hfbHealth, Food & BiotechnologyHealth, Food & Biotechnology2712-7648РОСБИОТЕХ10.36107/hfb.2019.i2.s255hfb-14Research ArticleПИТАНИЕFOODПовышение качества молотого кофе «Арабика» за счет использования SCADA системы при автоматизации процесса объемного дозированияImproving the Quality of Ground Coffee "Arabica" by Using the SCADA System to Automate the Volumetric Dosing ProcessСантос КуниханМ. Р.Santos CunnighanM. R.

Сантос Кунихан Марио Рохелио

125080, Москва, Волоколамское шоссе, дом 11

Mario Rogelio Santos Cunnighan

11 Volokolamskoe highway, Moscow, 125080

latinbrother@mail.ruБлаговещенскийИ. Г.BlagoveshchenskyI. G.

Благовещенский Иван Германович

125080, Москва, Волоколамское шоссе, дом 11

Ivan G. Blagoveshchensky

11 Volokolamskoe highway, Moscow, 125080

igblagov@mgupp.ruБлаговещенскийВ. Г.BlagoveshchenskyV. G.

Благовещенский Владислав Германович

125080, Москва, Волоколамское шоссе, дом 11

Vladislav G. Blagoveschenskiy

11 Volokolamskoe highway, Moscow, 125080

bvg1996@mail.ruПетряковА. Н.PetryakovA. N.

Петряков Александр Николаевич

125080, Москва, Волоколамское шоссе, дом 11

Alexander N. Petryakov

11 Volokolamskoe highway, Moscow, 125080

a.petr2@yandex.ruФГБОУ ВО «Московский государственный университет пищевых производств»РоссияMoscow State University of Food ProductionRussian Federation20190405202112121135Copyright © Сантос Кунихан М.Р., Благовещенский И.Г., Благовещенский В.Г., Петряков А.Н., 20212021Сантос Кунихан М.Р., Благовещенский И.Г., Благовещенский В.Г., Петряков А.Н.Santos Cunnighan M.R., Blagoveshchensky I.G., Blagoveshchensky V.G., Petryakov A.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.hfb-journal.ru/jour/article/view/14

Статья посвящена повышению эффективности технологии производства молотого обжаренного кофе «Арабика» за счет применения автоматических объемных роторных дозаторов в качестве объектов автоматизации и создания на их основе систем автоматического регулирования параметров технологического процесса производства молотого обжаренного кофе с использованием Scada системы. В статье определены актуальность темы, исследованы показатели качества молотого кофе сорта «Арабика». Показано, что в процессе дозирования возникают проблемы со стабильностью подачи молотого кофе в дозирующий механизм и возможностью автоматического контроля образующихся при этом сводов. Поэтому проведены экспериментальные исследования и моделирование процессов истечения молотого кофе из бункера дозатора с использованием методов дискретных элементов. Разработаны и апробированы методы и способы автоматического контроля показателей качества кофе с использованием Scada системы. Показаны результаты анализа технологического процесса дозирования молотого обжаренного кофе как объекта управления и проведен обзор существующих систем управления процессами дозирования молотого кофе. На основе проведенных исследований разработана математическая модель управления процессом дозирования молотого кофе сорта «Арабика» из бункера объемного дозатора с учетом присущих ему внутренних связей между параметрами технологических режимов и внешними возмущающими факторами. Проведено моделирование функционирования системы управления приводами подачи кофе в объемный дозатор при действии стохастических возмущений по нагрузке дозатора с учетом физико-механических свойств кофе. Разработан алгоритм управления процессом дозирования, предусматривающий учет корректирующего воздействия по промежуточной координате – уровню молотого кофе в бункере на основе исследования режимов работы дозатора и проверки асимптотической устойчивости системы управления производительностью дозатора при действии случайных возмущений и при отсутствии перерегулирования по уровню молотого кофе в бункере. В результате проведенных исследований выявлена перспективная методика управления уровнем молотого кофе, позволяющая осуществить переход от применения простого, позиционного закона управления уровнем молотого кофе в бункере дозатора к моделированию изменения уровня со специализированным контролем и управлением дозатором непосредственно в процессе функционирования. По полученным результатам в качестве критерия управления предложена производительность технологической линии с наложенными на нее ограничениями на колебания объемной массы молотого кофе в упаковке, что позволяет значительно повысить эффективность работы данной линии, улучшить качество производимого кофе и сделать процесс дозирования более точным.

