Прогнозирование развития технологических процессов на примере ведущего оборудования линии производства конфет "Птичье молоко"

На данный момент пищевая и перерабатывающая промышленность насчитывает более 40 тыс. предприятий, на которых трудятся около 1,3 млн человек [1, 2]. В данной сфере народного хозяйства формируется около 40% финансовых ресурсов бюджета и свыше 50% розничного товарооборота Российской Федерации. Средняя номинальная заработная плата в пищевой перерабатывающей промышленности – 81065,9 руб./мес (данные на 2022 г.) [2].

В России в 2021 году было получено свыше 4 млн тонн продукции в кондитерской отрасли. Московская область стала главным регионом – производителем в сфере кондитерского производства. В начале 2022 года было выпущено 12,6% от общего объема. На втором месте Воронежская область, где доля производительности – 7,8% от производимых сладостей по России. На третьем – Владимирская область, в которой пришлось 6% кондитерской продукции, выпущенной в РФ [2, 3].

Несмотря на то, что кондитерская промышленность в 2021 году проявила положительные показатели, из-за возникнувшей геополитической и экономической обстановки возникли весомые сдвиги на рынке.

Сформировавшееся положение провоцирует проблемы, оказывающих влияние на замену и ремонт эксплуатируемых установок. При этом местные предприниматели поэтапно стали осуществлять замену иностранных машин отечественными. Например, в 2019 году, «Рот Фронт», ввел в эксплуатацию цех по переработке какао-бобов, оборудованный техникой российского производства [5]. В результате всего вышеперечисленного, наблюдается тенденция увеличения цен на десерты и сладости. Таким образом, современный характер техники и технологии, возрастающая сложность производства объективно диктуют необходимость повышения качества продукции.

Одной из неотъемлемых стадий большинства технологических процессов является стадия разделения продукта или полуфабриката на отдельные порции [6, 7]. Разделение как правило происходит резанием, хотя могут применяться и ряд других способов разделения. Так, например, резание широко применяется при разделении как туши, так и крупного куска мяса на более мелкие; разделение тестовой заготовки на отдельные, более мелкие порции; разделка рыбы, а именно, отделение головы, плавников и ее порционирование и т. д. [6, 15]. В сфере общественного питания резание является неотъемлемой частью технологического процесса, так как необходимо производить нарезку овощей, фруктов, хлеба, мясных и колбасных изделий, сыра и т. д. [7, 12] Поэтому можно сказать, что процесс резания является неотъемлемой и весьма важной частью для большинства технологических процессов производств в пищевой промышленности.

Материалы и методы

Технологическая линия производства конфет «Птичье молоко» оптимизирована для максимального использования сырья и минимизации отходов, что дает высокое качество итогового изделия. При изготовлении применяется способ непрерывной разливки конфетного пласта на конвейерную ленту, с последующей ускоренной выстойкой, делением массы на порционные корпуса, глазированием и упаковкой [6].

Студнеобразная структура этих изделий обусловлена наличием агара, причем присутствие жира вызывает ослабление связей в каркасе, являющийся основной структурой студня [8]. Такое ослабление контактов студнеобразователя приводит к понижению прочности конфетной массы после охлаждения и возникновению деформаций корпусов при резке и глазировании.

Результаты

Таким образом, конфетная масса «Птичье молоко» обладает меньшей пластической прочностью и меньшим придельным напряжением сдвига, чем сбивные массы типа «Суфле». Рассчитанная критическая высота формоустойчивости даже при температуре, близкой к температуре студнеобразования агара (37–39 °C) меньше, чем требуемая высота корпуса конфет (12 мм) [9].

С другой стороны, введение жира в рецептуру сбивных конфет приводит к снижению липкости и облегчает такие технологические процессы, как резка пластов и отделение корпусов от материала, на который наносят массу при формовании.

Таким образом, оптимальным для конфетной массы и «Птичье молоко» является способ размазного формования. Также, проведено научнотехническое прогнозирование, с целью проанализировать целесообразности изменений в конструкции машины. Для этого составлена модель «черного ящика» операции резки конфетного пласта «Птичье молоко». Для удобства структурирования и оценки значимости факторов использован метод экспертного оценивания, результаты отображены в виде матрицы рангов [5, 8, 10].

