CC BY
16
УДК 65.01.85.664
Система автоматического регулирования процесса
формования конфетных жгутов
М.М. Благовещенская, д-р техн. наук, профессор, И.Г. Благовещенский, д-р техн. наук, профессор, С.М. Носенко, Я.В. Иванов, канд. техн. наук, Л.А. Крылова, доцент Московский государственный университет пищевых производств
Во все времена актуальной задачей кондитерского производства Российской Федерации было и остается производство кондитерских изделий заданного качества. Важнейшая операция производства кондитерских изделий - процесс формования, где определяются структурно-механические свойства кондитерских масс, обусловливающие ход технологического процесса и качество готовых кондитерских изделий.
Решение этой проблемы тесно связано с широкой автоматизацией технологических процессов, внедрением новых интеллектуальных техно-
На основе анализа процесса формования жгута разработана параметрическая модель процесса формования конфетных жгутов на транспортерную ленту.
логий, появлением необходимых средств контроля для реализации автоматизированных систем управления, проведением организационно-технических мероприятий, способствующих улучшению качества и увеличению ассортимента выпускаемых пищевых продуктов [1].
Наши исследования были направлены на разработку автоматизированной информационно-измерительной системы для мониторинга структурно-механических свойств кондитерских масс после формования.
Эффективное использование цифровой видеотехники в системах автоматизации производства характерно для наиболее развитых производств с общей высокой культурой и технологией. Существующие методы цифровой обработки изображения ориентированы на удовлетворение интересов человека (распознавание текста и других образов, фильтрация
Ключевые слова: автоматические системы управления; цифровая видеосъемка; процесс формования кондитерских масс.
Key words: automatic control systems, digital video, the process of forming confectionery masses.
и улучшение изображения с точки зрения человеческого зрения и т. д.). Важная область применения цифровых изображений, регистрируемых цифровой видеокамерой (ЦВК) в видимом диапазоне, - автоматический контроль выпускаемой продукции. Например, в электронной промышленности - контроль наличия всех компонентов в движущихся на конвейере печатных платах сложных электронных устройств. Компьютерный визуальный контроль отсутствия пустых мест в движущейся упаковке таблеток применяется в фармацевтической промышленности. В пищевой промышленности начинают использовать компьютерную видеосъемку для выявления недостаточно заполненных бутылок на производственной линии, комплектности конечной упаковки изделий или наличия брака в виде отдельных подгоревших кукурузных хлопьев, проходящих контроль по цвету. Широкое применение цифровая видеосъемка нашла в САР-технологи-ческих процессов пищевых производств [2].
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
разработаны теоретические основы обработки информации, поступающей от видеокамеры в САР [3, 4];
проведен анализ возможности использования цифровой видеосъемки в пищевой промышленности на примере формования жгутов из конфетной массы;
проведен анализ использования ЦВК в качестве интеллектуального
датчика для систем контроля, управления и регулирования;
разработана параметрическая модель процесса формования конфетных жгутов;
определены динамические характеристики процесса формования;
разработана математическая модель движения жгута пищевой массы после выхода из матричного отверстия [5];
разработана математическая модель САР с использованием эталонного видеокадра в качестве задатчи-ка в программной среде МАТ1_АВ;
в качестве параметра процесса формования конфетных жгутов, помимо высоты конфетного жгута и расстояния до точки касания жгута к транспортерной ленте, предложено использовать величину удельной площади, определяемой при математической обработке видеокадра, как частное от площади фигуры, образованной нижней границей жгута, верхней границей транспортерной ленты и вертикальными прямыми, деленной на расстояние между этими вертикальными прямыми;
разработаны алгоритмы программ для определения по изображениям видеокадров изменения таких параметров, как высота конфетного жгута, расстояние до точки касания конфетного жгута к поверхности транспортерной ленты и удельная площадь [б];
разработаны критерии сравнения визуальных параметров, получаемых после обработки изображения видеокадра. Кроме точности определения визуального параметра, времени, необходимого для его расчета и времени запаздывания реакции на входное возмущение, предложен критерий визуальной устойчивости, отражающий чувствительность измеряемого параметра к случайным механическим сдвигам видеокамеры [7];
