Адекватная автоматизация производства пищевых продуктов в значительной степени зависит от проектирования технологического процесса. Настоящая глава посвящена высокоавтоматизированным процессам производства пищевых продуктов. В ней в первую очередь рассматриваются некоторые аспекты автоматизации пищевых продуктов на техническом уровне и основное внимание уделяется характеристикам процессов, а также связанным с ними исполнительным механизмам, датчикам и контроллерам. Самым заметным отличием от других областей техники является наличие в производстве продуктов питания веществ биологического происхождения.
Как правило, эти вещества не только чувствительны к механическим, термическим и химическим воздействиям, но и имеют структуру, состоящую из нескольких фаз и компонентов. Кроме того, обработка пищевых продуктов часто сопровождается микробиологическими и биохимическими реакциями. В некоторых случаях автоматизация должна предотвращать повреждение клеточных культур; во многих других случаях она должна обеспечивать их инактивацию, чтобы гарантировать безопасность пищевых продуктов и срок их хранения.
Хорошо известно, что процессы производства пищевых продуктов сильно нелинейны, не зависят от времени и часто нестабильны. Автоматизация производства продуктов питания должна должным образом учитывать эти свойства, а также активно их использовать. Это, например, необходимо для получения желаемых пищевых продуктов, инактивации микроорганизмов и предотвращения определенных биохимических реакций, которые могут привести к существенному снижению качества продуктов. Из-за особых свойств биотических и абиотических систем, участвующих в производстве продуктов питания, в целом отсутствуют ни специальные приводы, ни соответствующие датчики. Кроме того, из-за отсутствия подходящих датчиков, работающих в режиме реального времени, большинство производственных процессов приходится выполнять с использованием разомкнутого контура управления.
Стратегии моделирования, диагностики, прогнозирования и оптимизации процессов производства пищевых продуктов в значительной степени зависят от имеющейся базы знаний. Отсутствие датчиков приводит к пробелам в базе знаний, которые, как правило, увеличиваются по мере усложнения продукта. В данной главе рассматриваются некоторые инструменты моделирования, которые позволяют извлекать знания из различных источников. Системы нечеткой логики (FLS) и искусственные нейронные сети (ANN) рассматриваются как перспективные инструменты для автоматизации пищевых процессов. В будущем потребуются новые разработки специальных исполнительных механизмов и диагностических систем, чтобы преодолеть ограничения, которые в настоящее время препятствуют внедрению контроллеров с замкнутым контуром для большинства процессов производства пищевых продуктов. Кроме того, необходимо чаще использовать возможности, предоставляемые комбинированными методами автоматизации, т.е. гибридами.
Кратко
Обеспечение населения планеты продовольствием представляет собой одну из важнейших задач науки и техники на будущее. В связи с этим возникает множество различных задач. Во многих странах мира наиболее актуальной задачей является удовлетворение первоначальных минимальных потребностей в питательных веществах. С другой стороны, в промышленно развитых странах продукты питания выполняют и другие функции, связанные с получением особого удовольствия или укреплением здоровья. Таким образом, продукты питания производятся или обрабатываются в совершенно иных условиях.
Значительная часть населения потребляет продукты, добытые непосредственно в природе или в традиционном сельском хозяйстве. В то же время в промышленно развитых странах люди употребляют в пищу преимущественно продукты, которые выращиваются в высоко механизированном сельском хозяйстве и готовятся на крупных промышленных предприятиях. Кроме того, при любом обсуждении автоматизации производства пищевых продуктов необходимо отличать первоначальное производство и дальнейшую обработку от цели подготовки продуктов к употреблению, консервации или рафинированию.
Например, первоначальное производство рыбы и морских животных происходит преимущественно в океанах, фруктов и овощей — в сельскохозяйственных центрах. На самом деле, автоматизация на фермах или в центрах по производству продуктов питания принципиально отличается от такой автоматизации на фабриках.
Масштаб
Настоящая глава посвящена основному вопросу применения автоматизации на предприятиях пищевой промышленности. Но даже если принять во внимание это тематическое ограничение, разнообразие используемых средств автоматизации представляется слишком обширным, чтобы быть представленным в этой главе.
На уровне управления производством выполняются все мероприятия, необходимые для подготовки производства и контроля за его выполнением. Таким образом, его основная задача заключается в использовании ресурсов таким образом, чтобы директивы, разработанные на уровне руководства компании, могли применяться максимально эффективно. Как правило, средства автоматизации на этом уровне пирамиды представляют собой средства планирования и составление графиков под строгим контролем человека. Для автоматизации управления предприятием и производством требуются системы автоматизации, совершенно отличные от тех, что используются на уровнях обработки. В соответствии с этим, настоящая глава посвящена технически ориентированным уровням, то есть уровням, ориентированным на переработку, в частности, обсуждается автоматизация процессов превращения сырья в пищевые продукты.
Уровни, ориентированные на обработку, можно разделить на уровень управления технологическим процессом, уровень одиночного и группового управления и полевой уровень, на котором происходит переработка и облагораживание пищевых продуктов. Таким образом, можно считать, что полевой уровень состоит из физических, (био-) химических и (микро-) биологических систем (т.е. компонентов, которые образуют и действуют как единое целое). Действия и взаимодействия этих систем часто приводят к большому разнообразию процессов и подпроцессов. Ниже подробно рассматриваются наиболее типичные процессы.
В пищевой промышленности также прилагаются значительные усилия для автоматизации процессов упаковки пищевых продуктов и логистики. На самом деле, эти процессы сильно влияют на экономические выгоды компании. С другой стороны, средства автоматизации, используемые в этом контексте, очень похожи на те, которые используются в других технических отраслях, и не являются специфичными для пищевой промышленности. Поэтому считается, что эти области выходят за рамки настоящей главы.
