Прогнозирование развития технологических процессов на примере ведущего оборудования линии производства конфет вафель с начинкой

Современные условия рыночной экономики требуют постоянного совершенствования производственных процессов и повышения качества продукции. В условиях глобальной конкуренции развитие малых и средних предприятий становится важным элементом экономической стабильности, так как такие предприятия обладают высокой гибкостью в адаптации к изменяющимся запросам потребителей. Важным инструментом их успешного развития является внедрение инновационных технологий, которые не только позволяют сократить затраты, но и способствуют созданию продукции с улучшенными характеристиками. Особое значение приобретает модернизация оборудования и разработка новых технологических подходов, которые способны обеспечить предприятиям конкурентные преимущества [1].

Пищевая промышленность, как одна из наиболее значимых отраслей, ориентирована на улучшение качества продукции, расширение ассортимента и снижение себестоимости производства. Для этого внедряются современные методы прогнозирования, автоматизации и цифровизации. Одним из наиболее актуальных направлений исследований в этой сфере является производство вафель с начинкой, которое включает такие важные этапы, как подготовка сырья, нанесение начинки и упаковка готовых изделий. Усовершенствование ключевых узлов технологических линий, в частности оборудования для нанесения начинки, позволяет значительно повысить качество продукции и производительность[1-3].

Для пищевой промышленности критически важны стратегические принципы, направленные на улучшение производственных процессов, повышение качества продукции и обеспечение экологической устойчивости. Основной задачей остается переход от ручного труда к полностью механизированным и автоматизированным технологиям, которые способны значительно повысить производительность и снизить издержки. Для реализации этого необходимо не только увеличить объем высокотехнологичного оборудования, работающего в автоматическом режиме, но и обеспечить его адаптацию к различным видам сырья и продукции. Это создает условия для гибкости производственных процессов и позволяет удовлетворять разнообразные потребности рынка.

Расширение ассортимента и повышение качества продукции являются важными аспектами развития. Рациональная переработка исходного сырья, включая использование возвратных отходов, способствует снижению производственных потерь и улучшению экономической эффективности. Важное значение имеет развитие линейки диетических продуктов, обогащенных витаминами, детского питания и полуфабрикатов, включая быстрозамороженные овощи, фрукты и готовые блюда, которые не требуют дополнительной кулинарной обработки. Производство такой продукции отвечает современным запросам потребителей, ориентированных на удобство, здоровье и качество [4-6].

Отдельное внимание уделяется упаковочным материалам, которые должны соответствовать требованиям экологической безопасности и быть адаптированы для различных видов продукции – твердых, жидких, сыпучих или вязких. Создание высококачественных упаковочных решений является не только вопросом удобства и сохранности продукции, но и важным фактором конкурентоспособности на рынке. Для обеспечения безопасности продукции на всех этапах её производства требуется строгое соблюдение санитарных и бактериологических норм, начиная с поступления сырья на предприятия и заканчивая упаковкой готовых изделий. Эффективные мероприятия по минимизации влияния вредных производственных факторов позволяют не только улучшить качество продуктов, но и способствуют общей устойчивости и надежности пищевой промышленности[6-7].

Материалы и методы

Вафли являются мучными кондитерскими изделиями, изготовление которых осуществляется из вафельных листов, содержащих между слоями листов различную начинку. Сами вафельные листы, в зависимости от рецептуры применяемого тоста, делятся на три следующих вида:

– сдобные сахарные, в рецепт которых входят мука высшего сорта, яичные желтки, сахар, жир и молоко;

– полусахарные, в рецепте отсутствует молоко;

– простые, для изготовления которых не используется сахар, молоко, масло и жир.

Производство вафель с начинкой осуществляется на поточных линиях, в которых реализуются непрерывные процессы выпечки вафельных листов, нанесение начинки и резка вафельных листов. Таким образом можно выделить следующие основные стадии приготовления вафель с начинкой:

– подготовка сырья;

– приготовление вафельного теста;

– приготовление начинки;

– приготовление вафельного листа;

– охлаждение вафельного листа;

– нанесение начинки на вафельный лист;

– приготовление вафельных блоков;

– резка вафельных блоков на заготовки;

– упаковка вафель в потребительскую и торговую тару [9].

Результаты

Было проведено научно-техническое прогнозирование, с целью проанализировать целесообразности изменений в конструкции машины. Для этого составлены операторная модель технологического процесса производства вафель, модель «черного ящика» операции нанесения начинки на вафельный лист. Для удобства структурирования и оценки значимости факторов использован метод экспертного оценивания, результаты отображены в виде матрицы рангов. Разработан ГОCТ для определения уровня технического развития прототипа и усовершенствованной машины для нанесения начинки на вафельный лист.

Исследование характеристик, оказывающих воздействие на выполнение процесса нанесения начинки на вафельный лист, было выполнено с использованием четырех различных параметров, которые являлись управляющими, управляемые, возмущающие и наблюдаемые, а сам технологический процесс нанесения начинки на вафельный лист выполнялся в комбинированной машине, предназначенной для нанесения начинки на вафельный лист. Выявленных показателей, оказывающих влияние на качество обработки полуфабриката, оказалось 13, которые представлены на рисунке 1. На рисунке представлена модель «черного ящика», применимого для подсистемы образования промежуточного продукта, характеризуемого заданными технологическими параметрами качества.

Модель черного ящика процесса нанесения начинки включает в себя входные (управляющие и возмущающие) и выходные (управляемые и наблюдаемые) параметры.

