Проблемы автоматизации пищевой и консервной промышленности
Проблемы, с которыми приходится сталкиваться при автоматизации пищевых процессов, включают большое количество рецептов, гигиенические требования, скоропортящиеся сырые и обработанные пищевые продукты, а также сезонный характер производства пищевых продуктов. В пищевой промышленности необходимы повторяющиеся циклы для обеспечения производства безопасных и однородных продуктов от партии к партии. Неправильный контроль за порцией может привести к дорогостоящим потерям продукта или его длительной переработке [16].
Такие параметры процесса, как расход, температура, давление, уровень и перемешивание, должны точно соответствовать заданным значениям. Система управления должна быть достаточно гибкой, чтобы обеспечить простоту взаимодействия оператора с различными обрабатываемыми продуктами. Точный контроль ингредиентов имеет решающее значение в любой пищевой промышленности. Поэтому управление процессом приготовления пищи намного сложнее, чем в других отраслях промышленности.
Зачастую ингредиенты неоднородны. Например, в пицце слишком большое или слишком малое количество одного из компонентов (соуса, сыра, мяса, овощей и т.д.) может отрицательно сказаться на качестве, вкусе, внешнем виде, времени приготовления и рентабельности [10]. Избыток соуса, например, может растечь по краям коржа. Таким образом, наибольшей проблемой для автоматизации процесса является изменение размера, формы и однородности (или более широкая вариабельность) исходного продукта. Кроме того, продукты легко подвергаются микробиологическому и физическому повреждению.
Многие специализированные пищевые процессы предъявляют особые требования к контролю. Сложность управления технологическими процессами в пищевой промышленности возрастает из-за необходимости определять состав и качество продукта и контролировать их. Кроме того, в линейке отсутствуют подходящие датчики для определения большинства вкусов. Такие ресурсы, как вода, пар, энергия и ингредиенты, в пищевой промышленности должны эффективно использоваться для получения максимальной прибыли, особенно в условиях роста затрат на рабочую силу, сырье и энергию.
Большинство производителей продуктов питания хотят автоматизировать свои предприятия, но в большинстве случаев у них остаются небольшие островки автоматизации, которые не решают проблем всего предприятия [17]. Большинство предприятий пищевой промышленности автоматизированы не полностью, а представляют собой комбинацию периодической и непрерывной обработки.
Как правило, в производстве напитков и молочных продуктов, где используются в основном жидкие продукты, используются непрерывные процессы. Другие используют в основном пакетные процессы, но постепенно эти процессы преобразуются в непрерывные или полунепрерывные [15]. Различные компоненты оборудования могут быть не в состоянии взаимодействовать друг с другом, если они не автоматизированы одним и тем же производителем.
Это часто создает проблемы, поскольку не все оборудование доступно от одного и того же производителя. Более того, автоматизация процессов (датчики, аппаратное обеспечение, программное обеспечение) меняется слишком быстро, чтобы успевать за ней. Оборудование может устареть через несколько лет. Эта быстро меняющаяся технология усложняет правильный выбор аппаратного и программного обеспечения для управления. Руководство должно сопоставить значительные затраты на автоматизацию с общими потребностями бизнеса. Во многих случаях, при использовании традиционных инвестиционных критериев, трудно оценить потенциал автоматизированных производственных операций.
Процесс автоматизации пищевой и консервной промышленности
Прежде чем внедрять автоматизированную систему для какого-либо процесса, его необходимо упростить. Если в процессе есть какие-то проблемы, вы не сможете устранить их с помощью аппаратного или программного обеспечения. Параметры процесса должны быть оптимизированы перед покупкой или проектированием системы управления [18]. Оператор должен получить исчерпывающую информацию о процессе, прежде чем автоматизировать его с помощью компьютера. Большинство процессов, связанных с приготовлением пищи, динамичны, и для правильной настройки контроллера необходимо тщательно изучить процесс.
Все функции, необходимые для обеспечения однородности продукта, должны контролироваться автоматически. Однако во многих случаях навыки и интуитивное мышление опытного оператора очень трудно определить и реализовать в рамках компьютерной системы [15]. При проектировании контроллера пищевого процесса необходимо учитывать тип оборудования, диапазон условий его эксплуатации, возможные нарушения, манипуляции и возможные измерения, а также проблемы, связанные с запуском или остановкой процесса [19].
Традиционно крупные предприятия пищевой промышленности в первую очередь использовали передовые производственные технологии, включая автоматизацию. Однако средние и малые предприятия нуждаются в этих передовых технологиях в большей степени из-за ограниченных поставок сырья или рыночных ограничений. Автоматизация процессов в средних и малых предприятиях поможет снизить процент брака продукции и потери сырья, а также повысить качество и согласованность продукции.
