Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии

Диссертационная работа:

Апанасенко, Сергей Игоревич. Автоматизация контроля влажности кондитерских масс с применением интеллектуальных технологий : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.06 / Апанасенко Сергей Игоревич; [Место защиты: Моск. гос. ун-т приклад. биотехнологии].- Москва, 2010.- 131 с.: ил. РГБ ОД, 61 10-5/3178

смотреть введение
Введение к работе:

Актуальность проблемы

В современных техногенных условиях жизни и при больших эмоциональных и стрессовых нагрузках у населения Российской Федерации возникает все большая потребность в качественных и полезных для организма продуктах питания.

В настоящее время кондитерские предприятия занимают ведущее место среди отраслей пищевой промышленности, а их продукция пользуется неизменным и значительным спросом у населения страны. Кондитерские изделия представляют собой большую группу разнообразных высококалорийных продуктов питания, которые регулярно потребляются практически всеми группами населения различных возрастов. Эта продукция составляет значительную долю рациона питания, ввиду своих вкусовых качеств, а так же потому что она отличается высокой питательностью, усвояемостью и обеспечивает человеческий организм набором физиологически ценных веществ, необходимых для его нормальной жизнедеятельности.

В условиях рыночной экономики, обусловленной жесткой конкуренцией и строгим контролем со стороны государства, эффективность деятельности кондитерских предприятий напрямую зависит от того, насколько его продукция удовлетворяет запросам потребителей. Введение в действие Федеральных законов «О качестве и безопасности пищевых продуктов» и «О техническом регулировании» выдвигают перед производителями новые требования в повышении качества выпускаемой продукции. Решение данной проблемы в современных условиях возможно только на основе использования новейших научных достижений в области техники и технологии, обеспечения стабильности производственных процессов, соблюдения установленных технологических режимов, оснащения поточно- механизированных линий по производству кондитерских изделий современными средствами непрерывного автоматического контроля, регулирования и управления с использованием интеллектуальных технологий.

Трудность решения этих задач обусловлена нестабильностью свойств поступающего на переработку сырья, многообразием перерабатываемых полуфабрикатов по физико- химическим, биохимическим и структурно- механическим свойствам. Все это вызывает частые колебания режимов работы оборудования, а также параметров процесса приготовления многокомпонентных неоднородных кондитерских масс и не позволяет получать стабильный по качеству готовый продукт.

Одним из основных параметров, по которому судят о качестве выпускаемых кондитерских изделий, является влажность. Определение влажности сыпу-

чих и жидких кондитерских масс играет существенную роль как при контроле протекания технологических процессов, так и при контроле качества продукции. Однако, этот параметр для приготавливаемых кондитерских масс редко сохраняется постоянным. Он меняется от партии к партии и зависит от очень многих факторов, таких как свойства сырья, нестабильность технологических процессов, условия хранения и др.

В настоящее время влажность приготавливаемых кондитерских масс определяется только путем лабораторных измерений, ввиду невозможности или крайней дороговизны технического решения по организации их измерения поточным способом. Ситуация в кондитерской промышленности России требует новых подходов к решению этой важной проблемы в отрасли, и поиску альтернативных вариантов развития автоматизации контроля влажности кондитерских изделий с использованием высокоэффективных интеллектуальных технологий.

Создание системы автоматического контроля влажности кондитерских масс в потоке, позволяющей непрерывно контролировать свойства перерабатываемого сырья, полуфабрикатов и определять оптимальный режим протекания технологических процессов, дает возможность решить задачу стабилизации качества кондитерских изделий и является перспективным направлением развития кондитерской отрасли, а также актуальной научно-технической задачей специальности 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в пищевой промышленности).

В диссертации эта проблема исследована и решена на примере сахаристых кондитерских изделий, поскольку эти изделия становятся наиболее популярными у населения, обладают высокими вкусовыми качествами и хорошей усвояемостью. Производство сахаристых кондитерских изделий в настоящее время является перспективным направлением развития кондитерской промышленности. В технологической цепочке производства кондитерских изделий данного типа (таких как, например, конфеты из мягкого грильяжа), наиболее сложным является процесс уваривания сахаро- паточного сиропа, соблюдение влажности которого в течение всего производственного цикла является наиболее острой проблемой при приготовлении этого продукта, Для обеспечения необходимой стабильности протекания данного технологического процесса необходим непрерывный контроль влажности в режиме реального времени. Проведенный обзор и анализ работ, посвященных этой проблеме выявил, что к настоящему времени в пищевой промышленности для определения влажности для таких процессов применяются лабораторные методы и отсутствуют устройства автоматического контроля данного параметра в потоке, поскольку его значение трудно получить каким-либо другим способом кроме лабораторных замеров по ряду негативных факторов:

высокая вязкость среды;

высокая липкость массы;

высокое давление в варочном котле;

высокая температура в агрегате.

