Использование цифровой видеокамеры в качестве интеллектуального датчика системы автоматического регулирования процесса формования гранулированных комбикормов

Гранулированные комбикорма изготавливают для всех видов животных, птиц и рыб. Размеры гранул зависят от вида и возраста животных, способов кормления. Для взрослых птиц (кур, уток, гусей, индеек) диаметр гранул составляет 4,7…9,7 мм; взрослого крупного рогатого скота – 4,7… 19,0; взрослых овец – 4,7… 12,7 мм; лошадей – 4,7… 19,0 мм; рыб – 4,7 мм и т. д. При гранулировании можно применять связующие вещества с одновременным пропариванием или без пропаривания. В качестве таких веществ используют соленый гидрол, мелассу, кукурузный экстракт и другие, а также воду.

Превращение дисперсных материалов в гранулы с заданными структурномеханическими свойствами может осуществляться различными способами. Известны принципиально различные способы связывания сыпучих материалов в агрегаты. Выбор способа и средств для уплотнения дисперсных сред зависит от структурно-механических свойств исходного материала и требований к показателям качества конечного продукта.

Гранулирование прессованием – наиболее распространенный способ связывания сыпучих материалов, направленный на получение определенной структуры с помощью внешних механических воздействий. Для этой цели применяют формирующие, прокатывающие и выдавливающие установки. Сущность процесса – объемное сжатие и сдвиг прессуемой смеси, в большинстве случаев ее пластификация и структурирование, и затем формирование массы в гранулы. В технике применяют прессы периодического действия (штемпельные, рычажные, карусельные, гидравлические и др.) и непрерывного ротационного принципа (кольцевые, вальцовые).

Гранулирование выдавливанием может осуществляться двумя способами: влажным и сухим. При влажном гранулировании прессуе- мую массу с помощью дисперсионной среды вначале переводят в пастообразное пластифицированное состояние, а затем подвергают формованию и кристаллизации. Наибольшее распространение получил способ сухого гранулирования. После контроля по примесям рассыпной комбикорм подается в прессующую установку, где обрабатывается паром и посредством выдавливания смеси через отверстия матрицы формируется в гранулы, которые после охлаждения в специальной колонке и просеивания поступают в склад готовой продукции. Преимуществом является наличие высокопроизводительного прессующего оборудования при относительно небольших расходах электроэнергии, кроме того, обработка паром способствует достижению требуемых санитарногигиенических показателей качества комбикормов. Производство комбикормов на предприятии ведется с использованием требуемых технологических операций и линий по приему и размещению сырья в хранилищах. Процесс выполняется по утвержденной технологической схеме завода. Количество технологических линий устанавливается в соответствии с требованиями на производство отдельных видов комбикормов.

Актуальной задачей производства гранулированных комбикормов является получение готовых изделий заданного качества. Важнейшей операцией производства гранулированных комбикормов является процесс формования. В процессе формования определяются структурномеханические свойства гранулированных комбикормов, обусловливающие ход технологического процесса и качество готовых изделий [1].

Решение этой проблемы тесно связано с широкой автоматизацией технологических процессов, внедрением новых интеллектуальных технологий, появлением необходимых средств контроля для реализации автоматизированных систем управления, проведением организационно-технических мероприятий, способствующих

ВестникВГУИТ, №2, 2014 улучшению качества и увеличению ассортимента выпускаемых пищевых продуктов [2].

Наши исследования были направлены на разработку автоматизированной информационно-измерительной системы для мониторинга структурно-механических свойств гранулированных комбикормов после формования.

Эффективное использование цифровой видеотехники в системах автоматизации производства, прежде всего, наблюдается на наиболее развитых производствах с общей высокой культурой и технологией. Существующие методы цифровой обработки изображения ориентированы на удовлетворение интересов человека (распознавание текста и других образов, фильтрация и улучшение изображения с точки зрения человеческого зрения и т.д.). Важной областью применения цифровых изображений, регистрируемых цифровой видеокамерой (ЦВК) в видимом диапазоне, является 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 используется в фармацевтической промышленности. В пищевой промышленности начинает использоваться компьютерная видеосъёмка 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; оценки структурно-механических свойств шоколадных масс. Данное направление является актуальным, поэтому необходимо более широкое использование цифровой видеосъемки в САР различных технологических процессов пищевых производств [3, 4].

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• -    разработаны теоретические основы обработки информации, поступающей от видеокамеры в САР [5];

• -    проведен анализ возможности использования цифровой видеосъемки в пищевой промышленности на примере формования жгутов из пищевой массы;

• -    проведен анализ использования ЦВК в качестве интеллектуального датчика для систем контроля, управления и регулирования;

• -    разработана параметрическая модель процесса формования жгутов из пищевой массы;

• -    определены динамические характеристики процесса формования;

• -    разработана математическая модель движения жгута пищевой массы после выхода из матричного отверстия [6];

• -    разработана математическая модель САР с использованием эталонного видеокадра в качестве задатчика в программной среде MATLAB;

• -    в качестве параметра процесса формования жгутов предложено использовать величину удельной площади, определяемой при математической обработке видеокадра;