The article is devoted to improving the efficiency of the production technology of ground roasted coffee “Arabica” by using automatic volumetric rotary dispensers as automation objects, and creating systems based on them for automatic control of the process of dispensing ground roasted coffee using the Scada system. The article defines the relevance of the topic, and examines the quality indicators of ground coffee of the “Arabica” variety. It is shown that during the dosing process, problems arise with the stability of the supply of ground coffee to the dosing mechanism and the ability to automatically control the resulting arches. Therefore, experimental studies and modeling of the flow of ground coffee from the dispenser hopper using discrete element methods have been carried out. Methods and methods of automatic control of coffee quality indicators using the Scada system have been developed and tested. The results of the analysis of the technological process of dosing ground roasted coffee as an object of control are shown, and the review of existing control systems for the processes of dosing bulk masses is carried out. The result of the research developed a model of process control dispensing of the ground coffee, which allows to study random perturbations of the speed change actuator of the feeder and the rotary valve, and change the properties of ground coffee. The influence of external disturbances on the level of action is studied. The obtained data allowed us to choose as a control criterion the specified productivity of the technological line of the dosing process with restrictions imposed on it on fluctuations in the volume mass of ground coffee in the package. The obtained results of simulation experiments conducted in the MatLab environment using the SCADA system allowed for more accurate stabilization of the ground coffee level under conditions of fluctuations in the properties of ground coffee than under the previously used positional control law. The results of simulation of the process of managing the dosage of ground coffee showed that among the factors listed in the statement of the simulation task, there are several such factors, the variation of which clearly affects the productivity and accuracy of the process of dosing ground coffee. These include: the law of forming a control effect that compensates for changes in the physical and mechanical properties of ground coffee, as well as random disturbances from changes in the speed of the feeder and volumetric dispenser drives. These factors allowed us to study their influence on the level of ground coffee in the hopper. Simulation experiments with various distributions of volume portion of ground coffee is loaded into measuring cups dispenser, allowed to show the promising applications of the SCADA system and use it to provide a more accurate stabilization of the level of ground coffee than using the positional control law in terms of oscillation properties of ground coffee.