Перечисленные факторы делают невозможным измерение влажности приготавливаемой массы путем непосредственной установки датчика влажности внутри варочного котла.

Одним из перспективных направлений развития автоматизации процессов пищевой промышленности является применение аппарата искусственных нейронных сетей (ИНС), являющегося важным разделом теории искусственного интеллекта. ИНС способны решать широкий круг задач распознавания образов, идентификации, прогнозирования и оптимизации управления сложными объектами. В общетеоретическом плане ИНС исследовались в работах зарубежных ученых: Д. Хебба, Ф.Розенблатта, М.Минского, Дж. Холфидса, У.С.Мак-Коллака, У. Питтса, К.Э. Шеннона, Дж.М. Маккарти, Дж. Фон Неймана и др. Существенный вклад в решение научных и практических аспектов ИНС вносят отечественные ученые: В.В. Круглов, В.В. Борисов, Г.К. Вороновский, К.В. Махотило, С.Н. Петрашев, С.А. Сергеев, СВ. Фомин, А.А. Фролов, В.Л. Ду-нин- барковский и др., а в пищевой промышленности - М.М.Благовещенская, О.Н. Лимбах, Е.В. Роденков, В.В. Садовой, В.А. Самылина, А.Г. Храмцов, А.В. Шаверин и др.

Работы по реализации виртуальных датчиков на основе нейросетевых технологий и интергации их в процессы управления технологическими процессами рассматривались и проводились главным образом на иностранных предприятиях. Среди теоретиков, занимающихся данным вопросом стоит отметить американских ученых Фортуна Л., Гразиани С, Рицо А., Ксибилиа М., с их работой "Soft Sensors for Monitoring and Control of Industrial Processes" ("Виртуальные датчики для мониторинга и контроля промышленных процессов" (2007), а так же Венкатасубраманиани В., Ренгасвоми Р., Йина С, в 2003 году опубликовавших 3 части статьи "A Review of Process Fault Detection and Diagnosis" ("Обзор обнаружения и диагностики ошибок протекания процесса") в журнале "Computers and Chemical Engineering".

Параллельно с этими исследованиями, возможность использования нейронных сетей для реализации виртуальных датчиков была рассмотрена к.т.н. Ибрагомовым И.М. в его статье «Использование систем искусственного интеллекта при экспуатации энергетических объектов». Так же, под руководством д.г.н. Муромцева Ю.Л. была выполнена работа под названием «Виртуальный датчик влажности в системе оптимального управления процессами сушки», в которой впервые в пищевой промышленности была рассмотрен процесс вне-

дрения в СУ сушильной установкой вальцеленточного типа виртуального датчика, построенного на основе нейросетевых алгоритмов.

В настоящей работе был учтен и проработан опыт предыдущих исследований и были приняты во внимание все рекомендации, приводимые авторами перечисленных ранее трудов.

Анализ опубликованных научных работ в области ИНС свидетельствует о перспективности исследований по этой тематике, необходимости развития этого направления, а так же малочисленности данных исследований в области пищевой промышленности. Изучение отечественной и зарубежной литературы указывает на необходимость углубленного исследований в рассматриваемой области и применения новых подходов к использованию ИНС для построения виртуальных датчиков с учетом специфики кондитерской промышленности. В связи с чем, представляется своевременным и актуальным проведение комплексных исследований, направленных на автоматизацию контроля влажности кондитерских масс с применением интеллектуальных технологий; разработку виртуального датчика влажности кондитерских масс на основе нейросетевых алгоритмов; исследование возможности интеграции такого датчика в систему управления технологическим процессом при производстве кондитерских изделий.

Проведенные исследования показали возможность успешного решения задачи автоматического контроля влажности на примере сахаристых кондитерских масс за счет внедрения в производственный процесс специально разработанного программно-аппаратного комплекса (ПАК) виртуального датчика, построенного на основе искусственной нейронной сети (ИНС), приемлемого по стоимости для любого пищевого предприятия.

Создание и внедрение виртуального датчика влажности с использованием интеллектуальных технологий и современных математических методов позволяет оптимизировать управление технологическими режимами линии производства кондитерских изделий, непрерывно получать данные о влажности кондитерских масс в течение всего технологического процесса в режиме реального времени, существенно уменьшить уровень брака, снизить потери рабочего времени, сырья и энергии, повысить качество готовой продукции. Решение этой проблемы позволит построить эффективную систему регулирования и управления технологическими процессами кондитерских производств.