• -    разработаны алгоритмы программ для определения по изображениям видеокадров изменения структурно-механических свойств пищевых масс [7, 8];

• -    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 [9];

• -    произведена цифровая видеосъемка различных режимов работы формующей машины и после математической обработки видеозаписи определены передаточные функции при использовании в качестве регулируемых параметров таких выходных параметров как изменение расстояния до точки касания 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 пищевого 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 пищевых жгутов с использованием цифровой видеокамеры;

• -    на основании решения уравнений динамики жидкости получена математическая модель движения жгута после выхода из матричного отверстия, в которой, помимо вязко-

• сти, учтено свойство ползучести, характерное для комбикормовых масс;

• -    показаны преобразования структурных схем, позволяющие совместить экспериментальные и теоретические передаточные функции в единую систему для моделирования САР процесса формования жгута;

• -    разработана в Simulink математическая модель САР процесса формования жгута, позволяющая исследовать переходные процессы, происходящие в системе регулирования, использующая 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 использованием 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 герм етичных объёмов 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:

^) = ^<.А[Ф2(Ф^^^^^^ m

, (1) где Ф – векторный функционал, обеспечивающий одностороннее отображение множества (матрицы) Ма в другое множество (матрицу) Мв действительных чисел. Векторность функ- ционала говорит о невозможности обратного однозначного отображения. Для решения задачи сведения трехмерной матрицы изображения к численному значению определяемого параметра необходимо найти последовательность Ф1…Фn отображений.

Как и в любой САР, где применяются датчики уровня отслеживаемого параметра, так и в случае использования 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.

Разработана методика подготовки к цифровой видеосъемке и методика проведения экспериментальной видеосъемки процесса формования комбикормовых жгутов в производственных условиях. С помощью этих методик и компьютерной программы, разработанных для оц енки стабильности скорости записи цифровой видеокамеры с помощью монитора персонального компьютера, показано, что скорость видеосъёмки (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 функцио-нaлов, 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.

В качестве параметра процесса формования предложена величина удельной площади, равная Syd = S/(x2 - х). На основе анализа процесса формования жгута под произвольным углом разработана параметрическая модель процесса формования жгутов (рисунок 1). В общем случае входными параметрами являются: скорость выхода жгута из матричного отверстия (vM); реологические свойства комбикормовой массы (РСМ); температура формуемой массы (Тф) и скорость транспортёрной ленты (vтл). Эти параметры можно регулиро- вать за счёт изменения: скорости нагнетания комбикормовой массы, введения других рецептурных компонентов в эту массу, температуры термостатирования камеры (рисунок 2).

Рисунок 1. Параметрическая схема для формования жгута из матричного отв ерстия

В зависимости от изменения этих параметров будут изменяться такие выходные параметры как расстояние до точки касания (К (хк,0)); высота жгута (h); удельная площадь (S (х1, х2)); координаты максимального уровня жгута (М (х,у)); текстура (ТП) и цвет поверхности жгута. При этом случайным образом могут немного изменяться физико- химические свойства любого рецептурного компонента (СКР) и адгезионные свойства поверхности транспортерной ленты (АТЛ), возникать краевые эффекты на выходе формующего отвер стия матрицы (КЭМ), влияющие на выходные параметры процесса формования.

Выявлено, что с учётом конструкции рабочего экструдера и условий проведения экспериментальной видеосъёмки упрощается параметрическая схема, в которой изменяется состав входных и выходных параметров, а также влияющих случайных воздействий.

Обработаны и проанализированы экспе риментальные данные переходных процессов, возникающих после резкого увеличения или снижения скорости нагнетания комбикормовой массы. После обработки экспериментальной цифровой видеосъёмки переходного процесса, были определены передаточные функции:

W k ( 5 ) =

- 10,8959 - exp( - 0,4082 - 5 )

5 + 1,8147

W₆ ( 5 ) =

- 0,6259- exp( - 0,2501- s) s + 0.6657

и

связывающие между собой, соответственно, изменение расстояния до точки касания и измен ени е удельной площади в зависимости от изменения скорости нагнетания комбикормовой массы. Из выражений (2) видно, что время запаздывания меньше для удельной площади, поэтому этот параметр быстрее реагирует на изменение динамики процесса формования.

Время, с

Рисунок 2. Изменение удельной площади при увеличении скорости нагнетания комбикормовой массы

Построена и проанализирована структурная схема системы регулирования процес-са формования комбикормовых жгутов с ис-пользованием цифровой видеокамеры. На её 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 из- вестных дискретных систем управления с ЭВМ, теоретические основы которых уже используются в проектировании систем управления технологическими процессами.

На рисунке 3 представлена разработанная блок-схема алгоритма управления, на основе которого интеллектуальная система принимает решение об изменении регулирующих воздействий.

Рисунок 3. Блок-схема алгоритма управления, на основе которого интеллектуальная система принимает решение об изменении регулирующих воздействий

Рисунок 4. Математическая модель САР на основе измерения удельной площади.

Разработана в Simulink модель САР процесса формования комбикормового жгута (рисунок 4), позволяющая исследовать переходные процессы, происходящие в системах регулирования процесса формования 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.