качество молотого кофеобъемное дозированиеиспользование Scada системыавтоматизация процессаground coffee qualityvolumetric dosinguse of Scada systemprocess automationReferencesАпанасенко, С. И., Благовещенская, М. М., Благовещенский, И. Г. (2012). О перспективах создания системы автоматического контроля влажности кондитерских масс в потоке с использованием аппарата искусственных нейронных сетей. В Планирование и обеспечение подготовки и переподготовки кадров для отраслей пищевой промышленности и медицины (с. 212 – 214).Apanasenko, S. I., Blagoveshchenskaya, M. M., Blagoveshchensky, I. G. (2012). On the prospects of creating a system for automatic control of the moisture content of confectionery masses in a stream using an apparatus of artificial neural networks. In Planirovanie i obespechenie podgotovki i perepodgotovki kadrov dlya otraslej pishchevoj promyshlennosti i mediciny [Planning and ensuring the training and retraining of personnel for the food industry and medicine] (pp. 212 – 214).Балыхин, М. Г., Благовещенский, И. Г., Назойкин, Е. А., & Благовещенский, В. Г. (2019). Адаптивная система управления с идентификатором нестационарными технологическими процессами в отраслях пищевой промышленности. В Интеллектуальные системы и технологии в отраслях пищевой промышленности (с. 32-39).Balykhin, M. G., Blagoveshchensky, I. G., Nazoykin, E. A., & Blagoveshchensky, V. G. (2019). Adaptive control system with identifier of non-stationary technological processes in the food industry. In Intellektual'nye sistemy i tekhnologii v otraslyah pishchevoj promyshlennosti [Intelligent systems and technologies in the food industry] (pp.32–39).Балыхин, М. Г., Борзов, А. Б., & Благовещенский, И. Г. (2017). Архитектура и основная концепция создания интеллектуальной экспертной системы контроля качества пищевой продукции. Пищевая промышленность, 11, 60 - 63.Balykhin, M. G., Borzov, A. B., & Blagoveshchensky, I. G. (2017). Metodologicheskie osnovy sozdaniya ekspertnyh sistem kontrolya i prognozirovaniya kachestva pishchevoj produkcii s ispol'zovaniem intellektual'nyh tekhnologij [Methodological foundations of creating expert systems for monitoring and forecasting the quality of food products using intelligent technologies]. Frantera.Балыхин, М. Г., Борзов, А. Б., & Благовещенский, И. Г. (2017). Методологические основы создания экспертных систем контроля и прогнозирования качества пищевой продукции с использованием интеллектуальных технологий. Франтера.Balykhin, M. G., Borzov, A. B., & Blagoveshchensky, I. G. (2017). The architecture and basic concept of creating an intelligent expert system of food quality control. Pishchevaya promyshlennost’ [Food Industry], 11, 60–63.Благовещенская, М. М. (2009). Основы стабилизации процесса приготовления многокомпонентных масс. Франтера.Blagoveshchenskaya, M. M. (2009). Osnovy stabilizacii processa prigotovleniya mnogokomponentnyh mass [Basics of stabilization of the preparation of multicomponent masses]. Frantera.Благовещенская, М. М., & Злобин, Л. А. (2005). Информационные технологии систем управления технологическими процессами. Высшая школа.Blagoveshchenskaya, M. M., & Santon Kunnikhan, M. P. (2017). The structure of dosing control systems using neural networks. In Obshcheuniversitetskaya studencheskaya konferenciya studentov i molo- dyh uchenyh «Den' nauki» [University Conference of Students and Young Scientists “Science Day”] (pp.263-267), 5.Благовещенская, М. М., & Сантон Куннихан, М. П. (2017). Структура систем управления дозирования с использованием нейронных сетей. В Общеуниверситетская студенческая конференция студентов и молодых ученых «День науки», 5, 263-267.Blagoveshchenskaya, M. M., & Zlobin, L. A. (2005). Informacionnye tekhnologii sistem upravleniya tekhnologicheskimi processami [Information technology of process control systems](264- 320). Vysshaya shkola.