Актуальность работы подтверждается включением тематики проводимых исследований в научно- технический проект по госбюджетной теме №7242 «Снижение риска получения некачественной продукции за счет научно- обоснованных методов, приборов и систем автоматического контроля безопасности сырья, полуфабрикатов и готовых продуктов питания», выполняемой по анали-

тической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы» Министерства образования и науки Российской Федерации (2008-2010 гг.).

Актуальность проблемы, решению которой посвящена диссертационная работа, подтверждается также получением гранта Федерального агентства по образованию Министерства образования и науки Российской Федерации (проект № 7413: "Формирование и развитие кластера высших учебных заведений для интеграции научных и научно-образовательных ресурсов в области автоматизации и информатизации пищевой биотехнологии") по федеральной целевой программе "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)" (мероприятие: № 2 "Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук. Научно-методическое обеспечение развития инфраструктуры вузовской науки", раздел: № 2.2 " Научно-методическое обеспечение развития инфраструктуры вузовской науки ", подраздел: 2.2.1. "Развитие механизмов интеграции научной и образовательной деятельности и интегрированных научно-образовательных структур. Развитие инфраструктуры информационно-аналитического обеспечения научных исследований высшей школы", направление: 2.2.1.2." Развитие инфраструктуры информационно-аналитического обеспечения научных исследований высшей школы").

Разделы исследования, посвященные использованию интеллектуальных технологий в кондитерской промышленности, были включены в тематику НИР Московского государственного университета прикладной биотехнологии (МГУПБ) (2009 - 2010 гг.). Тема диссертационной работы соответствует плану НИР кафедры «Автоматизация биотехнических систем МГУПБ.

Изложенное позволяет сделать вывод об актуальности темы диссертационной работы.

Цель и задачи исследования

Целью настоящей работы является разработка, научное обоснование и создание методов и средств автоматизации контроля влажности кондитерских масс в потоке с применением интеллектуальных технологий, обеспечивающих производство кондитерских изделий стабильно высокого качества (на примере процесса уваривания сахаро- паточного сиропа линии приготовления конфет из мягкого грильяжа).

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи исследований:

Обоснование принципов решения проблемы автоматизации контроля влажности кондитерских масс.

Проведение анализа, обобщение и систематизация направлений использования искусственных нейронных сетей (ИНС) в различных отраслях (в том числе в пищевой) промышленности.

Разработка и обоснование метода, позволяющего в реальном времени контролировать влажность кондитерских масс.

Разработка математических моделей, алгоритмов и программ для реализации методов автоматического контроля влажности кондитерских масс.

Проведение комплексных экспериментальных исследований и анализа технологического процесса производства сахаристых кондитерских изделий (на примере процесса приготовления сахаро- паточного сиропа линии производства конфет из мягкого грильяжа) с целью разработки и апробации метода автоматического контроля влажности.

Выявление и анализ зависимостей между параметрами сырья и полуфабрикатов, используемых при приготовлении сахаристых кондитерских изделий, параметрами работы технологического оборудования и влажностью увариваемого сахаро- паточного сиропа.

Математическая постановка задачи автоматического регулирования влажности в процессах уваривания при приготовлении сахаристых кондитерских изделий.

Проектирование структуры программно-аппаратного комплекса (ПАК) для контроля влажности увариваемой кондитерской массы.

Научное обоснование и разработка оптимальной НСМ для автоматизации регулирования влажности увариваемой кондитерской массы. Разработка виртуального датчика влажности кондитерских масс на основе нейросе-тевых алгоритмов.

Разработка схемы интеграции ПАК виртуального датчика в автоматизированную систему управления технологическим процессом (АСУ ТП) при производстве кондитерских изделий.

Экспериментальная проверка результатов на промышленном оборудовании. Практическая реализация результатов разработки.

Объекты и методы исследования

Объектом исследования является поточная технологическая линия по производству конфет из мягкого грильяжа и нуги, функционирующая на производстве предприятия ОАО Московская Кондитерская Фабрика «Красный Октябрь» (типовая линия производства сахаристых кондитерских изделий).

Предмет исследования составила совокупность теоретических, методологических и практических задач, связанных с автоматизацией контроля влажно-

сти кондитерских масс. Были исследованы модели, методы, средства и способы контроля влажности кондитерских масс по результатам значений различных наиболее информативных технологических параметров процесса, а также физико-химических и реологических параметров сырья и полуфабрикатов, измеренных в процессе производства сахаристых кондитерских изделий.

При проведении теоретических и экспериментальных исследований использованы основные положения и уравнения теории автоматического управления, математического моделирования, элементы теории принятия решений, методы системного анализа, оптимизации, планирования и обработки результатов экспериментов, теории ИНС, теории нечетких множеств, а так же методы математической статистики. Экспериментальные исследования проведены с помощью стандартных методик и поверенных приборов а так же персонального компьютера с использованием пакета прикладных программ Mat.Lab 2007b.