Исследование характеристик, оказывающих воздействие на операцию резки кондитерской массы, было выполнено с использованием четырех различных параметров, которые являлись управляющими, управляемые, возмущающие и наблюдаемые, а сам технологический процесс резания выполнялся в комбинированной машине, предназначенной для резки конфетного пласта. Выявленных показателей, оказывающих влияние на качество обработки полуфабриката, оказалось 17, которые представлены на рисунке 1. На рисунке представлена модель «черного ящика», применимого для подсистемы образования промежуточного продукта, характеризуемого заданными технологическими параметрами качества.

Возмущающие факторы: Disturbing factors:

• -    качество сырья;

• -    quality of raw materials;

• -    параметры внешней среды;

• -    parameters of the external environment;

• -    технологические отклонения.

• -    technological deviations.

Управляющие факторы: Controlling factors: - жесткость ножа; - the rigidity of the knife; - высота конфетной массы; - height of the candy mass;

• -    вязкость массы;

• -    viscosity of the mass;

• -    плотность массы;

• -    mass density;

• -    ширина конфетного пласта;

• -    the width of the candy layer;

• -    пористость массы;

• -    porosity of the mass;

• -    пластическая прочность массы;

• -    plastic strength of the mass;

• -    влажность массы;

• -    humidity of the mass;

• -    температура массы.

• - the temperature of the mass.

  
  
  

Рисунок 1. Модель «черного ящика» подсистемы получения промежуточного продукта

Figure 1. The "black box" model of the subsystem for obtaining an intermediate product

К управляющим параметрам рассматриваемого технологического процесса можно отнести следующие параметры:

– жесткость ножа;

– высота конфетной массы;

– вязкость массы;

– плотность массы;

– ширина конфетного пласта;

– пористость массы;

– пластическая прочность массы;

– влажность массы;

– температура массы.

К управляемым параметрам рассматриваемого технологического процесса можно отнести следующие параметры:

– скорость движения гильотинного ножа;

– скорость движения транспортерной ленты;

– частота вращения и количество дисковых ножей.

К возмущающим параметрам рассматриваемого технологического процесса можно отнести следующие параметры:

– качество сырья;

– параметры внешней среды;

– технологические отклонения.

К наблюдаемым параметрам рассматриваемого технологического процесса можно отнести следующие параметры:

– шероховатость среза;

– длина и ширина изделия.

Сбивная кондитерская масса «Птичье молоко» представляет собой очень восприимчивую среду как к внешним характеристикам, влияющими на продукт, так и к механизмам, протекающим в исследуемом аппарате [5, 13]. Как на качество обработки, так и на качество конечного продукта в кондитерской промышленности оказывают влияние разнообразные факторы. Процесс выявления и оценки значимости этих факторов воспользуемся методом экспертного оценивания.

Опираясь на модель «черного ящика» [3, 9, 10] технологического процесса деления кондитерского пласта выполнено априорное ранжирование факторов. Итоги экспертного опроса представлены в виде матрицы рангов (таблица 1).

Таблица 1.

Результаты экспертного опроса

The results of the expert survey

Table 1.