Богомягких, В. А., & Пепчук, А. П. (1996). Интенсификация разгрузки бункерных устройств в условиях сводообразования зернистых материалов. Зерноград.Bogomyagkikh, V. A., & Pepchuk, A. P. (1996). Intensifikaciya razgruzki bunkernyh ustrojstv v usloviyah svodoobrazovaniya zernistyh materialov [Intensification of unloading of bunker devices in the conditions of consolidation of granular materials]. Zelenograd.Варламов, А. В. (2011). Исходные предпосылки к составлению обобщенной математической модели динамической системы «Бункерное устройство с сыпучим материалом сводообразование механизм разрушения сводообразования». Вестник Самарского государственного университета путей сообщения, 2(12), 79–89.Davidenko P.N. (2005). Issledovanie i razrabotka metodov proektirovaniya informacionnyh sistem na osnove dozatorov diskretnogo dejstviya [Research and development of design methods for information systems based on discrete action dispensers]. Taganrog.Видинеев, Ю. Д. (1981). Дозаторы непрерывного действия. Энергия.Geniev, G.A. (1958). Voprosy dinamiki sypuchej sredy. Vypusk 2 [Questions of the dynamics of granular medium]. Gosstrojizdat.Гениев, Г. А. (1958). Вопросы динамики сыпучей среды. Выпуск 2. Госстройиздат.Grubov, V. V., Tkachev, V. S., Uzhelovsky, V. A. (2007). Optimization of the process of weight dosing of bulk materials. Vestnik Pridneprovskoy Gosudarstvennoy Akademii Stroitel’stva i Arkhitektury [Bulletin of the Dnieper State Academy of Construction and Architecture], 15.Грубов, В. В, Ткачев, В. С, Ужеловский, В. А. (2007). Оптимизация процесса весового дозирования сыпучих материалов. Вестник Приднепровской Государственной Академии Строительства и Архитектуры, 15.Ivanov, Y. V., Blagoveshchenskaya, M. M., & Blagoveshchensky, I. G. (2012). Automation of the process of molding candy masses based on mathematical and algorithmic support using a digital video camera as an intelligent sensor. In Planirovanie i obespechenie podgotovki i perepodgotovki kadrov dlya otraslej pishchevoj promyshlennosti i mediciny [Planning and ensuring the training and retraining of personnel for the food industry and medicine] (pp. 215 – 218).Давиденко, П. Н. (2005). Исследование и разработка методов проектирования информационных систем на основе дозаторов дискретного действия. Таганрог.Jenike, E. V. (1968). Skladirovanie i vypusk sypuchih materialov [Warehousing and production of bulk materials] (pp. 126 – 216). Mir.Дженике, Э. В. (1968). Складирование и выпуск сыпучих материалов. Мир.Kolbasin, A. M. (2007). Avtomatizaciya tekhnologicheskogo processa upravleniya proizvodstvom mnogokomponentnyh sypuchih betonnyh smesej s uchetom oshibok dozirovaniya [Automation of the process for managing the production of multicomponent bulk concrete mixes, taking into account dosing errors]. MISI.Зенков, Р. Л. (1964). Механика насыпных грунтов. 2-е издание. Машиностроение.Krylova, L. A., Blagoveshchensky, V. G., & Tatarinov, A. V. (2017). Development of intelligent hardware and software systems for monitoring the separation of dispersed food masses based on intelligent technologies. In Razvitie pishchevoj i pererabatyvayushchej promyshlennosti Rossii: kadry i nauka: MGUPP [The Development of the Food and Processing Industry of Russia: Personnel and Science] (pp. 199 – 201). Izdatel’skiy kompleks MGUPP [Publishing complex MGUPP], 1.Зенков, Р. Л., Гриневич, Г. П., & Исаев, В. С. (1966). Бункерные устройства. Машиностроение.Nazoykin, E. A., Blagoveshchensky, I. G., Sincha, V. M., Zhirov, M. V., & Mitin, V. V. (2019). The use of simulation to identify the state of enterprises in the food industry. In Intellektual'nye sistemy i tekhnologii v otraslyah pishchevoj promyshlennosti [Intelligent systems and technologies in the food industry] (pp. 147 – 155).Иванов, Я. В., Благовещенская, М. М., & Благовещенский, И. Г. (2012). Автоматизация процесса формования конфетных масс на основе математического и алгоритмического обеспечения с использованием в качестве интеллектуального датчика цифровой видеокамеры. В Планирование и обеспечение подготовки и переподготовки кадров для отраслей пищевой промышленности и медицины (с. 215 – 218).Petryakov, A. N., Blagoveshchenskaya, M. M., Blagoveshchensky, V. G., & Krylova, L. A. (2018). The use of object-oriented programming methods to control the quality indicators of confectionery products. Konditerskiye izdeliya i khlebopecheniye [Confectionery and Bakery], 5-6(176), 21-23.