Актуални производствени технологии в хранително-вкусовата промишленост

Във ФокусСп. Инженеринг ревю - брой 7/2019 • 04.11.2019


Дигиталните технологии постепенно си проправят път и в хранително-вкусовата промишленост. Все повече предприятия от бранша инвестират в модерни системи за повишаване на производствената ефективност и гъвкавост, за да запазят своята конкурентоспособност на бързо изменящия се пазар. Наред с конвенционалните методи за преработка и производство на хранителни продукти в модерните фабрики и заводи в отрасъла се прилагат все повече новаторски решения в контекста на Индустрия 4.0. Сред тях са роботизираните и високоавтоматизирани технологии, Internet of Things, облачните платформи и дигиталните близнаци, изкуственият интелект и много други иновации, коренно трансформиращи производствените практики в тази промишленост.

Бързо технологично развитие търпят и машините, измервателните средства, компонентите и спомагателните системи в ХВП, а резултатите са повишена производителност, по-ефективно управление, подобрена безопасност и проследимост, по-ниски оперативни разходи и т. н. Дигиталното съвременно предприятие разполага с функции за непрекъснат мониторинг на технологичните процеси в реално време, автоматизирано управление на голяма част от операциите и превантивна поддръжка на оборудването.

 

Industry 4.0 и дигитални близнаци

Решенията за дигитализация на хранително-вкусовата индустрия далеч не са нововъведение от последните няколко години. Процесът на цифрова модернизация в този бранш тече от десетилетия, а средствата за автоматизация от най-ново поколение предлагат разширен кръг от възможности. Днес, когато Industry 4.0 вече е факт, а автоматизираните системи са интегрална част от производството, изискванията към предприятията в тази индустрия за бързина и качество, екологосъобразност и безопасност на продукцията са по-високи от всякога. На дневен ред идват технологии като виртуалната и добавената реалност, компютърното моделиране и симулация, чрез които всяка нова машина, технология или рецепта може да бъде тествана и конфигурирана предварително в дигитален вариант преди реалното й въвеждане в експлоатация. Така се постигат значителни икономии на енергия, време, усилия и разходи, намаляват се производствените прекъсвания и се осигурява безпроблемно внедряване на иновации. Цифровите близнаци позволяват още предварително обучение на персонала за работа със съответното оборудване, за да се избегнат всякакви възможни проблеми в реален работен режим. С тяхна помощ се минимизират рисковете, свързани с първоначалната настройка и инсталация, става възможно ранното откриване и предотвратяване на аварии и неизправности, а времето за пускане в експлоатация драстично намалява.

 

Технологични тенденции

Иновациите в сектора се популяризират и възприемат от глобалните производители с изключително динамични темпове. Платформите за планиране на ресурсите (ERP) вече са масово утвърден инструмент за бизнес управление в хранително-вкусовата промишленост, но внедряването им в по-малките предприятия продължава да е сред водещите тенденции на развитие и през последната година, сочат данни от актуално проучване на Nextec. Сред останалите модерни технологии, набиращи популярност в ХВП, са мобилните приложения, които все повече компании внедряват и използват за управление на производствените активи, включително и в отдалечен режим. Достъпът в реално време от всяка точка до изчерпателна информация за технологичните процеси, статуса на оборудването и качеството на продукцията помага за по-ефективно и гъвкаво управление на производственото приложение.

Друга водеща технология в бранша са облак-базираните решения, които елиминират много от разходите, свързани с изграждането и поддръжката на хардуерна инфраструктура и съответното й софтуерно обезпечаване. Облачните платформи за съхранение и обработка на данни се предлагат и под формата на абонаментни планове със заплащане месец за месец, а за много производители в хранително-вкусовата промишленост това позволява пренасочване на средства към други по-ключови инвестиции.

Хартиената администрация в сектора е сред практиките, които постепенно остават в миналото. Интегрирането на IoT-базирани сензори и измервателни средства в производството позволява автоматизираното събиране на големи масиви от данни за всяка машина, технологична линия или процес. Това позволява непрекъснат мониторинг, прецизно управление и детайлно документиране на всеки аспект от производствената дейност в дигитален формат.

 

Развитие при машините

Модерните предприятия от хранително-вкусовия отрасъл фокусират инвестициите си върху подобряване на производителността и ефективността, повишаване степента на автоматизация, улесняване на управлението, почистването и дезинфекцията на оборудването, оптимизиране на качеството и безопасността на продуктите и разширяване на производствените си програми. В много компании ретрофитът на морално и материално амортизираните машини и системи не се счита за рентабилно решение, тъй като новите модели обикновено са проектирани и конструирани така, че да възвръщат инвестицията в изключително кратки срокове. Ето защо експоненциално нараства търсенето в глобален мащаб на модерни машини за всички отрасли на ХВП, снабдени с интелигентни функции, мрежова свързаност, IoT-съвместимост и т. н.