проведена цифровая видеосъемка различных режимов работы формующей машины и после математичес-
кой обработки видеозаписи определены передаточные функции при использовании в качестве регулируемых параметров таких выходных параметров как изменение расстояния до точки касания конфетного жгута к транспортерной ленте и изменение удельной площади;
подтверждена эффективность использования величины удельной площади как при анализе производственного процесса формования, так и в качестве регулируемого параметра в САР процесса формования конфетного жгута. Именно удельная площадь оказалась наиболее чувствительным параметром, отражающим динамику процесса формования и обладающим минимальным запаздыванием;
построены и проанализированы структурная и функциональная схемы системы регулирования процесса формования конфетных жгутов с применением цифровой видеокамеры;
на основании решения уравнений динамики жидкости получена математическая модель движения конфетного жгута после выхода из матричного отверстия, в которой, помимо вязкости, учтено свойство ползучести, характерное для конфетных масс;
показаны преобразования структурных схем, позволяющие совместить экспериментальные и теоретические передаточные функции в единую систему для моделирования САР процесса формования конфетного жгута;
разработана в Б1ти!1пк математическая модель САР процесса формования конфетного жгута, позволяющая исследовать переходные процессы, происходящие в системе регулирования, использующей цифровую видеокамеру в качестве интеллектуального датчика;
разработан алгоритм принятия решений для формирования регулирующего воздействия при использовании цифровой видеокамеры в качестве интеллектуального датчика;
разработана САР технологических процессов пищевых производств с применением ЦВК в качестве интеллектуального датчика.
Сформулированы предложения для обеспечения широкого использования ЦВК в качестве интеллектуального датчика:
возможность установки ЦВК необходимо предусматривать на стадии проектирования технологического оборудования;
для получения изображений внутри герметичных объемов технологического оборудования необходима
разработка миниатюрных устройств, включающих ЦВК и светодиоды для подсветки наблюдаемого объекта;
для расширения области использования ЦВК необходимо проведение прикладных научных исследований по изучению связи режимов обработки пищевого полуфабриката с изменением его визуальных характеристик (цвет, размер, форма и текстура поверхности);
для использования ЦВК в качестве интеллектуального датчика необходимо решение проблемы метрологического обеспечения и сертификации измерительных комплексов «ЦВК - программное обеспечение».
Для получения из видеокадра информации о величине управляющего сигнала, подаваемого на исполнительное устройство, необходимо определить последовательность функционалов, преобразующих матрицу изображения видеокадра:
I- ■! . ■. ■ |. , (1)
где Ф - векторный функционал, обеспечивающий одностороннее отображение множества (матрицы) Ма в другое множество (матрицу) Мв действительных чисел. Векторность функционала говорит о невозможности обратного однозначного отображения. Для решения задачи сведения трехмерной матрицы изображения к численному значению определяемого параметра необходимо найти последовательность Фг-Фп отображений.
Как и в любой САР, где применяются датчики уровня отслеживаемого параметра, так и в случае применения цифровой видеокамеры в качестве интеллектуального датчика целесообразно использовать эталонный видеокадр в качестве задатчика. К эталонному и текущему видеокадрам должны применяться для обработки одни и те же последовательности функционалов, после чего производится вычитание полученных изображений для определения управляющего воздействия.
Разработаны методика подготовки к цифровой видеосъемке и методика проведения экспериментальной видеосъемки процесса формования конфетных жгутов в производственных условиях. На основе этих методики и компьютерной программы, разработанных для оценки стабильности скорости записи цифровой видеокамеры с помощью монитора персонального компьютера, показано, что скорость видеосъемки (интервал времени между соседними
кадрами) колеблется от кадра к кадру со средним периодом 0,2 с.
Разработана методика математической обработки видеофильмов, снимаемых в процессе проведения эксперимента, а также алгоритмы обработки экспериментальных видеокадров с использованием в качестве функционалов, преобразующих матрицы изображений видеокадров, функций математических пакетов «Image Processing Toolbox (IPT)» и «Digital Image Processing Using MATLAB (DIPUM)» в среде программного комплекса MATLAB. При этом проиллюстрированы изменения, происходящие с изображением исходного видеокадра после применения соответствующих функций.
