Пищевое предприятие должно перерабатывать сырье в продукты с желаемыми свойствами, используя доступные технологии и энергетические ресурсы наиболее экономичным образом. Для этого на пищевом предприятии систематически и рационально используются различные технологические операции (выпаривание, фильтрация, сушка, смешивание, экструзия и т.д.). Эти установки работают в контролируемых технологических условиях (температура, давление, расход, концентрация и т.д.).

В целях безопасности условия эксплуатации должны находиться в допустимых пределах и соответствовать экологическим нормам. Также должны соблюдаться эксплуатационные ограничения. Наконец, условия технологического процесса должны контролироваться на оптимальном уровне для минимизации эксплуатационных расходов, получения максимальной прибыли и получения желаемых характеристик продукта.

Технологии управления технологическими процессами развиваются благодаря появлению недорогих микропроцессоров и аксессуаров к ним. Развитие программируемых логических контроллеров (ПЛК) также значительно способствовало автоматизации процессов. Кроме того, нейро-нечеткая логика улучшила операционный контроль в пищевой промышленности.

Статистический контроль технологических процессов (SPC) используется для поддержания качества продукции, когда возможен непрерывный мониторинг качества продукции [1]. В настоящее время компьютерная система управления технологическими процессами является важным инструментом в любой отрасли. Даже для предприятий малого и среднего бизнеса обработка потока технологической информации с помощью автоматизированной системы имеет решающее значение не только для управления процессом, но и для обеспечения оптимального качества продукции и производительности [2].

Компьютеризированное управление может использоваться как для модернизации существующего оборудования, так и для создания новых производств. Цифровое или компьютерное управление технологическим процессом оптимизирует эффективность процесса и/или оборудования [3].

Аналоговые средства управления, использовавшиеся ранее, были эффективны в нормальных условиях эксплуатации, но при значительных отклонениях от технологического процесса они не могли реагировать достаточно быстро, чтобы внести необходимые коррективы без превышения скорости. Об этом сообщалось [3] в случае распылительных сушилок, используемых для сушки молока.

В прошлом в таких ситуациях для ручного управления процессом требовались опытные операторы. Несмотря на то, что пневматические системы управления уже давно используются в пищевой промышленности, использование компьютерных средств управления дает множество дополнительных преимуществ, таких как возможность контролировать многие операции независимо и одновременно.

Электрические переключатели, реле, таймеры и соленоиды управляли процессами еще до появления программируемых контроллеров и микропроцессоров. Время простоя было значительно сокращено благодаря замене электромеханических элементов управления программируемыми контроллерами. По сравнению с другими отраслями, такими как химическая и металлургическая, пищевая промышленность медленно осваивает достижения в области компьютерного управления. Однако несколько крупных компаний добиваются значительных успехов в автоматизации различных процессов.

Потребности и ограничения в автоматизации пищевой и консервной промышленности

Пищевая промышленность сталкивается с растущей глобальной конкуренцией, регулированием и требованиями потребителей. Для получения конкурентных преимуществ на рынке требуются новые технологии и методы работы. Необходимость в повышении уровня автоматизации в пищевой промышленности обусловлена:

(1) устранением чрезвычайно повторяющихся и монотонных задач, которые приводили к постоянным травмам работников,

(2) необходимостью улучшения контроля качества из-за сложности работы с потребителями, нормативных требований к маркировке и узких границ качества,

(3) отказ от автономного контроля качества в связи с необходимостью более быстрого устранения отклонений от технологического процесса и стандартов качества/спецификаций, а также

(4) обнаружение посторонних веществ и загрязнителей в пищевых продуктах.

Капитальные вложения и накладные расходы

Автоматизация снижает производственные затраты за счет сокращения трудозатрат, сокращения потерь и обеспечения более быстрого и эффективного массового производства. Автоматизация, как правило, сокращает количество станков, необходимых на заводе. Это обеспечивает экономию затрат на рабочую силу и техническое обслуживание.

При автоматизации, как правило, достигается значительная экономия затрат на персонал. Система автоматизации не проявляет таких человеческих особенностей, как усталость, перепады настроения или непоследовательность в суждениях. Компьютерное управление и автоматизация обеспечивают точную и воспроизводимую обработку партий. Такое управление позволяет быстрее и с меньшими затратами на регулировку достигать оптимальных условий эксплуатации.

Используя эти элементы управления, операторы могут реализовать любую стратегию управления — от пропорционально-интегральной производной (PID) до сложного многоконтурного управления и последовательности, моделей процессов и математических расчетов, изменения уставок, регистрации аварийных сигналов, а также сложного интерактивного управления, такого как опережение/ задержка, компенсация времени простоя и адаптивное усиление [5].

Специальные функции управления могут быть легко встроены в систему управления. Они также предоставляют значительную информацию о таких параметрах, как параметры процесса, выходные сигналы, уставки и точки срабатывания сигнализации. Входные данные для этих систем могут поступать от множества датчиков, в том числе от удаленных передатчиков, установленных в полевых условиях. Таким образом, эти средства контроля необходимы для повышения эффективности и снижения общих затрат в дополнение к повышению производительности.