Все повече производители закупуват специални машини, предназначени за конкретно производствено приложение, тъй като те осигуряват много по-големи ползи в дългосрочен план в сравнение с универсалното оборудване от миналото. Друго предимство на новите машини и системи е, че те са в пъти по-енергийно ефективни от по-старите поколения, което ги прави по-рентабилни за експлоатация и поддръжка.

 

Изкуствен интелект

Изкуственият интелект е сред технологиите, които само преди няколко десетилетия изглеждаха все още твърде футуристични за реалното производство. Ето, че днес AI-базирани платформи намират все по-широко приложение в сортирането и опаковането на хранителни продукти, проследяването и верифицирането на изискванията за безопасност и качество, поддържането на чистотата, разработката на нови продукти и много други аспекти на хранително-вкусовото производство.
Непрекъснатите и високоскоростни технологични процеси в тази индустрия стават все по-автономни с внедряването на изкуствен интелект и алгоритми за машинно обучение в производствените платформи за управление. Приготвянето на продукти по рецепти може да става много по-бързо, надеждно и с постоянна прецизност, когато AI система направлява процеса, а роботи вършат физическата работа. Така персоналът може да пренасочи усилията си към по-стратегически аспекти на производството, а човешките грешки могат да бъдат елиминирани.

Изкуственият интелект е ключов и в мониторинга и поддръжката на оборудването. Проследяването на работата му в реално време помага на операторите да оценят ефективността, да набележат потенциални области за подобрение, да прогнозират и предотвратят евентуални проблеми и неизправности. Оборудването на машините със сензори с IP адреси позволява мащабно събиране на данни на ниво полево оборудване. С помощта на алгоритми за машинно обучение и анализ тази информация генерира ценна база с резултати, чиято обработка позволява цялостно подобряване на бизнес показателите в дългосрочен план наред с оперативна оптимизация на технологичните процеси.

Сред най-важните области на приложение на изкуствения интелект в ХВП е управлението на качеството, тъй като то подлежи на регулаторен контрол, а от него зависят здравето и безопасността на потребителите. AI платформите осигуряват висока скорост на инспекция и проследяване в комбинация с устойчива прецизност. Алгоритмите за самообучение пък позволяват идентифициране и оценка на широк набор от дефекти и задават предписания за предотвратяването им в бъдеще.

 

Роботи в производството

Нарастващото търсене на хранителни продукти в глобален мащаб поставя високи изисквания към автоматизацията в цеховете от хранително-вкусовия отрасъл. Все повече компании инвестират в роботи и изцяло автоматизирани производствени линии, които да им осигурят възможности за непрекъсната работа и драстично повишаване на производителността. По данни на Robotiq, стойността на глобалния пазар на роботизирани решения за ХВП ще достигне 2,5 млрд. щатски долара през 2022 г. Сред водещите двигатели на този ръст е експоненциалният скок в търсенето на полуфабрикати и готови за консумация храни през последните години.
Роботите намират приложение в два основни аспекта на хранително-вкусовото производство – първичната обработка на суровите хранителни продукти, тяхното сортиране, транспортиране, белене, кълцане и т. н.; и вторичната обработка. При нея се комбинират различни съставки, за да се приготвят нови продукти чрез готварски и пекарски техники, охлаждане и др. Водещите роботизирани приложения са сортиране, премахване на дефектни продукти и смесване. Повече индустриални роботи се използват при вторичната преработка на храната, показват актуалните статистически данни. Основна причина за това е, че технологиите за преработка и приготвяне са по-стандартизирани и подлежат на цялостно автоматизиране.

Друга важна област на приложение на роботите в ХВП са опаковъчните линии. На практика целият опаковъчен процес в някои цехове може да бъде автоматизиран, което повишава скоростта, ефективността и качеството на процеса и позволява работа в непрекъснат режим. Роботите са важна част от оборудването за първично, вторично и третично опаковане на продуктите, като за тези приложения се използват съответно pick-and-place и палетизиращи роботизирани системи.

 

Развитие на машинното зрение

Опаковането на хранителни продукти по традиция подлежи на автоматизирана визуална инспекция. Тази утвърдена технология също непрекъснато еволюира с динамиката на четвъртата индустриална революция. Баркод четците и камерите за машинно зрение са неизменна част от опаковъчните операции, но през последните години машинното зрение става все по-ключово и в производството на хранително-вкусови изделия. Визуалната инспекция на изходните суровини, например плодове и зеленчуци, позволява бързо и ефективно отсяване на годните от негодните продукти и пести ценно време за другите етапи на производствения цикъл, което съкращава времето за достигане на готовото изделие до пазара.

Сред иновациите в сегмента са усъвършенстваните алгоритми за обработка на изображения, изкуственият интелект, новите технологии при осветлението и сензорите, камерите с висока разделителна способност и т. н. В областта на автоматизираната визуална инспекция навлизат техники като машинното и т. нар. дълбоко обучение, както и невронните мрежи, които придават на машинното зрение способност да “разсъждава” подобно на човешкия мозък. Така системата за визуална инспекция може да регистрира дори най-малките отклонения в цвета, размера и текстурата на изделието, да открие изключително голям набор от дефекти и да вземе информирано решение в реално време за оценка на качеството на всеки отделен продукт и партида. Алгоритмите за дълбоко обучение имат една особеност – изискват доста сериозни изчислителни ресурси, които да обработват събраната информация. Това прави технологиите от този род скъпа инвестиция, която все ще се оказва непосилна за много малки и средни предприятия.

