наблюдается на наиболее развитых производствах с общей высокой культурой и технологией. На менее низком уровне на цифровые видеосистемы возлагается роль дополнения, расширяющего возможности и повышающего эффективность человеческого зрения, при ведущей роли человека-оператора технологического оборудования.
Более широкое использование цифровой видеосъемки в САР ТП пищевых производств сдерживается по нескольким причинам:
— отсутствие теоретических основ использования цифровой видеосъемки в САР ТП;
— отсутствие алгоритмов обработки цифровых видеокадров с целью выделения информации, на основании которой можно принять решение о необходимости корректировки режима технологического процесса;
— отсутствие прикладных НИР по определению связи визуальных характеристик (форма, размеры, цвет, текстура) пищевого материала, проходящего стадию технологического процесса, с его физико-химическими и технологическими свойствами.
Цель работы. Целью настоящей диссертационной работы является разработка научных основ автоматизации процесса формования кондитерских масс на базе использования в качестве интеллектуального датчика цифровой видеокамеры (на примере САР процесса формования конфетных жгутов).
Объектом исследования в данной работе являются контроль и регулирование процесса формования кондитерских масс с использованием в качестве средства получения информации интеллектуального датчика контроля (цифровой видеокамеры) (на примере процесса формования конфетных жгутов).
Предметом исследования является метод получения и обработки первичной информации о процессе формования кондитерских масс и разработка математического и алгоритмического обеспечения для автоматизации этого процесса.
Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи исследований:
— разработать теоретические основы обработки информации, поступающей от видеокамеры в систему автоматического регулирования (САР) и алгоритм получения первичной информации из исходного цветного изображения видеокадра;
— разработать параметрическое описание процесса формования конфетных жгутов с учетом визуальных параметров;
— определить динамические характеристики процесса формования по экспериментальным результатам видеосъемки;
— разработать математическую модель траектории движения конфетного жгута после выхода из матричного отверстия для определения его визуальных параметров;
— разработать математическую модель САР с использованием эталонного видеокадра в качестве задатчика и алгоритм принятия решений для формирования регулирующего воздействия на основе анализа видеоизображения;
— разработать схему контроля и регулирования процесса формования конфетных жгутов с использованием ЦБК в качестве интеллектуального датчика.
Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования: цифровая видеозапись процесса формования конфетных жгутов в производственных условиях при различных режимах нагнетания конфетной массыметоды компьютерного зренияматематическая обработка в среде MATLAB цифровых видеофильмов, полученных в ходе экспериментаматематическое моделирование в Maple траектории конфетного жгутаматематическое моделирование САР формования жгута из конфетной массы с использованием SIMULINK MATLABметоды теории автоматического управления и математического моделированияметоды системного анализа.
Научная новизна работы заключается в следующем:
— впервые определена последовательность функционалов для преобразования трёхмерной матрицы цветного изображения процесса формования жгута в численное значение визуального параметра;
— выполнено параметрическое описание процесса формования конфетных жгутов с учетом визуальных параметров;
— впервые введено понятие удельной площади в качестве визуального параметра процесса формования жгутов из пищевых масс;
— получена математическая модель траектории движения конфетного жгута после выхода из матричного отверстия для определения его визуальных параметров;
— разработана в Simulink в программной среде MATLAB схема САР процесса формования конфетного жгута, позволяющая исследовать переходные процессы, происходящие в системе регулирования, использующей цифровую видеокамеру в качестве интеллектуального датчика.
Практическую ценность работы определяют следующие полученные результаты:
1. Разработано математическое и алгоритмическое обеспечение для решения задач автоматизации процессов формования кондитерских масс.
2. Даны рекомендации по созданию программно-аппаратного комплекса системы контроля и регулирования процессом формования кондитерских масс с использованием ЦВК в качестве интеллектуального датчика. Данная разработка позволит контролировать состояние процесса формования кондитерских масс.
3. Сформулированы предложения по обеспечению широкого использования ЦВК в качестве интеллектуального датчика.
4. Результаты анализа процесса формования с точки зрения определения параметров, характеризующих качество формования и доступных для регистрации с помощью компьютерных видеотехнологий, и результаты исследования операций формования изделий конфетного производства в различных режимах с одновременным созданием базы видеоданных были переданы ОАО «Кондитерский концерн Бабаевский», что подтверждается соответствующим актом сдачи-приемки научно-технической продукции.