Колбасин, А. М. (2007). Автоматизация технологического процесса управления производством многокомпонентных сыпучих бетонных смесей с учетом ошибок дозирования. МИСИ.Santos, M. R. (2015). A simulation model for controlling the level of ground coffee in the hopper using multi-motor drives. Naukovedeniye [Science of Science], 7(1), 42 – 49.Крылова, Л. А., Благовещенский, В. Г., & Татаринов, А. В. (2017). Разработка интеллектуальных аппаратно-программных комплексов мониторинга процессов сепарирования дисперсных пищевых масс на основе интеллектуальных технологий. В Развитие пищевой и перерабатывающей промышленности России: кадры и наука: МГУПП, 1, (c.199-201).Santos, M. R. (2017). Matematicheskoe i algoritmicheskoe obespechenie sistemy upravleniya tekhnologicheskim processom ob"emnogo dozirovaniya pri proizvodstve molotogo obzharennogo kofe. [Mathematical and algorithmic support for the volumetric dosing process control system in the production of ground roasted coffee]. Izdatel’skiy kompleks MGUPP.Назойкин, Е. А., Благовещенский, И. Г., Синча, В. М., Жиров, М. В., & Митин, В. В. (2019). Использование имитационного моделирования для идентификации состояния предприятий в пищевой промышленности. В Интеллектуальные системы и технологии в отраслях пищевой промышленности (c. 147-155).Santos, M. R. (2015). Mathematical model and automation of the volumetric dosing process of ground coffee based on Scada Labview system. Naukovedeniye [Science of Science], 7(4), 38 – 45.Петряков, А. Н., Благовещенская, М. М., Благовещенский, В. Г., & Крылова, Л. А. (2018). Применение методов объектно-ориентированного программирования для контроля показателей качества кондитерской продукции. Кондитерское и хлебопекарное производство, 5-6(176), 21-23.Santos, M. R., & Blagoveshchenskaya, M. M. (2017). Using a neural network to automate the process of controlling the volumetric dosing of ground coffee. In Razvitie pishchevoj i pererabatyvayushchej promyshlennosti Rossii: kadry i nauka [Development of the food and processing industry of Russia: personnel and science](pp.102 – 106).Савостин, С. Д., Благовещенская, М. М., & Благовещенский, И. Г. (2016). Автоматизация контроля показателей качества муки в процессе размола с использованием интеллектуальных технологий. Франтера.Savostin, S. D., Blagoveshchenskaya, M. M., & Blagoveshchensky, I. G. (2016). Avtomatizaciya kontrolya pokazatelej kachestva muki v processe razmola s ispol'zovaniem intellektual'nyh tekhnologij [Automation of control of flour quality indicators during grinding using intelligent technologies]. Frantera. Sokolovsky, V. V. (1960). Statika sypuchej sredy [Static granular medium]. Nauka.Сантос, М. Р. (2015). Имитационная модель управления уровнем молотого кофе в бункере с помощью многодвигательных приводов. Науковедение, 7(1),98TVN115. http://naukovedenie.ru/PDF/98TVN115.pdf .Varlamov, A. V. (2011). Initial prerequisites for the compilation of a generalized mathematical model of the dynamic system “Bunker device with bulk material, arch formation, mechanism of destruction of arch formation”. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo universiteta putei soobtchenia [Bulletin of Samara state university of transport], 2(12), 79–89.Сантос, М. Р. (2015). Математическая модель и автоматизация процесса объемного дозирования молотого кофе на базе Scada системы Labview. Науковедение, 7(4), 38TVN415. http://naukovedenie.ru/PDF/38TVN415.pdfVidineev, Yu. D. (1981). Dozatory nepreryvnogo dejstviya [Dispensers of continuous action]. Energiya.