Сред другите новости в областта е NIR (near-infrared) инспекцията. Тя включва сензори, които са в близък до инфрачервения спектър, и са много подходящи за визуално инспектиране в ХВП (на цвят). За целта обикновено се използват силициеви сензори, като обикновено са необходими специални филтри и осветителни системи. NIR-базираните платформи за машинно зрение постепенно набират популярност в сегмента поради възможностите си да събират повече данни в сравнение с RGB сензорите.

 

Иновации при транспортните системи

Някои хранително-вкусови, козметични и фармацевтични продукти се пълнят в контейнери под формата на загрят флуид, който впоследствие се охлажда до твърдо агрегатно състояние. Без адекватно охлаждане тези продукти могат да повредят опаковките си, както и да създадат риск от изгаряне. Един от най-ефективните похвати за понижаване на температурата на такива изделия са т. нар. охлаждащи конвейери. Тези транспортни линии не са новост в ХВП и другите изброени отрасли, но съвременните технологии водят до качествени подобрения при наличните на пазара решения. При придвижването си върху конвейерната линия горещият продукт се охлажда достатъчно още преди да достигне станцията за затваряне, поставяне на капачки, етикетиране, вторично опаковане и т. н.

Принципът на работа на охлаждащите конвейерни системи обикновено е базиран на вентилатори, като разликата при отделните конструкции е в мястото на монтажа им. Те могат да бъдат интегрирани в линията и да охлаждат отдолу нагоре или да бъдат монтирани над конвейера. В зависимост от приложенията варират дължините на транспортните системи, тяхната скорост и мощността на охлаждане. С цел максимално ефективна работа на системата се използват честотни задвижвания, интелигентен софтуер за управление и други модерни технологии.

 

Оборудване в санитарно изпълнение

Сред водещите приоритети в ХВП са прецизното почистване и дезинфекция, тъй като от тях зависи безопасността на продукцията. Ефективността на компонентите и системите в санитарно изпълнение, сертифицирани за хранително-вкусовия отрасъл, се свежда до голяма степен до дизайна и материала за изработка. За иновациите в сегмента спомагат компютърното проектиране и моделиране, нововъведенията в материалознанието (при неръждаемите стомани, сплавите и полимерните материали), съвременните достижения при уплътненията, спирателната арматура и т. н.

Основните изисквания и стандарти към оборудването в хигиенен дизайн остават непроменени. Материалите трябва да бъдат издръжливи на химическа корозия, високи налягания и температури, да са подходящи за CIP и SIP процедури по почистване и стерилизация на място, да са лесни за източване и промиване. Всички тръбни системи и компоненти на оборудването трябва да са с гладки повърхности и дизайн, непредполагащ задържане на частици от преминаващите през тях флуиди и други продукти. Системите трябва да позволяват лесно разглобяване и измиване с вода под налягане и съответните препарати. В помощ на производителите от бранша отново идват съвременните технологии за мониторинг и инспекция, които могат да открият проблеми с почистването и отклонения от предписаните процедури.

 

Kонтролно-измервателно оборудване

Сред най-отчетливите технологични подобрения при оборудването за хранително-вкусовата промишленост в контекста на дигитализацията и Industry 4.0 е прогресът при контролно-измервателното оборудване. В този сегмент аналоговите прибори почти изцяло отстъпват място на цифровите инструменти, които се отличават с по-висока скорост и прецизност при работа, както и с възможности за съхранение на данните от измерванията и изпращането им към компютърно или друго устройство. Сред най-масовите средства за измерване и мониторинг на процесни променливи в ХВП са IoT-свързани сензори и полеви прибори, които извършват измервания директно на производствените линии и машини.

Все по-популярни стават мултифункционалните измервателни устройства, които проследяват множество параметри на хранителните продукти наведнъж, например температура, влажност, съдържание на сол, мазнини, протеини, съединителна тъкан и въглехидрати. Други признаци, които подлежат на измерване и инспекция, са цветът, свежестта, обемът, размерите и т. н. Дигиталните измервателни средства позволяват лесно документиране на измервателните процедури, консолидиране на цялата събрана информация за даден продукт или производствена линия и изпращането им към локален или облачен сървър за последваща обработка и анализ.
Голяма част от актуалните измервателни прибори в предприятията от ХВП са базирани на спектроскопски методи. По-новите модели могат да измерват в три измерения и позволяват по-детайлен анализ на продуктите и процесите. Иновациите при контролно-измервателната апаратура са свързани с непрекъснато подобряване на скоростта, точността и чувствителността при работа. Благодарение на това, днес могат да бъдат измервани с полева апаратура дори молекулярни структури.

 

 

 

ЕКСКЛУЗИВНО
Top