5. Полученные в рамках настоящего исследования научные и практические результаты внедрены в учебном процессе МГУПБ на кафедре «Автоматизация биотехнических систем» для студентов направлений «Автоматика и управление» и «Управление и информатика в технических системах», а также специальности «Автоматизация технологических процессов и производств». Имеется соответствующий акт внедрения.
6. По итогам работы поданы три заявки на изобретения: «Способ бесконтактного измерения геометрических параметров жгутов», «Способ контроля процесса формования жгутов из вязко-пластичных масс», «Способ автоматического регулирования процесса формования жгутов из вязко-пластичных масс» .
Результаты, полученные в процессе выполнения диссертационной работы, были использованы при проведении научных исследований по заданию Федерального агентства по образованию Министерства образования и науки Российской Федерации.
Достоверность полученных в работе результатов подтверждается экспериментальными исследованиями процесса формования конфетных жгутов, проведенными в производственных условиях ОАО «Кондитерский концерн Бабаевский», а также обеспечивается совпадением расчетных данных и результатов эксперимента.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на:
— IV международной конференции-выставке «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации», Москва, МГУПП, 2006;
— V юбилейной школе-конференции с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации», Москва, МГУПП, 2007;
— X Международной научно-практической конференции «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве», Углич, ГНУ ВИМ Россельхозакадемии, 2008;
— Седьмой международной научной конференции «Живые системы и биологическая безопасность населения», Москва, МГУПБ, 2008;
— IX Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям, Кемерово, Институт вычислительных технологий СО РАН, 2008.
На различных этапах выполнения результаты исследований докладывались и обсуждались также на заседаниях кафедры «Автоматика и электротехника» МГУПП и кафедры «Автоматизация биотехнических систем» МГУПБ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ. Из них 2 статьи в журналах, входящих в список ВАК, и 3 доклада в сборниках докладов международных или всероссийских конференций. Поданы три заявки на изобретения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертации доказана возможность использования цифровой видеосъемки для автоматического регулирования технологических процессов пищевых производств на примере САР процесса формования конфетных жгутов. Использование цифровых видеокамер (ЦВК) в пищевом производстве позволит не только наблюдать, но и автоматизировать технологические процессы, в которых происходят визуальные изменения перерабатываемого полуфабриката. При этом ЦВК превращаются в интеллектуальные датчики, не контактирующие с пищевым полуфабрикатом и работающие в любых, в том числе и в герметичных условиях, что улучшает санитарные условия переработки пищевого сырья. Использование ЦВК в производственном процессе и внутри технологического оборудования позволит повысить надёжность и продлить срок эксплуатации технологического оборудования, а также снизить затраты на техническое обслуживание и ремонт при одновременном увеличении качества выполняемых диагностических операций. В результате проведённых исследований получены следующие результаты.
1. Выполнен анализ возможности использования цифровой видеокамеры (ЦВК) в качестве интеллектуального датчика для систем контроля, регулирования и управления процессом формования пищевых жгутов на примере формования жгутов из конфетной массы.
2. Разработаны математические модели: 1) траектории движения конфетного жгута после выхода из матричного отверстия- 2) САР с использованием эталонного видеокадра в качестве задатчика в программной среде MATLAB. Разработана параметрическую модель процесса формования конфетных жгутов с учетом визуальных параметров.
3. Разработаны алгоритмы: 1) получения первичной информации из исходного цветного изображения видеокадра- 2) принятия решений для формирования регулирующего воздействия на основе анализа видеоизображения.
4. Разработана схема контроля и регулирования процесса формования конфетных жгутов с использованием ЦВК в качестве интеллектуального датчика.
5. Впервые предложены: 1) последовательность преобразования трёхмерной матрицы цветного изображения процесса формования жгута в численное значение визуального параметра этого процесса- 2) понятие удельной площади в качестве визуального параметра процесса формования жгутов из пищевых масс- 3) способ автоматического регулирования процесса формования конфетных масс с использованием ЦВК в качестве интеллектуального датчика.
6. С помощью цифровой видеосъемки исследованы переходные процессы при формовании конфетных жгутов и получены передаточные функции для визуальных параметров формования.
7. Полученные решения позволяют разрабатывать комплексы систем контроля и регулирования процессов формования жгутов из пищевых масс. Результаты анализа процесса формования конфетных жгутов переданы по акту ОАО «Кондитерский концерн Бабаевский». Научные и практические результаты настоящего исследования используются в учебном процессе МГУПБ на кафедре «Автоматизация биотехнических систем» .