Модели процессов автоматизации пищевой и консервной промышленности
Для анализа процессов производства пищевых продуктов используются математические модели физических и химических явлений, происходящих во время процессов. Эти модели необходимы для разработки контроллеров пищевых процессов. Цифровые компьютеры упрощают использование моделей в алгоритмах управления технологическими процессами.
Модели помогают принимать решения и, таким образом, обеспечивают более точную и простую обработку, а также непрерывно предсказывают ход технологических процессов в пищевой промышленности, когда внешние возмущения и управляемые переменные меняются со временем. Таким образом, понимание динамики процесса приготовления пищи в значительной степени влияет на разработку эффективных средств управления. Это является серьезным препятствием при правильном проектировании контроллеров процесса приготовления пищи: часто процессы приготовления пищи плохо изучены, или их физические, химические или микробиологические параметры плохо известны или измерены [19].
В таких случаях модели процессов, основанные на недостаточных знаниях, недостаточны для описания динамического поведения реального процесса. Из-за неопределенной биологической природы пищевых продуктов инженеры-технологи сталкиваются с самой сложной задачей по разработке эффективного управления технологическим процессом. Они должны в значительной степени полагаться на свои знания в области микробиологии, биохимии, пищевой химии и переработки пищевых продуктов в сочетании с основными инженерными принципами.
Решения автоматизации пищевой и консервной промышленности
В первую очередь отрасли необходимо определить конкретные процессы, которые будут направлены на автоматизацию. В области автоматизации процессов следует ожидать дальнейшего роста и модернизации систем управления. Многие процессы на предприятиях могут быть частично автоматизированы с помощью небольших компьютерных систем. Позже они могут быть без особых проблем внедрены в более крупные системы для всего предприятия. Например, для периодического или непрерывного смешивания ингредиентов можно использовать расходомер и цифровую систему управления. Позже могут быть добавлены другие приборы, такие как дополнительные датчики, ПЛК или распределенная система управления. В эти системы может быть встроен высокий уровень безопасности.
При компьютерном управлении решающее значение имеет разветвленная система защиты стратегий управления и информации, поскольку их можно легко модифицировать, скопировать и уничтожить. Один вирус может повредить всю систему. Таким образом, доступ к этим системам должен быть ограничен для предотвращения несанкционированного использования [20]. Выход из строя одного прибора не должен затрагивать несвязанные функции, что сводит к минимуму риск внезапного отключения процесса. Таким образом, эти средства управления должны обеспечивать надлежащие меры предосторожности при аварийном отключении и возможном сбое в работе оборудования.
Преимущество распределенной модульной архитектуры заключается в том, что неисправное устройство или модуль можно заменить, не нарушая работу системы. Таким образом, отказ одного компонента не приведет к сбою системы. Элементы управления должны программироваться в режиме реального времени, чтобы можно было вносить любые необходимые изменения в процесс без остановки всей операции. При достаточном объеме автоматизированное производство обеспечит наиболее экономичный процесс. Чтобы определить экономическую целесообразность автоматизации, компания должна сравнить все предполагаемые эксплуатационные расходы с потенциальной экономией и выгодами, которые могут быть получены в результате автоматизации процессов.
Инженеры должны объяснить руководству предприятия преимущества автоматического управления с точки зрения общей рентабельности, чтобы получить их одобрение. В противном случае автоматизация производства откладывается из-за боязни связанных с этим сложностей. Однако быстрое развитие компьютерных технологий уменьшило этот страх, поскольку большинство людей в той или иной степени используют эту технологию.
Программируемые логические контроллеры автоматизации пищевой и консервной промышленности
В более ранних системах автоматизации предприятий использовались центральные компьютерные системы. В настоящее время используются программируемые логические контроллеры (ПЛК) и распределенные системы управления. С помощью этих систем операторы могут просматривать заводские данные на экране микрокомпьютера и управлять производственными процессами. Сочетание ПЛК с интеллектуальными датчиками обеспечивает гибкую и недорогую альтернативу распределенным системам управления для улучшения управления технологическими процессами.
Такой подход обеспечивает повышенную точность, расширяет функциональные возможности управления, а также сокращает время и затраты на установку и техническое обслуживание [21]. Например, холодильная система, управляемая ПЛК, охлаждала тушки с 38 до 1°C за 24 часа [13]. Другая система, управляемая ПЛК, позволила увеличить время приготовления печенья до 99% [22]. Устранение неполадок было упрощено, так как состояние всех входов и выходов отображается светодиодами; например, при неудачной установке пакета бесконтактный переключатель передает это сообщение на контроллер, который останавливает подачу печенья в пакет.