Научная новизна работы

Научная новизна исследования, обеспечившая достижение цели работы заключается в следующем:

В результате теоретического анализа, экспериментальных исследований и расчетов обоснованы наиболее перспективные направления автоматизации контроля влажности кондитерских масс на основе виртуальных датчиков построенных на базе нейросетевых алгоритмов.

Разработаны теоретические и методологические основы автоматического контроля влажности кондитерских изделий (на примере процесса приготовления сахаро- паточного сиропа линии производства конфет из мягкого грильяжа), в частности впервые разработаны:

Метод автоматизации контроля влажности кондитерских масс.

Способ автоматического контроля влажности кондитерских масс в потоке, основанный на внедрении в систему управления (СУ) виртуального датчика, построенного на алгоритмах ИНС. Предложенный способ позволяет своевременно получить объективную информацию о текущей влажности увариваемого сиропа по результатам значений технологических параметров процесса, а также на основании физико-химических и реологических параметров сырья и полуфабрикатов, измеренных в процессе производства изделия.

Нейросетевая модель процесса уваривания сахаро-паточного сиропа.

Алгоритмическое и математическое обеспечение задачи автоматизации контроля влажности кондитерских масс.

Методика и алгоритм проектирование архитектуры комплекса системы автоматического контроля влажности.

Формулирование основных правил использования алгоритмов ИНС для создания виртуальных датчиков для контроля показателей пищевых масс.

Структура программно - аппаратного комплекса (ПАК) виртуального датчика, реализующего способ автоматического контроля влажности сахаристых кондитерских изделий и интеграция его в систему управления.

Основные правила использования алгоритмов ИНС для создания виртуальных датчиков контроля влажности кондитерских масс.

Практическая ценность

В результате проведенных исследований продемонстрированы возможности осуществления автоматического контроля влажности кондитерских масс в потоке на основе нейросетевои модели с последующим созданием АСУТП в кондитерской промышленности.

Основные позиции, определяющие практическую ценность работы, заключаются в следующем:

Создана и апробирована методика автоматического контроля влажности кондитерских масс в режиме реального времени (на примере процесса приготовления сахаро- паточного сиропа линии производства конфет из мягкого грильяжа).

Сформулированы предложения для обеспечения широкого использования в кондитерской промышленности аппарата искусственных нейронных сетей, являющегося одним из перспективных направлений развития теории искусственного интеллекта.

Даны рекомендации по созданию ПАК для контроля влажности кондитерских масс с использованием нейросетевои модели. Данная разработка позволит непрерывно в потоке контролировать влажность кондитерских масс.

Применен и апробирован разработанный способ автоматического контроля влажности в процессах приготовления сахаристых кондитерских изделий. Даны рекомендации по применению разработанного способа для построения системы регулирования влажности в процессе уваривания сахаро-паточного сиропа для приготовления конфет мягкого грильяжа.

Разработана и апробирована структура реализации ПАК виртуального датчика и его интеграции в АСУ ТП. Даны рекомендации и обоснования по выбору технических средств и программного обеспечения, необходимых для создания этой системы

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы были обсуждены и одобрены на:

Семинаре «Интенсификация и автоматизация технологических процессов обработки пищевых продуктов», МГУПБ, 2009.

Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Экологически безопасные, ресурсосберегающие технологии и средства переработки сельскохозяйственного сырья и производства продуктов питания», МГУПБ, 2009.

П-ой Конференции молодых ученых «Реология и физико-химическая механика гетерофазных систем», 2009.

И-ом Испанско- Российском Форуме по информационным и коммуникационным технологиям, Мадрид, 21-25 сентября 2009.

X Международная научно- практическая конференция «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве», Углич, 2009.

Электронной научной конференции на основе Интернет-форума, научно-информационного издательского центра и редакции журнала «В мире науки», 2009.

Х-ой Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2010».

Получено свидетельство Всероссийской Выставки Научно-технического Творчества Молодежи о результативном участии в создании и успешной демонстрации научно-технического проекта.

Разработанная система контроля влажности кондитерских изделий внедрена и введена в эксплуатацию в конфетном цехе ОАО «МКФ Красный Октябрь». Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры «Автоматизация биотехнических систем» ГОУ ВПО Московского государственного университета прикладной биотехнологии по следующим дисциплинам: «Моделирование систем», «Технические средства автоматизации» и «Проектирование автоматизированных систем» о чем свидетельствуют соответствующие акты внедрения.

По итогам работы подготовлены две заявки на изобретения.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ. Структура н объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка используемой литературы (104 источника) и приложения. Работа изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков, 12 таблиц, 1 приложения.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net