Помимо измерения высоты конфетного жгута, лежащего на подвижной транспортерной ленте, и координат точки касания конфетного жгута к транспортерной ленте, предложено измерять на изображении кадра площадь S фигуры, образованной нижней границей конфетного жгута, висящего в воздухе между матричным отверстием и транспортерной лентой, горизонтальной осью координат и вертикальными прямыми, проведенными в точках x1 и x2. В качестве параметра процесса формования предложена величина удельной площади, равная SyA = = S/U— х). Разработанные алг о-ритмы программ использованы для определения по конечным изображениям видеокадра таких геометрических параметров, как высота конфетного жгута, координаты точки касания конфетного жгута к поверхности транспортерной ленты и удельная площадь.
На основе анализа процесса формования жгута под произвольным углом (рис. 1) разработана параметрическая модель процесса формования конфетных жгутов на транспортерную ленту (рис. 2). В общем случае входными параметрами служат: скорость выхода жгута из матричного отверстия (vj; реологические
Рис. 1. Выход под произвольным углом жгута из матричного отверстия с переходом на транспортерную ленту
свойства конфетной массы (РСМ); температура формуемой массы (Тф) и скорость транспортерной ленты (утл). Эти параметры можно регулировать за счет изменения: скорости нагнетания конфетной массы, введения других рецептурных компонентов в эту массу, температуры термо-статирования предматричной камеры и скорости вращения вала двигателя транспортера.
В зависимости от этих параметров будут изменяться такие выходные параметры, как расстояние до точки касания [К (хк,0) ]; высота конфетного жгута, лежащего на транспортерной ленте (h); удельная площадь [S (x1; x2) ]; кординаты максимального уровня жгута [М (х,у) ]; текстура (ТП) и цвет поверхности жгута. При этом случайным образом могут немного изменяться физико-химические свойства любого рецептурно-
0
-0,2' -0,4 -0,6 -0,8
го с='
I -1
т
^ -1 2т Время, с
Рис. 3. Изменение удельной площади при увеличении скорости нагнетания конфетной массы
ш ГО
2 4 6 8 1
L*
Получение изображения с видеокамеры
Улучшение качества изображения
Перевод изображения в градации серого
Выделение объекта управления
Гистограммное повышение четкости границ изображения
Получение векторов пграниц
Выделение вектора нижней границы жгута
Построение бинарного изображения текущей площади под жгутом в промежутке от xl до х2. (Is)
Вычитание эталс изображения (1э^ >н но го бинарного ) из текущего (Is)
| Определение уде ;льной площади Sy |
Уменьшить скорость выхода массы
Увеличить скорость выхода массы
^ Конец |
Рис. 4. Блок-схема алгоритма управления, на основе которого интеллектуальная система принимает решение об изменении регулирующих воздействий
го компонента (СРК) и адгезионные свойства поверхности транспортерной ленты (АТЛ), возникать краевые эффекты на выходе формующего отверстия матрицы (КЭМ), влияющие на выходные параметры процесса формования.
С учетом конструкции рабочего экструдера и условий проведения экспериментальной видеосъемки упрощается параметрическая схема, в которой изменяется состав входных и выходных параметров, а также влияющих случайных воздействий.
По результатам обработки экспериментальной цифровой видеосъемки произведена оценка колебания скорости транспортерной ленты. Показано, что эти колебания кажущиеся и вызваны нестабильностью скорости работы видеокамеры.
Для рабочего режима формования выполнен анализ изменения высоты конфетного жгута, изменения расстояния до точки касания и изменения удельной площади. Произведена сравнительная оценка чувствительности этих разных выходных параметров. Изменения высоты конфетного жгута в рабочем режиме были в пределах точности измерения этого параметра, что говорит о его малой чувствительности к изменению режима формования.
Проведена оценка влияния колебаний давления нагнетания конфетной массы, создаваемых валково-шестеренным нагнетателем на выходные параметры. Установлено, что эти колебания не влияют на выходные параметры.