Аналогичным образом упаковочные линии в пекарне управлялись с помощью ПЛК, подключенного к рабочим станциям [23]. Распределительная система управления состояла из контроллеров сотовой связи, рабочих станций, ПЛК, волоконно-оптической магистрали со скоростью 100 мегабит/с и программного обеспечения для диспетчерского управления и сбора данных. ПЛК контролировал практически все — приводы с регулируемой скоростью вращения, температуру, время смешивания, упаковочные линии и т.д., а также обеспечивал сигнализацию, мониторинг и сбор данных.
Оборудование, связанное с энергетикой и коммунальными услугами, такое как котлы, воздушные компрессоры и системы подачи охлажденной воды, также может контролироваться и управляться с помощью ПЛК. Системы управления распределением на старых предприятиях пищевой промышленности используются чаще, поскольку можно контролировать важные процессы на предприятиях.
Операторы автоматизированных процессов пищевой и консервной промышленности
Тем не менее, управление большинством предприятий пищевой промышленности основывается скорее на знаниях оператора, чем на научных знаниях [10]. Многие процедуры традиционно основывались на использовании операторами зрения, обоняния, опыта и осязания для определения качественных характеристик продукта в процессе обработки. Многие задачи операторов будут переданы компьютеризированным системам управления, что приведет к изменению ролей и задач операторов.
Автоматизация сокращает число операторов на предприятии и увеличивает их рабочую нагрузку, а также количество и сложность выполняемых ими задач. Таким образом, работники чувствуют, что их работа находится под угрозой срыва, и также ощущаются проблемы с обучением. Чтобы избежать недовольства операторов, требуется тщательное планирование. В таких случаях для облегчения перехода от ручного управления к автоматическому следует учитывать следующее:
(1) В данный момент времени операторам должна быть представлена только минимальная необходимая информация.
(2) Информация оператору должна быть передана надлежащим образом — визуально, на слух или посредством другими средствами.
(3) Следует также использовать подходящие методы для взаимодействия оператора с контроллером процесса.
(4) Для оценки эффективности работы операторов необходимы надлежащие процедуры.
(5) Не следует чрезмерно модернизировать процессы. Целью автоматизации должно быть повышение эффективности и производительности, а также сокращение отходов. Все параметры должны быть запрограммированы и отображаться оператору в режиме реального времени.
(6) Потери производственного времени также должны быть включены в расчетные затраты на автоматизацию установки или процесса. В некоторых случаях это может составлять значительную часть общих затрат. Также следует учитывать расходы на обучение. Любая новая технология должна быть простой в использовании.
(7) Технологические данные и информация для операторов должны предоставляться в доступной форме, чтобы избежать ошибочных суждений. Безопасность оператора должна быть основным фактором при проектировании автоматизированных технологических машин.
Для правильной и эффективной диагностики технологических проблем системные операторы/программисты должны знать последствия изменений параметров продукта и процесса, не зависящих от системы управления. Они также должны быть знакомы с практической реализацией аппаратного и программного обеспечения для управления. Оператор системы должен знать основные параметры настройки, чтобы настроить регулятор — усиление, сброс и частоту.
Масштабирование автоматизированных процессов пищевой и консервной промышленности
Гибкость означает, что система управления может быть адаптирована к различным целям и меняющимся потребностям в управлении. В таких ситуациях новые технологии могут быть легко интегрированы с минимальными изменениями и затратами, что позволяет использовать преимущества новейших аппаратных разработок. Контроллеры должны быть масштабируемыми, гибкими и модульными.
Для масштабируемого контроллера требуются только аппаратное обеспечение, программное обеспечение и необходимые сервисы для процесса. Как правило, компьютерные системы обеспечивают большую гибкость производства и продукта. Благодаря минимальному времени переключения между видами продукции на одной производственной линии может быть изготовлено большое количество изделий. Таким образом, гибкость этих систем снижает затраты на внесение изменений в условия процесса или продукцию в будущем.
Перспективы автоматизации пищевой и консервной промышленности
Новые элементы управления, датчики и аксессуары являются более точными, надежными, гибкими, компактными, портативными, экономичными, простыми в обслуживании, быстрыми и модульными. В будущем будут доступны интеллектуальные недорогие датчики и оборудование. Это поможет обеспечить однородность продукта, отсутствие ошибок при оценке и непрерывную обработку. Усовершенствованные модели процессов позволят внедрить передовые алгоритмы управления. В будущем средства управления технологическими процессами должны обеспечивать поддержание рабочих условий на желаемом уровне при минимальных эксплуатационных затратах. Будущие технологические прорывы и снижение стоимости цифровой электроники, компьютеров и датчиков еще больше повлияют на управление технологическими процессами в пищевой промышленности.