Основные соображения по автоматизации пищевой промышленности
Рассмотрение обработки пищевых продуктов с точки зрения автоматизации процесса требует, прежде всего, однозначного определения того, что такое процесс. В этом контексте следует особо отметить биологическое происхождение пищевых продуктов. Это является четким отличием от многих других областей производства, в которых производятся преимущественно неорганические или синтетические материалы.
Как правило, датчики и исполнительные механизмы связаны с процессом. Таким образом, они формируют основу для наблюдения, визуализации и диагностики процесса. В то же время, задача исполнительных механизмов заключается в вмешательстве в процесс для достижения желаемого результата. Ниже приведен подробный обзор конкретных характеристик датчиков и исполнительных механизмов, необходимых для автоматизации процессов производства пищевых продуктов.
Возвращаясь к обсуждению представляется полезным рассмотреть сбалансированные количества. Масса и энергия являются экономичными величинами. Соответственно, их можно транспортировать, преобразовывать и хранить только таким образом, чтобы их общий объем не менялся. Напротив, при управлении информацией необходимо принимать специальные меры для достижения желаемого сокращения объема информации или предотвращения нежелательных потерь информации. При обработке пищевых продуктов используются биологически активные (биотические) или биологически неактивные (абиотические) системы. В этом контексте классическое определение процесса должно быть расширено.
В дополнение к балансу массы, энергии и информации концепция автоматизации производства продуктов питания требует также учета неконсервативной жизнедеятельности биотических веществ. В некоторых случаях целью автоматизации является сохранение этой жизненно важной функции. Чтобы наглядно проиллюстрировать это, следует упомянуть живые культуры, содержащиеся в йогуртовых продуктах. Для конечного потребителя они представляют собой важный показатель качества, поэтому любое вмешательство в технологический процесс, которое может привести к летальным последствиям для культур, автоматически исключает само себя. В других случаях автоматизация направлена на инактивацию микробиологических систем. Это особенно важно, если рассматриваемая биотическая система представляет угрозу для людей.
Автоматизация производства пищевых продуктов на уровнях, ориентированных на переработку
Следующие разделы посвящены более подробному описанию процессов автоматизации производства пищевых продуктов. В этом контексте следует отметить, что в производстве пищевых продуктов существует большое количество процессов, сильно отличающихся друг от друга эксплуатационными характеристиками. На предприятиях пищевой промышленности, рассматриваемых в этой главе, сырье, как правило, проходит предварительную обработку. Предварительная обработка обычно основана на механических, термических, ферментативных или химических операциях.
Например, умягчение “исходной воды” путем выравнивания ее минерального состава представляет собой типичную стадию химической подготовки, которая часто требуется при производстве напитков. Овощи и фрукты моют, очищают от кожуры, измельчают на мелкие кусочки и, как правило, предварительно подвергают термической обработке в соответствии с гигиеническими требованиями. Предварительная ферментативная обработка солода играет доминирующую роль, например, в производстве пива, особенно во время соложения и затирания.
На основном этапе производства выполняются совершенно различные операции, такие как варка, кипячение, центрифугирование, фильтрация, смешивание, ферментация, дистилляция, экстрагирование, ректификация, кристаллизация, гомогенизация, сушка, измельчение в порошок, эмульгирование, пастеризация и стерилизация. Обычно последующая обработка заключается в созревании и охлаждении. В этом контексте следует отметить, что в большинстве случаев используется серийное производство.
Непрерывные процессы, такие как обработка ультрапастеризованного молока, представляют собой исключительные случаи. Конечно, это является дополнительным критерием отличия от других производств. Как правило, фасовка и упаковка являются заключительными этапами производства. Дополнительные процессы (не показанные на рисунке 3), связанные с производством продуктов питания, связаны с управлением энергопотреблением и окружающей средой, например, с очисткой сточных вод. В качестве типичного примера на рисунке 4 показано производство прессованного сыра. Таким образом, необходимое сырье (молоко) доставляется животными (крупным рогатым скотом). В отличие от этого показано производство японского соевого соуса.
Сложность обработки пищевых продуктов в обоих случаях очевидна. Оба примера также наглядно демонстрируют, что физические, (био) химические и микробиологические процессы в производстве пищевых продуктов протекают одновременно или по отдельности. В современных производственных центрах большинство из них автоматизировано, по крайней мере частично. Но, несмотря на очевидное разнообразие взаимосвязанных процессов, описать здесь общую концепцию автоматизации, применимую для всех задействованных процессов, действительно сложно.
С другой стороны, некоторые операции, которые обычно требуются в пищевой промышленности (например, процессы сепарации, прессования, сушки и кристаллизации (см. также рис. 3) в некоторой степени схожи с процессами, используемыми при производстве других продуктов. Поэтому в настоящей главе представляется необходимым сосредоточить внимание на наиболее типичных процессах для производства пищевых продуктов. Можно предположить, что это те процессы, в которых происходят биотехнологические преобразования.
Для удобства эти процессы рассматриваются исходя из взаимосвязанных систем. Это позволяет рассматривать их в основном с помощью теории систем. Поскольку почти все реальные биологические процессы изменчивы во времени и в высшей степени нелинейны по своей природе, мощный набор методов, касающихся аспектов управляемости, стабильности и работоспособности линейных систем, не может быть применен. Кроме того, рассматриваются основы управления процессами, включая инструменты моделирования и оптимизации. И последнее, но не менее важное: представлены некоторые особенности, связанные с датчиками и исполнительными механизмами, необходимыми для этой цели.