Сантос, М. Р. (2017). Математическое и алгоритмическое обеспечение системы управления технологическим процессом объемного дозирования при производстве молотого обжаренного кофе. МГУПП.Zenkov, R. L. (1964). Mekhanika nasypnyh gruntov [The mechanics of bulk soils]. Mashinostroyeniye. Zenkov, R. L., Grinevich, G. P., Isaev, V. S. (1966). Bunkernye ustrojstva [Hopper devices]. Mashinostroyeniye.Сантос, М. Р., & Благовещенская, М. М. (2017). Использование нейронной сети для автоматизации процесса управления объемным дозированием молотого кофе. В Развитие пищевой и перерабатывающей промышленности России: кадры и наука (с. 102-106).Amorós, J. L., Mallol, G., Sánchez, E., & García, J. (2000). Diseño de silos y tolvas para el almacenamiento de materiales pulverulentos. Problemas asociados a la operacion de descarga [Design of silos and hoppers for the storage of powdery materials. Problems associated with the download operation]. Universitat Jaume, 1.Соколовский, В. В. (1960). Статика сыпучей среды. Наука.Castrillon, J. J. C., Soares, P. C. C.(1999). Normalización de la Densidad Aparente del Café. Tostado y Molido y de la Concentración del Extracto de Café [Normalization of the Apparent Density of Coffee. Roasted and Ground and Concentration of Coffee Extract]. Universidad Nacional De Colombia.Amorós, J. L., Mallol, G., Sánchez, E., & García, J. (2000). Diseño de silos y tolvas para el almacenamiento de materiales pulverulentos. Problemas asociados a la operacion de descarga [Design of silos and hoppers for the storage of powdery materials. Problems associated with the download operation]. Universitat Jaume, 1.Garelli, F., Mercedez, R., Dominguez, F. F., & Angulo, M. (2009). Simulacion de un algoritmo para controlar el nivel en tolva nate la alimentacion discontinua de caña [Simulation of an algorithm to control the level in the hopper with the discontinuous sugarcane feed]. Revista iberoamericana de automatica e informatica industrial, 6(3), 54-60.Castrillon, J. J. C., Soares, P. C. C.(1999). Normalización de la Densidad Aparente del Café. Tostado y Molido y de la Concentración del Extracto de Café [Normalization of the Apparent Density of Coffee. Roasted and Ground and Concentration of Coffee Extract]. Universidad Nacional De Colombia.Guevara, B. R. (2000). Caracterización granulométrica del café tostado y molido colombiano [Granulometric characterization of Colombian roasted and ground coffee] Universidad Nacional de Colombia. Novella, E. C. (Ed.) (1985) Ingeniería Química. Flujo de fluidos [Chemical engineering. Fluid flows], 3. Alhambra Universidad.Garelli, F., Mercedez, R., Dominguez, F. F., & Angulo, M. (2009). Simulacion de un algoritmo para controlar el nivel en tolva nate la alimentacion discontinua de caña [Simulation of an algorithm to control the level in the hopper with the discontinuous sugarcane feed]. Revista iberoamericana de automatica e informatica industrial, 6(3), 54-60.Sáinz, J. G. (2011). Materiales de construcción: problemas de dosificación [Construction materials: dosage problems]. Universidad de Burgos.Guevara, B. R. (2000). Caracterización granulométrica del café tostado y molido colombiano [Granulometric characterization of Colombian roasted and ground coffee] Universidad Nacional de Colombia. Novella, E. C. (Ed.) (1985) Ingeniería Química. Flujo de fluidos [Chemical engineering. Fluid flows], 3. Alhambra Universidad.Sáinz, J. G. (2015). Materiales de construcción: problemas de Granulometría [Construction materials: Granulometry problems]. Universidad de BurSáinz, J. G. (2011). Materiales de construcción: problemas de dosificación [Construction materials: dosage problems]. Universidad de Burgos.Sáinz, J. G. (2011). Materiales de construcción: problemas de dosificación [Construction materials: dosage problems]. Universidad de Burgos.Sáinz, J. G. (2015). Materiales de construcción: problemas de Granulometría [Construction materials: Granulometry problems]. Universidad de BurSáinz, J. G. (2015). Materiales de construcción: problemas de Granulometría [Construction materials: Granulometry problems]. Universidad de Bur

The authors declare that there are no conflicts of interest present.