Фактор | The factor	Эксперты | Ex						erts				У5 11 aS о	S.S §5 5°	s Й 0 p 2й	5 s « £ g й KS.K «Os x s x O ^ о	1 X X
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Жесткость ножа | The rigidity of the knife	17	16	15	17	17	16	16	17	16	17	164	73,88	5458,6	16,4	1
Высота конфетной массы | Height of the candy mass	12	12	10	9	11	12	10	8	12	12	108	17,88	319,78	10,8	6
Вязкость конфетной массы Viscosity of the candy mass	10	11	12	12	9	8	9	10	11	9	101	10,88	118,43	10,1	8
Плотность конфетной массы The density of the candy mass	16	15	16	154	16	15	13	13	13	14	145	54,88	3012,07	14,5	3
Ширина конфетной массы | The width of the candy mass	7	7	6	7	6	6	6	7	7	6	65	25,12	630,9	6,5	11
Пористость конфетной массы Porosity of the candy mass	5	3	5	6	7	5	7	6	6	7	57	33,12	1096,78	5,7	12
Пластическая прочность конфетной массы The plastic strength of the candy mass	1	2	3	1	1	4	4	4	4	5	29	61,12	3735,37	2,9	16
Влажность конфетной массы Humidity of the candy mass	11	8	11	11	8	9	12	11	10	11	102	11,88	141,19	10,2	7
Температура конфетной массы The temperature of the candy mass	2	6	1	5	5	7	5	5	5	4	45	45,12	2035,6	4,5	13
Шероховатость режущей поверхности Roughness of the cutting surface	8	10	8	8	12	10	8	12	8	8	92	1,88	3,54	9,2	10
Размеры конечного изделия Dimensions of the final product	9	9	9	10	10	11	11	9	9	10	97	6,88	47,37	9,7	9
Качество исходного сырья | The quality of the feedstock	6	4	4	4	4	3	2	3	1	1	32	58,12	3377,66	3,2	15
Параметры внешней среды Parameters of the external environment	4	5	7	3	2	2	3	2	2	3	33	57,12	3262,43	3,3	14
Технологические отклонения | Technological deviations	3	1	2	2	3	1	1	1	3	2	19	71,12	5057,72	1,9	17
Скорость движения ножа The speed of movement of the knife	14	17	17	16	15	17	17	15	17	15	160	69,88	4883,54	16	2
Скорость движения транспортерной ленты The speed of the conveyor belt	15	13	14	13	14	13	16	16	14	16	144	53,88	2903,31	14,4	4
Частота вращения и количество дисковых ножей Rotation speed and number of disc knives	13	14	13	15	13	14	15	14	15	13	139	48,88	2389,5	13,9	5

Десяти опрошенным экспертам было предложено оценить 17 факторов, оказывающих влияние на разделение конфетной массы в агрегате для резки конфетной массы. Выявление значимости весомости этих критериев осуществлялось по 17-бальной шкале, в которой наиболее значимый показатель приравнивается единице [11].

Расчет параметров для полученных факторов [12, 14]:

• –    сумма рангов S i

m

S i = LV           (1)

j = i

• –    среднее значение сумм рангов L

n

L = - LSi, n„i

– сумма квадратов отклонений S

n

S = L ( S i — L ) ²,             (3)

= 1

– коэффициент конкордации W

W =

12S m2 (n3 - n)

Обсуждение

В результате расчетов был получен коэффициент конкордации, равный 0,94. Однако, при полной согласованности мнений экспертов в части выявления значимости влияния факторов данный коэффициент должен быть равен единице [13, 15].

В связи с тем, что число экспертов превышает 7, для последующего расчета воспользуемся критерием Пирсона [16], X_p ² . В результате расчетов получили X ² = 6,03 , что является больше чем табличное X ² = 5,81 , следовательно условия удовлетворяются и не вызывают сомнений в единстве мнений экспертов. Наглядное отображение ранжирования мнений экспертов представлено в виде гистограммы на рисунке 2.

Рисунок 2. Гистограмма рангов

Figure 2. A histogram of ranks

Присвоим порядковый номер для каждой суммы рангов, при этом нумерацию будем осуществлять по возрастанию. Таким образом, получим, что чем выше сумма ранга, тем более значимое влияние оказывается на технологический процесс разрезания конфетной массы. Анализируя полученную гистограмму на рисунке 2 видно, что все рассмотренные факторы условно делятся на четыре группы, первая группа: факторы с 1 по 5; вторая – с 6 по 10; третья – с 11 по 13; четвертая – с 14 по 17.

Для определения единых групп воспользовались критерием Линка–Уоллеса [17], К у . В результате вычислений получили, что нет возможности объединения первой и второй групп, а также третьей и четвертой, в связи с тем, что для первой группы факторов расчетный критерий К ур равен 0,84, при том, что табличное значение равно 0,98, а это больше расчетного. Следовательно, факторы с 1 по 5 являются одной общей группой. Для второй группы факторов критерий Линка–Уоллеса равен 1,56 и факторы с 6 по 10 невозможно включить в общую группу.

Заключение

В результате проведенных исследований можно сделать вывод, что в технологическом процессе разделения конфетной массы в линии производства конфет «Птичье молоко» к существенным факторам можно отнести следующие пять факторов: жесткость ножа, скорость перемещения для гильотинного ножа и транспортерной ленты, плотность разрезаемой массы, частота вращения и число дисковых ножей.