Входные параметры делятся на:

Управляющие параметры непосредственно влияют на технологический процесс. Их можно измерить и целенаправленно изменить, что позволяет управлять процессом.

Возмущающие параметры – это переменные, которые влияют на ход технологического процесса, но не могут быть изменены целенаправленно.

Выходные параметры включают:

– управляемые параметры: переменные, изменение которых демонстрирует эффективность технологического процесса.

– наблюдаемые параметры: переменные, которые косвенно связаны с характером процесса и отражают состояние исследуемого объекта.

Входные параметры являются внешними по отношению к процессу, в то время как выходные параметры являются внутренними.

Рисунок 1. Модель «черного ящика»

Figure 1. The "black box" model

К управляющим параметрам рассматриваемого технологического процесса можно отнести следующие параметры:

– температура начинки;

– влажность начинки;

– консистенция начинки;

– структура вафель.

К управляемым параметрам рассматриваемого технологического процесса можно отнести следующие параметры:

– масса изделия;

– влажность изделия;

– выход изделия;

– плотность изделия.

К возмущающим параметрам рассматриваемого технологического процесса можно отнести следующие параметры:

• –    качество сырья;

• –    параметры внешней среды;

• –    исправность машины для нанесения начинки.

К наблюдаемым параметрам рассматриваемого технологического процесса можно отнести следующие параметры:

• –    влажность вафель с начинкой;

• –    консистенция вафель с начинкой [10].

При рассмотрении черного ящика (рисунок 1), 6 экспертов дали оценку от 1 до 13, расставив факторы по значимости для процесса нанесения начинки (таблица 1).

Таблица 1.

Результаты экспертного опроса

The results of the expert survey

Table 1.

Фактор The factor	Эксперты | Experts						1Л il s (Z)	5 о s	>1 1 s II 0	11 и h	1 Si § g S' X 2 § "co Oq	Й и о X £ X Hl	О тЭ s .а е о	[Л t^
	1	2	3	4	5	6
	Ранги оценки Grades of assessment
Качество полуфабриката Quality of semi-finished product	11	13	13	7	5	10	59	13	5	42	17	289	12	0,022
Параметры внешней среды Parameters of external environment	2	5	4	13	10	13	47	13	2	42	5	25	9	0,055
Исправность машины Serviceability of the machine	1	10	3	6	4	1	23	10	1	42	-17	289	3	0,121
Масса изделия Product weight	8	2	7	3	3	12	35	12	2	42	-7	49	5	0,099
Выход изделия Product output	7	4	9	10	7	9	46	10	4	42	4	16	8	0,066
Влажность изделия Product humidity	9	3	8	11	11	11	53	11	3	42	11	121	10	0,044
Плотность изделия Product density	6	1	2	2	6	6	23	6	1	42	-19	361	2	0,132
Влажность вафель с начинкой Humidity of waffles with filling	10	9	12	9	9	7	56	12	7	42	14	196	11	0,033
Консистенция вафель с начинкой Consistency of waffles with filling	5	6	5	4	2	8	30	8	2	42	-12	144	4	0,11
Температура начинки Filling temperature	12	8	11	5	8	2	46	12	2	42	4	16	7	0,077
Влажность начинки Filling humidity	13	12	10	12	13	5	65	13	5	42	23	529	13	0,011
Консистенция начинки The consistency of the filling	4	11	1	1	1	3	21	11	1	42	-21	441	1	0,143
Структура вафель Waffle structure	3	7	6	8	12	4	40	12	3	42	-2	4	6	0,088

Шести опрошенным экспертам было предложено оценить 13 факторов, оказывающих влияние на разделение конфетной массы в агрегате для резки конфетной массы. Выявление значимости весомости этих критериев осуществлялось по 13-бальной шкале, в которой наиболее значимый показатель приравнивается единице [11].

Расчет параметров для полученных факторов [12, 14]:

• –    сумма рангов S i

m

S , = Y <>„ ■              (1)

j =1

– среднее значение сумм рангов L

n

L = ¹ Z S i , nf= i

– сумма квадратов отклонений S

n

S = Z ( S i — L ) 2 ,             (3)

i = 1

– коэффициент конкордации W

W =

13S 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, 15-16].

Наглядное отображение ранжирования мнений экспертов представлено в виде гистограммы на рисунке 2.

• □    сумма рангов | the sum of the ranks

• □    вес фактора | factor weight

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 нанесения начинки. Анализируя полученную гистограмму на рисунке 2 видно, что все рассмотренные факторы условно делятся на три группы, первая группа: факторы с 1 по 3; вторая – с 4 по 9; третья – с 10 по 13.

По результатам экспертных оценок при ранжировании факторов (рисунок 2) удалось выделить 3 основных фактора, влияющих на процесс. Это влажность начинки, качество полуфабрикатов и влажность вафель с начинкой.

Перспективность модернизации оборудования можно определить с помощью генеральной определительной таблицы. Она позволяет понять технический уровень структуры подсистемы, который равен Уэл = 0,67. Технический уровень элемента входит в предел от 0,60 до 0,79, соответственно, данная модернизация является перспективной [17-20].

Заключение

В результате проведенных исследований можно сделать вывод, что в технологическом процессе нанесения начинки на вафельный лист к существенным факторам можно отнести следующие три фактора: влажность начинки, качество полуфабрикатов и влажность вафель с начинкой. Также установлена перспективность модернизации оборудования для процесса нанесения начинки на вафельный лист.