Обработаны и проанализированы экспериментальные данные переходных процессов, возникающих после резкого увеличения или снижения скорости нагнетания конфетной массы. На рис. 3 показано изменение удельной площади, возникающее после резкого увеличения скорости нагнетания конфетной массы. После обработки экспериментальной цифровой видеосъемки переходного процесса были определены передаточные функции
WK(s) =
10,8959 ■ ехр(0,4082 • s) s +1,8147
связывающие между собой, соответственно, изменение расстояния до точки касания и изменение удельной площади в зависимости от измене-
и
Рис. 5. Математическая модель САР на основе измерения удельной площади
ния скорости нагнетания конфетной массы. Из выражений (2) видно, что время запаздывания меньше для удельной площади, поэтому этот параметр быстрее реагирует на изменение динамики процесса формования.
При резком снижении скорости нагнетания конфетной массы происходит натяжение жгута, его поперечное сечение уменьшается, увеличивается шероховатость поверхности жгута. Через 8 с жгут провисает и на 12-й секунде разрывается. Нестационарные процессы, возникающие из-за малой прочности конфетной массы, не позволили исследовать до конца процесс перехода к замедленному нагнетанию конфетной массы в производственных условиях.
Построена и проанализирована структурная схема системы регулирования процесса формования конфетных жгутов с использованием цифровой видеокамеры. На ее основе построена и проанализирована функциональная схема системы автоматического регулирования с использованием цифровой видеокамеры в контуре управления. Показано, что эту систему управления с цифровой видеокамерой можно отнести к классу известных дискретных систем управления с ЭВМ, теоретические основы которых уже применяются в проектировании систем управления технологическими процессами.
На рис. 4 представлена разработанная блок-схема алгоритма управления, на основе которого интеллектуальная система принимает решение об изменении регулирующих воздействий.
Разработана в Б1ти!тк модель САР процесса формования конфетного жгута (рис. 5), позволяющая исследовать переходные процессы, происходящие в системах регулирования процесса формования конфетного жгута, использующих цифровую видеокамеру в качестве интеллектуального датчика.
Использование ЦВК в отраслях пищевой промышленности имеет широкие перспективы и повышает уровень автоматизации и пищевой безопасности производства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Благовещенская, М.М. Системы управления технологическими процессами и информационные техно-логии/М.М. Благовещенская, Л.А. Злобин. - М.: Высшая школа, 2007. -655 с.
2. Благовещенская, М.М. Комплексная оценка качества пищевых про-дуктов/М.М. Благовещенская, И.К. Петров//Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. -1984. - № 4. - С. 83-85.
3. Шаверин, А.В. Исследование возможностей современных автоматизированных технологических линий для построения интеллектуального модуля прогнозирования вкусовых качеств кондитерских масс/А.В. Шаверин, М.М. Благове-щенская//Сб. докладов V Юбилейной школы-конференции с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». - М.: МГУПП, 2007. - С. 391393.
4. Благовещенская, М.М. Вычитание изображений в программе МАТ1_АВ//Сб. докладов IV международной конференции-выставки «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реа-лизации»/М.М. Благовещенская, Я.В. Иванов. - Ч. 2. - М.:МГУПП, 2006. - С. 130-132.
5. Иванов, Я.В. Использование цифровых видеокамер в системах
автоматического управления технологическими процессами пищевых производств//Сб. материалов V юбилейной школы-конференции с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реа-лизации»/Я.В. Иванов, М.М. Благовещенская. - М.: МГУПП, 2007. -С. 347-349.
6. Благовещенская, М.М. Математическое моделирование движения жгута пищевой массы после горизонтального прессования/М.М. Благовещенская, Я.В. Иванов // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. - 2008. - № 6. -С. 164-166.
7. Благовещенская, М.М. Использование интеллектуального датчика в системе автоматического управления технологическими про-цессами/М.М. Благовещенская, Я.В. Иванов// Сб. докладов Х международной научно-практической конференции «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве». - Ч. 2. - М.: ГНУ ВИМ Россельхозакадемии, 2008. - С. 448-451.