Документирование процесса автоматизации технологических процессов в пищевой и консервной промышленности

Возможности системы по документированию практически неограниченны. В компьютерной системе может храниться значительная информация о процессах и продуктах. При необходимости эти системы могут создавать отчеты об использовании ингредиентов для контроля запасов [6]. Эти отчеты можно получать ежедневно, еженедельно, ежемесячно и ежегодно. Для каждой партии могут быть сохранены и другие данные о качестве, которые впоследствии могут быть использованы для анализа изменений от партии к партии.

Интеллектуальные системы также отслеживают и регистрируют периодические и временные изменения параметров продукта. Это помогает в дальнейшем улучшении качества продукции. Оператор может использовать эти системы для создания отчетов, просмотра процессов в режиме реального времени, изменения уставок, конфигурации системы и проведения тестирования. Собранная статистика может быть использована для изучения и улучшения процесса. Компьютерное управление может повысить производительность.

Производительность нефтепереработки была увеличена на 30% [7] за счет использования трех дискретных микрокомпьютерных контроллеров процесса. Они были разработаны для выполнения всех непрерывных циклов, включающих сложные интегрированные алгоритмы, блокировку клапанов и некоторую последовательность действий. Аналогичные средства управления также могут быть использованы для оптимизации рецептур смесей и планирования производства, а также для моделирования процессов.

Эти системы также повышают производительность, безопасность и эффективность на всех этапах производственного процесса. Повышается способность производить лучший продукт с наименьшими затратами и обеспечивать безопасность сотрудников [8]. Общее управление качеством (TQM) может быть легко внедрено благодаря усовершенствованному управлению технологическим процессом, мониторингу качества сырья и статистическому контролю процесса.

Продукты могут быть взвешены электронным способом в соответствии с точными стандартами, что обеспечивает покупателям однородную упаковку [9]. Компьютеризированная система контрольного взвешивания в режиме реального времени автоматически рассчитывает среднее значение, диапазон, стандартное отклонение и доверительные пределы на предприятии по производству замороженной пиццы [10]. Использование многих ингредиентов для приготовления пиццы тщательно контролировалось, чтобы соответствовать требованиям к весу нетто и стандартам рецептуры продукта. Данные и сигналы, поступающие от контроллера, предупреждали техников или руководителей о необходимости принятия корректирующих мер.

Робототехника в пищевой и консервной промышленности

Роботы, управляемые компьютером, запрограммированы на выполнение многих операций в пищевой промышленности. Они полезны при обработке материалов, обеспечивая гибкость при погрузке и разгрузке [11]. Передовая робототехника и современные сенсорные технологии помогают разрабатывать гибкие модульные решения для решения задач пищевой промышленности. В 1992 году из 4000 роботов, проданных в пищевой промышленности по всему миру, 1500 были проданы в Японии, в основном для производства суши [12].

Использование роботов в пищевой промышленности стало возможным благодаря усовершенствованиям в области специальных возможностей захвата, датчиков, систем визуального контроля и сложных систем управления информацией. Современные роботы представляют собой сложные программируемые манипуляторы, оснащенные механическими руками, приводимыми в действие электромеханическими устройствами. Они позволяют выполнять множество комбинаций вращательных / переходных движений в трехмерном пространстве.

Роботы могут выбирать, размещать, транспортировать и ориентироваться аналогично человеческой руке, но с большей мощностью, точностью и повторяемостью. Туши автоматически разделываются роботизированными разделителями, работающими в паре, со скоростью 1106 свиных туш в час.

Машинное зрение в пищевой и консервной промышленности

Методы машинного зрения были разработаны для контроля и выявления технологических дефектов на высокой скорости. Системы машинного зрения могут проверять пищевые продукты на наличие посторонних веществ, неправильного цвета, синяков, шрамов и других дефектов [14]. Такие системы используют камеры для выявления дефектов как по цвету, так и по размеру. Они используют лазеры для определения различий во внутренней структуре и цвете, которые помогают отделять посторонние материалы, похожие по цвету на продукт.

Таким образом, они полезны для контроля качества на технологических линиях. Однако при сортировке фруктов и овощей возникают проблемы из-за их непостоянства. Производители оборудования для пищевой промышленности в настоящее время проводят диагностику оборудования, чтобы избежать поломок. Программируемое управление со специальным входом/выходом (I/O) снижает риск сбоя процесса и время простоя. Это расширяет возможности диагностики процесса и, таким образом, упрощает отслеживание ошибок.

Благодаря своей простоте цифровые сигналы менее чувствительны к электрическим помехам, чем аналоговые. Таким образом, эти цифровые устройства ввода-вывода особенно необходимы в пищевой промышленности, где тяжелое электрическое оборудование создает помехи в сигналах низкого напряжения от датчиков.